大庆油田抽油机风电互补供电系统可行性研究

2019-03-01张晓磊大庆石油管理局有限公司技术监督中心

油气田地面工程 2019年1期

张晓磊（大庆石油管理局有限公司技术监督中心）

大庆油田现有抽油机井5万多口，其中以游梁式抽油机居多，机采井耗电量占整个采油成本的50%以上。为降低采油成本，目前有上百种节能措施被广泛采用，随着抽油机节能降耗潜力逐年被挖掘，要想大幅度的降低采油成本，就不能仅仅考虑节流的方法，而开源的方法将会带来更加显著的降低成本的效果。其中风电互补抽油机供电系统技术将是非常具有潜力的项目之一。

1 油田风电互补发电系统工作原理

1.1 风力发电动机工作原理及组成

风能发电的原理是利用风力机将风能转变为机械能，风力机带动发电动机再将机械能转变为电能。小型风力发电系统一般将发电动机发出的电能储存起来需要时再提供给负载，并可以通过整流，逆变装置将发电动机输出电能进行交直流变换，适应负载的需要。小型风电动机主要由以下几个部分组成：风力机，把风能转换为机械能；发电动机，发电动机直接与风力机相连，由风机带动向外发电；电力电子接口，包括功率调节器和充放电控制器，位于风力发电动机和负载之间；蓄电池，它是系统的储能装置，将多余的能量存储起来，在无风时释放能量；逆变器和负载，逆变器用来将直流转换为交流，供交流负载使用[1-3]。

1.2 油田风电互补发电工作原理及特点

油田风电互补发电系统采用的是市电与风电并网给电的方式，当转速接近同步转速时，三相主电路上的晶闸管被触发开始导通，导通角随与同步转速的接近而增大，发电动机转速的加速度减少；当发电动机达到同步转速时晶闸管完全导通，转速超过同步转速进入发电状态；1s后旁路接触器闭合，电流被旁路，如一切正常晶闸管停止触发。抽油机由风力发电动机供电，当风速不能达到发电要求时，可由市电供电使其运行，确保正常的生产[4]。

油田风电互补发电设计系统充分考虑了抽油机电源系统的安全性、可靠性、可维护性、高效率、系统能量捕获能力等几个方面。

1）系统安全性。抽油机供电系统的安全性在所有性能指标中是最为重要的。系统在设计风电互补发电装置时，首先对安全性进行了认真的评估，并把安全理念贯穿整个设计。例如采用了机械变桨机构，大大简化了机械结构设计，通过了严格测试，使系统在极端恶劣的条件下，能够有效保证系统的安全性。

2）系统可靠性。系统供电的可靠性也是抽油机重要的指标，系统可靠性设计从硬件和软件两个方面进行了严格评审制度。采用模块化设计，通过冗余设计，提高了系统的可靠性。采用较新的技术例如采用交错并联技术、多路模块自动均流技术等。使得系统在某个分系统产生故障的条件下仍然能够继续工作。通过风电互补，使得系统的供电可靠性达到最高[5-6]。

3）系统可维护性。风电互补供电系统多设置在边远地区的无人值守的抽油机。其可维护性甚至是免维护性必须在设计过程中加以重视。系统采取了多项措施提高系统的可维护性。系统有集中监控单元可以对整个发电系统的工作状态、部件工况等进行实时监控，并可以通过无线模块上报中心控制地点，方便远程故障诊断和维护。同时系统具有本地故障诊断自启动功能，在故障条件排除后能够按照一定的逻辑程序重新启动，在启动过程中可以有效避免故障范围的扩大。

4）系统运行高效率。由于一次能源的不确定性和有限性，系统的工作效率必须受到重视，系统采用IGBT功率模块，采用PWM控制模式，降低了系统自身的能量消耗。

5）系统高能量捕获能力。为了保证系统向负载供电的可用性，较高的能量捕获能力是唯一可行的措施。为此系统采取了多项措施：采用机械变桨距技术，在没有自身损耗的条件下，可以使风能率得到提高，并且将切出风速加以提高，扩大了风能利用的范围；采用升降压DC-DC变换器能够将不稳定的风力发电输入电压经过转换达到要求的供电直流电压范围，从而最大限度地利用有限的风能；采用最大功率点追踪技术能够实现风能的MPPT功能。充分利用自然能。采用无级卸荷控制策略，在风机制动条件下进行持续发电控制。

6）系统良好的可扩展性。无论从硬件设备配置、模块的选择还是应用软件的开发、数据传输以及系统管理等，系统设计时具有针对性的采取不同措施，来保证系统的可扩展性，能够提供接口增加系统发电容量保证技术的升级改造。

7）系统高度自动化。整个系统的应用在可以采用自动化方式的情况下尽可能采用自动化的方式加以实现，以减少人工干预，这样即可以提高工作效率，同时又可以提高系统的安全性和可靠性。

2 风电系统在油田中的应用

大庆油田地区的风能资源非常丰富，加上油井附件地势开阔，遮蔽物较少，因此有利于小型风力发电系统的应用，通过对大庆油田边远采油厂抽油机井进行实际考查，采油七厂至十厂抽油机电动机额定功率在30kW以下占总量的80%以上，实际平均输入功率4.33kW。根据这一现状，对风电互补系统拖动30kW电动机应用效果进行现场应用分析。

2.1 耗能设备电量分析

油田抽油机用异步电动机额定功率为30kW，实际输出平均为4.33kW计算，按照供电电压为380V计算，工作时间每天24h，则每天的用电量分别为103.92kWh。

大庆市不同地区年平均风速为2.5～4.5m/s，个别地区风力在7m/s以上，属风速较大区域，全市全年风能可用时间约4000h。考虑风力资源影响及成本问题，风电互补系统应采用比例为：0.8∶0.2。

按照抽油机每日用电量103.92kWh计算，风力发电所需提供的电能为83.136kWh，一次电源控制器的转换效率97%，预计30m安装距离左右的线路损耗最高约3%，则需要风力发电系统的发电量为88.358kWh，大庆年平均风速按3.8m/s，折合有效风能利用率约42%（风力发电动机的额定风速以9m/s），则每天风力发电动机折合满功率发电时间为10.08h，需要风力发电动机提供的额定发电功率为8.18kW。为了有效保证系统的正常运行，可以适当考虑采用多台风机组成系统并联使用，这样可以尽可能提高系统可靠性。因此建议采用2台5kW风力发电动机与市电互补运行。

根据以上计算结合风力发电动机组的情况，选用的风力发电动机的参数见表1。

2.2 经济效益分析

电动机工作时间每年按360天计算，每天工作10.8h，每小时应节电量约为8.18kWh，则年节约电量约为31803.84kWh；以目前大庆油田用电收费标准0.6381元/kWh进行核算，每年可节省资金约2.03万元；风电互补供电系统以每台售价及按装成本以9万元（最高价）计算，使用寿命期平均为13年，则8年累计节约电量1078272kWh；8年累计节约资金约68.8万元；预期投资回收期为3.47年；预期投资收益41.8万元。