孤网供电系统在油田生产中的应用

鲍磊　（中国石油大港油田公司采油二厂）



孤网供电系统在油田生产中的应用

鲍磊（中国石油大港油田公司采油二厂）

无电网覆盖的偏远场站在油气生产中单耗偏高，如何降低能耗，提高综合效益日趋重要。通过阐述新能源发电系统的设备组成、性能原理，针对油气生产现场的专业化设计，实现应用。利用新能源发电系统提供生产动力源，替代传统发电机，取得良好的节能效益。为油气田偏远场站降低生产单耗，提升效益，提供了参考。

无电网覆盖；新能源发电；节能

1　生产现状

边远井站建立孤网供电系统替代柴油（燃气）发电。油田部分偏远地区新开发油井，因距离工业电网都相对较远，一般在5～10 km，铺设线网成本高，用地审批和协调地方关系复杂，主要采用柴油发电机组供电，发电效率低、能耗高，随着成品油价的不断上升，造成运行费用高。据前期调研，目前大港油田采油二厂在用发电机17台，装机功率1710 kW，年耗柴油248 t，能耗费用193万元。依托风力发电、太阳能光伏发电以及储能蓄电池供电技术建立孤网供电系统替代柴油（燃气）发电，可有效降低能耗及费用。

张21-1井为单井站点，站内的主要供电设备为有值班房照明、油管伴热带、游梁式抽油机，平时主要供电设备为1台90 kW柴油发电机，日耗柴油220 L，费用近1200元。

根据实测结果，该井各负载的情况如下：值班房单相交流电压220 V，最大负载电流20 A；油管伴热带负载电流7.5～10 A；游梁式抽油机单相最大电流35 A。供电系统优先为值班房和油管伴热带供电，供电系统存在负载不平衡工作状态。

2　建立孤网供电系统

2.1张21-1井离网系统设计

张21-1井系统采用风力发电机、光伏发电系统作为供电设备，2 V单体胶体电池250块作为储能设备，台达工业UPS作为交流负载供电设备，利旧70 kW燃气发电机为后备电源。

2.2张21-1井孤网供电系统结构

当前离网风发电、光伏发电、柴油发电、蓄储能电池组发电可分为两种供电模式：采用工业UPS加风光新能源充电系统组成的微电网系统［1］；采用双向储能逆变器加风光新能源充电系统组成的微电网系统。图1、图2分别给出采用“工业UPS加新能源”和“双向储能逆变器加新能源”的供电系统结构，其中张21-1井供电系统采用图1所示供电结构。

图1　工业UPS加风光新能源充电系统

图2　双向储能逆变器加风光新能源充电系统

图3为张21-1井孤网供电系统供配电简图，供电图中以工业UPS为核心为负载设备供电，风机控制器和光伏控制器负责蓄电池充电管理、最大功率跟踪等功能。

图3　张21-1井系统配电接入简图

2.3系统容量配置及负荷供应状况

值班房最大交流电压220 V交流负荷20 A；管道伴热带交流电压220 V交流负荷7.5～10 A；三相抽油机单相最大电流35 A。

太阳能电池板容量20 000 WP（255WP/块× 80块）；风力发电机容量20 kW（1套20 kW风力发电机）；抽油机变频器37 kW抽油机专用变频器1台；台达工业UPS（HPH-40 kVA）1台；蓄电池组400 Ah/2V，总计250块；风光互补控制器容量，30 kW太阳能控制器1台；30 kW风机控制器1台；中控及直流配电1台，交流配电单元1台。燃气发电机70 kW，利旧。

根据光伏宝光伏发电量估算软件，河北沧州黄骅市张巨河地区20 kW光伏系统年发电量约为30 756.24 kWh，平均折合到每日发电量84 kWh。以全国平均1893 h的风电利用小时数，按0.7的内部效率计算20 kW风力发电机的年发电总量为26 502 kWh。20 kW风力发电机折算的平均日发电量72 kWh，考虑负载工作时，蓄电池存在部分充电后发电过程，以及考虑各系统效率，发电系统整体效率按85%计算，则负载可利用的日平均电量为132.6 kWh。

系统内管道伴热带为24 h不间断供电，每日功耗为 39.6 kWh，值班房按满负荷每日供电8 h计，每日功耗 35.2 kWh。可供抽油机的电量为57.8 kWh。

张21-1井内抽油机驱动电机容量为30 kW永磁同步电动机，抽油机工作平均负载按30%额定容量计，抽油机的平均负载功率为9 kW。即系统内供电设备除满足值班房日常供电、管道伴热带正常供电外，每日还可提供抽油机系统供电6.4 h。

系统配电室内包含抽油机变频控制柜、交流配电柜、光伏控制柜、风力发电机控制柜、中控&直流配电柜、工业UPS设备以及蓄电池组。

3　系统测试情况

3.1系统内控制器主要参数设置

台达HPH-40 kVA工业级UPS主要设置参数见表1。中控配电柜主要参数，启动抽油机的蓄电池电压上限550 V，关停抽油机蓄电池电压下限为500 V。太阳能控制器主要参数设置见表2。风力发电机控制器主要参数设置见表3。

表1　台达HPH-40 kVA工业级UPS主要设置参数

表2　太阳能控制器主要设置参数

表3　风力发电机控制器主要设置参数

3.2蓄电池充电控制器测试结果

以光伏蓄电池充电控制器为例的测试结果，分别如图4、图5所示。其中，图4为控制器不接入蓄电池空载启动的电压波形，显示波形量值为实际电压的10倍。从图中可以看到，即使在输出空载情况下，控制器输出电压也被限制在参数设置中的“输出电压限值”范围以内，且仅在启动瞬间超调过程中出现，超调过后，控制器输出电压稳定在所设置的参数“蓄电池浮充电压”上。图5为控制器正常输出时，输入侧电流给定和反馈波形，从图形中可以看出，控制器输入侧电流始终稳定在给定电流范围内。图中电流波形的量值为实际电流波形的10倍。

图4　控制器不接入蓄电池空载启动

图5　输入侧电流给定和反馈波形

4　系统节能效果分析

采用孤网供电系统，自2015年7月7日供电至今。在运行期间，除2015年7月15日几日由于连续阴雨天，燃气发电机启动运行5 h外，其他时间备用发电机均未主动启动，孤网供电系统完全满足站内生产及生活需求。

根据历年发电机能耗情况统计：单独使用1台90 kW柴油发电机，日耗柴油220 L，按目前0#柴油5.13元/L费用近1 128.6元。

单独使用70 kW燃气发电机，每月耗气量大约为30 m3压缩天然气（CNG），按1 m3压缩天然气折合250 m3标准大气压下的气态天然气计算，张21-1井正常状态下每月标准气压下耗气量为7500 m3，按工商业用气（标准大气压下）价格3.78元/m3计，张21-1井每月正常水平能源消耗费用为28 350元，考虑到天然气运输费用3200元（按每月送气4次，每次运输及人工费用800元计，每月天然气运费3200元），燃气发电机润滑和日常维护费用约为燃气费的10%，日常维护费用2835元。

综上，张21-1井单独采用柴油发电机供电，折合每日费用为1 128.6元；单独采用燃气发电机供电折合到每日费用1146元。

5　结论

采用孤网供电系统后，张21-1井按月度计算节约的费用为33 858元（燃油）或34 385元（燃气）。

孤网供电在油气生产中已经有所使用，但是应用范围较窄，主要在油气集输领域，采用光伏发电，对长输管线进行中途加温，没有直接提供工业动力电。上述孤网供电系统直接采用新能源发电，提供动力电源，不仅能够满足抽油机生产需求，还可以满足场站值班工人生活用电。对油田偏远、无电网覆盖的场站的生产，提供了一个无排放、低能耗、高收益的选择，具有良好的示范效应，节能效果明显，在无电网覆盖的地区具备进一步推广的价值和必要。

［1］邱见青.不间断电源设备：GB 7260.4—2008［S］.北京：中国标准出版社，2009：9-13.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.008

2016-04-08

（编辑杜丽华）

鲍磊，工程师，2005年毕业于中国地质大学（武汉）（石油工程专业），现从事节能管理工作，E-mail：117261161@qq. com，地址：河北省黄骅市南大港管理区采油二厂油田管理科，061103。