大庆油田抽油机分布式风网互补供电系统可行性分析与研究

张旻（大庆油田有限责任公司质量节能部）

引言

大庆油田于1960年投入开发建设，随着开采时间的延长，老油田的“三低”（低孔、低渗透、低丰度）油井越来越多。在油田注水开发中、后期，由于含水量高、液体量大，不但增加了耗电量，而且采出油少，经济效益下降。走低成本战略，降低能耗、减少生产成本，是大庆油田持续推进提质增效的一项重点任务。据了解，大庆油田机械采油井数已经达到3万余口，采油生产用电量占油田总用电量的三分之一左右。其中抽油机井占机采油井数的88%，其生产用电量占机采井的70%左右。根据大庆油田采油一厂一矿抽油机耗电量及系统效率统计（表1），可以看到抽油机耗电量巨大，是油田耗电的主要设备，也具有巨大的节能空间。

表1 大庆采油一厂一矿抽油机耗电及系统效率统计

风力发电在当今新能源开发利用中技术成熟，是具备开发条件、发展前景良好的项目，有利于改善能源结构。研制和开发应用新型、高性能、环保型的风电、网电并联供电系统对于实现充分利用风能、大幅减低能耗具有十分重要的意义[1-2]。

1 分布式风网互补供电系统

1.1 分布式供电系统

分布式电源是以风力发电为主的小模块式并且与环境保护兼容而且分布在负荷附近的经济、高效的独立电源。分布式电源既可以独立的方式运行为特殊用户单独供电，也可以与电网互补共同为用户供电。与传统发电技术相比，分布式电源更靠近用户，不需要高压输电系统，因此可减少基础设施的投资，而且建设周期短、运行费用低，使其与电网联合运行可提高系统的经济性、安全性和灵活性，同时可以满足油田可持续发展的要求，减少对环境的破坏。分布式风网互补供电系统具有以下优点：

1）可以合理利用清洁能源，减少发电过程中的废气排放。

2）在配电网中，由于负荷增长而供电设备的物理容量不足时，可以适当建立分布式供电系统来满足局部负荷的增长，减少改造供电设备的投资，同时也可以用来弥补用电高峰时的缺口。

3）在配电网中分布式供电可以提高局部供电的可靠性。

4）可以提高能源利用效率以及减少输电损耗，提高一次能源的利用率。

图1 抽油机风电-网电互补供电系统结构示意图

1.2 风电-网电互补供电系统原理

抽油机电动机通过转换开关连接到供电电源，控制系统可以对各台抽油机进行电源切换操作。在风况优良时，风力机发出的交流电经过整流器转换成较稳定的直流电对蓄电池进行充电，再经过逆变器将直流电逆变成交流电后对负载进行供电[3-4]。当风力发电机发出的电能，能够满足设备用电时，全部用风电，若风能不足时，网电的电能自动补足，若无风时，则全部用网电。风电与网电互补过程中无断电切换，全部自动在线转换。同时，由于采用直流逆变的方式供电，功率因数大大提高，有效降低无功损耗。抽油机风电-网电互补供电系统结构示意图见图1。

2 互补供电系统的建立及运行

目前，各油田中应用最广泛的是游梁式抽油机，它具有机构简单、维护周期长、维修费用低等优点，但是存在耗电量大、效率低等缺点。由于抽油机必须保持连续的工作状态，除了保养和维修时停运，其它时间必须是全天24 h不间断的工作，所以要求供电电源具有高安全性和高稳定性。而风力发电机具有间歇性和随机性，发出的电能不便储存。采用风电-网电互补的方式，将整流器、逆变器和蓄电池有机结合，有风时优先用风电，不足的部分由网电及时补充，最大限度地维持供电的连续性，克服独立运行的风力发电机发出的电能不便储存的缺点。

2.1 建立风电-网电互补供电系统的原则

1）维持供电的连续性和可靠性，保证抽油机安全、平稳运行。

2）就地安装风力发电机，不需要进行并网传输。

3）风电能力不足时，用网电补偿差额有功功率。

4）当风力发电机故障时，系统自动切换到网电运行。

5）通过风机控制系统，仅需3 m/s以上风力即可发电，当风力很大时，系统通过调节桨叶切风角改变风机受力状况。

6）系统应具备准恒温调节功能，适应恶劣的气候环境，无论在炎热的夏季或寒冷的冬天，系统均可确保室外运行[5]。

2.2 供电系统的运行及控制过程

1）启动。由于各抽油机电动机负载较大，导致启动电流较大，所以考虑采用网电启动电动机。当负载运行平稳后，将自动转切至风力发电机供电模式[6]。

2）运行。正常运行时，风力发电机直接供抽油机用电，并向蓄电池充电。当风力发电机不能满足负荷需要时，由蓄电池补充差额。当蓄电池放电接近完成，而且风力发电已经不能满足需要时，系统自动切换到网电供电状态。

3）故障。当系统出现故障时，控制系统对故障源进行初步判断，并按照预定的方式进行相关操作。

3 风力发电机的匹配选型

根据大庆气象台1980—2010年气象资料统计（图2），其多年平均风速为3.5 m/s。为合理地反映该地区风力资源情况，选取多年平均风速3.5 m/s作为10 m高度基本风速进行测算。

图2 大庆地区月平均风速直方图

根据风速梯度公式，该地区风速换算成30 m高度风速应为6.3 m/s。

式中：V0——大庆地区平均风速，m/s；

H0——大庆地区平均风速的基准高度，m；

Hn——风机高度，m；

Vn——风机高度下平均风速，m/s。

以大庆油田采油一厂CYJ10-3-37HB型抽油机为例，电动机额定功率为37 kW，根据现场提供的数据资料显示，单台电动机平均使用功率14.2kW。根据某风电设备有限公司制造的HY10-AD7.8变浆距风力发电机组的主要技术参数（表2），结合风速与功率对应曲线，根据容量系数法计算出5台额定功率20 kW风力发电机共同为7口抽油机供电时，其效率最高、经济性最好。

表2 风机主要技术参数

根据大庆当地风资源状况，结合选定的风机机型和风电机功率曲线，推算风电发电机组标准状态下的理论年发电量21.9×104kWh，年等效负荷小时数为2190 h。

式中：P——理论年发电量，kWh；

Q——额定功率，kW；

V平均——风机高度下风速，m/s；

V额定——额定风速，m/s；

t——运行时间，h。

4 综合效益分析预测

4.1 节能减排效果

大庆油田电网是我国最大的企业电网，主要电厂为燃煤电厂，发电用煤需求量大。随着经济的发展，油田用电负荷将持续增长，发电用煤需求量将更大。燃煤电厂在消耗大量燃煤的过程中，产生了大量的CO、CO2、SO2、NOx、烟尘等污染环境和造成温室效应的有害气体，对环境和生态造成不利的影响。在大庆油田，尤其是偏远井场开发利用小规模清洁的可再生能源供电系统，即可解决外围采油井场供电需求问题，又可达到节能减排的目的，符合我国能源可持续发展的相关政策，风电应用前景明朗。

表3 风机发电经济效益预测分析

4.2 经济效益分析预测

由于大庆油田地处风能较丰富区，经过风速高度换算，30 m高度全年平均风速6.3 m/s，风机有效风速累计小时数达到2190 h。考虑在大庆偏远井场安装5台容量为20 kW的风力发电机组共同为7口油井供电。

项目实施后，风机有效运行时间以2190 h计算，轮毂高度（30 m）平均风速以6.3 m/s计，用电价格以0.61元/kWh计，风力发电机成本以10000元/kW计，抽油机年耗电量以2010年大庆采油一厂一矿CYJ10-3-37HB型抽油机为依据〔313.3kWh/(d·台)〕计算。则7口油井年节约耗电量及经济效益计算如表3所示。

通过对该供电系统的经济效益和社会效益分析表明，采用5台20 kW风电与网电互补为7口油井供电，对比单纯由电网供电型式，预测全年风力发电量可占总用电量的27.4%，年均可节约电费成本89 790元。按照节约1 kWh电量计算，年可减少碳粉尘排放 59.6 t、CO2218.3 t、SO26.6 t、NOx3.3 t。

5 结论

通过以上分析，可以看出抽油机采用风-网互补供电方式，无论是环保、技术还是经济上都是可行的。而且风能作为一种清洁的、可再生能源，即可达到节能减排的目的，又完全符合我国能源可持续发展的政策，产生的经济效益和社会效益都非常明显。同时，大庆油田既是产能大户，更是耗能大户，有效广泛开展风电技术的研究与应用对于大庆油田节能降耗工作具有十分重要的意义。