中东地区某油田自喷井的光伏发电系统设计

梅业伟 纪建强 刘元东 王雨薇

摘 要：中东地区的大型和巨型油田自喷井较多，而自喷井设备的用电负荷较小，且此类地区的太阳能资源丰富，建设光伏发电系统的场地充足，特别适合采用光伏发电技术。以位于中东沙漠地区某已建千万吨级油田的地面工程为例，该地面工程的单井光伏供电项目通过光伏发电系统为自喷井供电，对该光伏发电系统的系统结构设计及主要设备选型等进行分析。以期为同类项目的建设提供参考。

关键词：中东地区；地面工程；自喷井；光伏发电系统；油田

中图分类号：TK519 文献标志码：A

0  引言

中东沙漠地区的太阳能资源丰富，地广人稀，建设场地充足，十分适合发展光伏发电技术。该地区油气资源也特别丰富，各油田区块占地面积从几十平方公里到上百平方公里不等，所以油田内光伏发电系统的建设场地一般比较充足。在全球碳排放减排的大背景下，越来越多的光伏发电系统被应用到当地的油田地面工程供配电系统中。此外，中东地区的大型和巨型油田自喷井较多，而自喷井设备的用电负荷较小，主要是一些控制、照明等辅助类装置的用电负荷，无压缩机与离心泵这类大功率用电负荷。因此特别适合采用光伏发电系统。油田自喷井负荷由光伏发电系统供电可省去传统的柴油发电机、架空线路、变压器、高低压配电屏等设备及其附属设施，从而减少了投资，具有技术经济性；且油田自喷井采用光伏发电系统后可在配电端通过低压直流直接供电，减少了电能损耗，充分利用了可再生能源，减少了碳排放，保护了环境，降低了运维检修工程量，兼顾了经济和环境效益。基于此，本文以位于中东沙漠地区某已建千万吨级油田的地面工程为例，该地面工程的单井光伏供电项目通过光伏发电系统为自喷井供电，对该光伏发电系统的系统结构设计及主要设备选型等进行分析。

1  背景介绍

该单井光伏供电项目属于油田地面工程的高端领域，为某千万吨级油田的后续开发项目。油田地面工程主要包括改造已有中心处理站、新建站外脱气站、新建单井生产设施和辅助系统设施，该地面工程的主要供电系统是中心处理站内的总变电站，其可为站内、站外负荷供电，其中站外负荷主要通过架空线路输电。自喷井用电设备的负荷较小，可直接由光伏发电系统供电。当自喷井采用光伏发电系统供电时，无需建设传统的输电线路和升、降压站，减少了传统能源消耗和项目投资，并且该光伏发电系统配备有储能系统，二者配合能更可靠地为自喷井负荷供电，有助于取得良好社会、经济效益[1-2]。

2  典型负荷分析

该单井光伏供电项目除了需保证产出的原油通过油田管网输送至油田中心处理站进行处理外，电气部分还包括通过光伏发电系统为自喷井用电设备供电，同时进行配套电缆的敷设、接地等。

单井光伏供电项目涉及到的用电设备负荷主要包括液压泵电动机、加药撬装载泵、加药撬加药泵、照明设备、仪表等。各设备的负荷较小，用电电压等级统一采用24 Vdc，无交流负荷，因此光伏发电系统直接采用24 Vdc输出[3]，直流供电无需配置逆变器。此外，还需要预留出自喷井自喷结束后转为气举生产井所需的节流阀用电负荷。

单口自喷井用电设备的负荷如表1所示。其中，RTU为远程终端单元。需要说明的是，各用电设备每天的运行时间是根据项目设计技术要求及运维要求给出的；项目要求单口自喷井至少考虑25%的预留容量，其最小计算负荷为1810.6 W，经业主、咨询方及EPC方一致同意，每口自喷井负荷按1900 W进行设计。

3  光伏发电系统的设计

由于本项目中用电设备的功率不大且数量较少，光伏发电系统采用24 Vdc输出为设备供电及为储能系统充电。光伏阵列输出的直流电经汇流箱汇流后接入充电控制器，然后分别接入直流配电箱和蓄电池组。用电设备由直流配电箱供电，省去了逆变器和变压器，提高了供电可靠性。蓄电池组通过充电控制器充电和向用电设备供电，太阳辐射充足时用电设备由光伏阵列直接供电，同时向蓄电池组充电，而当夜晚或太阳辐射不足时须通过蓄电池组向用电设备供电，保证自喷井用电设备的连续、可靠用电。

业主招标技术文件《Specification for Solar Power Supply System》及《Solar Power Systems》對光伏发电系统的主要技术要求为：1）光伏阵列最低配置为两组，每组按用电设备容量的50%配置，同时考虑至少10%裕量；2）充电控制器配置为两组，每组按用电设备容量的50%配置，同时考虑每组至少10%裕量；3）储能系统配置两组蓄电池，每组按用电设备容量的50%配置，同时考虑每组至少5%裕量；4）光伏组件安装倾角采用35°；5）采用单晶硅或多晶硅光伏组件；6）上述的容量配置为项目最低技术要求。

结合用电设备功率特性及相应技术要求，单口自喷井的光伏发电系统结构示意图如图1所示。

该光伏发电系统的主要功能单元包括光伏阵列、接线箱、汇线箱、充电控制器、蓄电池组、动力箱。

单口自喷井由两个光伏阵列供电，每个光伏阵列包括6套接线箱，每套接线箱依据现场实际布置情况接入3～5个光伏组串，每个组串包括两块光伏组件；光伏组串的并联串数为48串。然后将12套接线箱汇入汇流箱，汇流箱与两套充电控制器连接从而完成储能电池组充电及向用电设备供电。其中，汇流箱内的设计和接线需保证每套接线箱均可灵活切换至不同的充电控制器；每个为设备供电的配电箱均有两路进线，可由两台充电控制器分别供电。

4  主要设备选型

4.1  主要设计及技术要求

该项目位于中东沙漠地区，当地最低环境温度在0 ℃以上，无需考虑冰冻等影响；最高环境温度可达到58 ℃，金属在太阳直射时最高温度可达85 ℃，因此所有设计及设备选型均需考虑现场高温影响。具体环境参数如表2所示。

项目招标文件中对电压参数、各类系数等作出了具体规定，在进行光伏发电系统设计时需遵守，主要的技术参数要求如表3所示。

4.2  光伏组件的选择

单口自喷井设备的总计算负荷取1900 W，负荷率取0.9，单口自喷井设备的日总负荷取1710 W；考虑老化系数1.1后的日负荷取1881 W；

考虑降额系数1.1后的日负荷取2069.1 W。

根据负荷及项目技术要求，最终采用型号为KG160GX的多晶硅光伏组件；光伏支架的安装倾角为35°；一个光伏发电系统包括两个光伏阵列，一个光伏阵列包括48块光伏组件。光伏组件的主要技术参数如表4所示。

4.3  蓄电池及充电控制器的选择

项目招标文件要求储能系统相关参数的选取由中标厂家获批后完成，该项目中储能系统容量的选取最终通过安时法计算得到[4-7]。

首先，根据表1中用电设备的负荷情况及项目给出的各单口自喷井设备每天的运行时间，考虑相应系数后，得出单口自喷井所需的蓄电池总容量；然后，根据选用的单组蓄电池容量选取合适的数量。

该项目中蓄电池选用铅酸免维护阀控蓄电池，其单体正常工作电压为2 V；共采用4组蓄电池，每组蓄电池包括12块单体蓄电池，当放电截止电压为1.8 V时，单组蓄电池（A602/2600）的容量为2599 Ah（温度为20 ℃时）。该项目所用蓄电池的技术参数如表5所示。蓄电池计算容量考虑了其老化系数、高低温补偿系数和放电深度的影响。

充电控制器需在满足单井设备平均计算负荷电流的基础上满足蓄电池组的充电和浮充电要求；储能电池在充电的同时还需向常规用电设备供电，储能电池应按1.0 I10（I10为电池的10 h放电电流）～1.25 I10[8]，并叠加常规用电设备负荷电流进行选择，因此最终选用额定电压为24 Vdc、额定电流为600 A的充电控制器。

5  其他主要设计

在进行光伏发电系统设计时，光伏阵列、蓄电池组及相应的附属设施均需布置在易发生爆炸的危险区之外，同时需满足防火间距要求，减少油气生产过程对光伏发电系统的影響。

光伏发电系统接地与站场工艺设备及电气、通信、仪表等公用系统设备共用接地网，采用联合接地网设计，接地电阻不大于1 Ω[9-11]，各汇流箱、配电箱均配置浪涌保护器。在光伏阵列下方、蓄电池箱内均设置接地汇流排，各设备外壳与支架等金属部分通过就地汇流排接至主接地网。

光伏发电系统部分的电缆敷设采用地面桥架，配电箱至各工艺设备之间的电缆采用直埋敷设。

6  结论

本文以位于中东沙漠地区某已建千万吨级油田的地面工程为例，其单井光伏供电项目通过光伏发电系统为自喷井供电，对该光伏发电系统的结构设计及主要设备选型等进行了分析。该单井光伏供电项目已顺利投产，运行良好，减少了一次能源消耗及碳排放，产生了良好的社会和经济效益。以期本研究可为同类项目提供借鉴。

[参考文献]

[1] 曾升伍，向超，刘波. 太阳能供电系统设计与分析[J].中国新通信，2020，22（3）：157.

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[10] IEEE. Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment：IEEE 1100-2005[S]. [S.l.：s.n.]，2005.

[11] Electrical Installations in Petroleum Processing Plants：API540-2013[S]. [S.l.：s.n.]，2013.

DESIGN OF PV POWER GENERATION SYSTEM FOR FLOWING WELL IN AN OIL FIELD IN THE MIDDLE EAST

Mei Yewei1，Ji Jianqiang2，Liu Yuandong3，Wang Yuwei1

（1. China Petroleum Engineering & Construction CORP. Beijing Design Company， Beijing100085，China；

2. Xinjiang Branch of China Petroleum Tendering Center，Karamay 834000，China；

3. China Petroleum Technology Development Co.，Ltd.，Beijing 100020，China）

Abstract：There are many large and giant oil fields in the Middle East with flowing wells，and the electric load of flowing well equipment is small. Such areas are rich in solar energy resources，and there are sufficient sites for the construction of PV power generation systems，especially suitable for the use of PV power generation technology. This paper takes the surface engineering of a ten-million-ton oil field in the desert region of the Middle East as an example. The single-well PV power supply project of the surface engineering supplies power to the flowing well through the PV power generation system. The system structure design and main equipment selection of the PV power generation system are analyzed. It is expected to provide reference for the construction of similar projects.

Keywords：Middle East；surface engineering；flowing well；PV power generation system；oil field