浅议新能源在油田企业的开发与利用

洪亮

摘 要：油田企业在油气开发生产过程中需要消耗大量的电力、原油、天然气、汽油、柴油等常规能源，新能源因地理条件限制、开发技术不成熟等原因虽不能完全取代常规能源，但在特定环境中适当利用新能源，不仅能够解决油田企业的成产问题，还能够起到降低成本，减少环境污染的作用。

关键词：油田；新能源；开发与利用

在目前众多可再生能源与新能源技术开发中潜力最大、最具开发价值的是风能和太阳能。它们是最普遍的自然资源也是取之不尽的可再生能源。近年来风能和太阳能的利用技术发展迅速。10年前世界风光发电总功率不到100万kW，如今已超过1000万kW。据估计20年内，风光发电将可满足世界电力需求的10%成为21世纪主要的电源之一。世界各国都对新型能源进行了深入的研究和开发。近年来，由于传统燃料价格上涨，导致工程师们都在尝试发展其他更好的方法利用风力。风力虽不很稳定，但是比其他动力资源要来得便利，因为风向自由、清洁、不会产生不良的副作用。

1 新能源在油田企业中的利用

我单位承担着中石化非常规气田的勘探开发任务，目前主要井区分布在我国的西部，前期勘探出来的边缘井、探井都在偏远山区，电力供应不足，普通电力建设投资费用高，并需根据气井的状况才能确定投资的回收率，同时日常生产以消耗柴油，所以边缘井与探井的生产成本一直居高不下。如果能够采用风光互补发电系统技术解决边缘井、探井的用电问题，就可以以最小的投入产生最大的经济效益。

1.1 前提条件

新能源的开发与利用与油田所处的地理条件有着密切的关系，我油田所在地区为江苏省（年日照时数为2200-3000）与山西省（年日照时数为3000-3200），都为二、三类地区既有良好的太阳能的应用条件。

江苏平均风速在2.9米/秒至3.5米/秒之间，最大风速可达20米/秒以上，全年有效风能利用在3500小时以上。山西平均平均风速在2米/秒至4米/秒之间，最大风速可达20米/秒以上，具备风力发电的条件。

1.2 技术路线

风光互补发电系统一般包括风力发电机、太阳能电池组件、控制器、逆变器、耗能负载、蓄电池组以及支架等。发电系统具体工作原理如图1所示。白天在太阳光的照射下，太阳能电池组件产生的直流电流与风力发电机组发出的交流电经整流后，通过控制器一部分经逆变器转化成交流电供负载使用，另一部分对蓄电池进行充电。当阳光或风能不足时，蓄电池的电能通过逆变器转化为交流电供给交流负载使用。

（1）发电部分：由1台或者几台风力发电机和太阳能电池板矩阵组成，完成风-电、光-电的转换，并且通过充电控制器与直流中心完成给蓄电池组自动充电的工作。（2）蓄电部分：由多节蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任务。（3）充电控制器及直流中心部分：由风能和太阳能充电控制、直流中心、控制柜、避雷器等组成。完成系统各部分的连接、组合以及对于蓄电池组充电的自动控制。（4）供电部分：由一台或几台逆变电源组成，可把蓄电池中的直流电能变换成标准的220V或400V交流电能，供给各种用电器。

当然，为了保障用电的可靠性，还可以采用风力发电与柴油机发电互补，组成风-柴互补发电系统。

2 功率控制策略

2.1 风电系统功率控制

根据风能及负载变化情况，风电系统主要包括最大功率跟踪控制、负载功率跟踪控制和超速保护3种控制方式。为了提高系统在蓄电池组没有充满时的运行效率，在额定风速以下，本文采用最佳功率给定法进行最大功率跟踪控制。该方法假定系统始终运行在最佳叶尖速比，根据发电机转速推测风力机最大输出功率，将该推测功率作为发电机功率的给定，调节DC/DC变换器的占空比进行阻抗变换，实现最大功率跟踪。

当风力机输出能量多于负载及蓄电池吸收的能量时，采用负载跟踪控制模式调节系统功率输出。使得风力机叶尖速比偏离最佳值，风能利用系数降低，保证发电机输出功率与负载消耗功率及充人蓄电池功率之和相平衡。

2.2 光伏系统功率控制

根据负载和光照条件，光伏系统可以运行在最大功率跟踪控制和负载跟踪控制两种方式。可采用扰动观察法进行最大功率跟踪控制。虽然扰动观察法存在系统工作点在最大功率点两侧振荡现象，造成一定的功率损失，但具有简单可靠、容易实现特点，得到广泛应用。

为了实现负载功率跟踪控制，通过计算负载电流与蓄电池最大可接受电流之和，并结合母线电压值（也是蓄电池端电压），计算负载和蓄电池需求功率。然后将此值作为光伏阵列输出功率的设定值，利用PI调节器调节DC/DC变换器的占空比实现功率平衡。

2.3 蓄电池充放电控制

铅酸蓄电池的耐过充电、过放电能力较差，过充电和过放电现象都会影响蓄电池的容量和使用寿命。为此采用变电流快速充电法对蓄电池进行充电控制，尽可能在短时间内快速恢复蓄电池放出的能量，同时防止过充电发生。在开始充电阶段，利用蓄电池能够接受的最大允许充电电流进行加速充电。当端电压达到设定值时表明蓄电池发生极化现象，故需降低最大允许充电电流。这一过程重复进行，直到充电电流减小到最小设定值时表明蓄电池的容量已经恢复到100%，然后涓流充电以补充蓄电池的自放电损失。

3 方案及效益分析

边缘井、探井的井场用电负荷十分简单，由两部分组成：机抽动力系统负荷约20KW与基本生活用电约2KW（电视机、电脑等）。设备配置方案也十分简单：风力发电带动力系统，太阳能发电带照明生活系统。机抽动力系统可用30KW风力发电机（带逆变器、蓄电池等），现场生活营房的屋顶可用面积为20平方米，可装设太阳能。风力发电与太阳能发电共用一套逆变系统。所有装置均为可拆卸设计，可进行搬迁和挪作他用。

对于边缘井、探井的生产，常规供电方式是使用柴油机组，一般单井使用50KW的柴油机组（沃尔沃），单台售价9万元；其油耗为13L/h，按每天工作24小时计算，日耗柴油290升，柴油价格为7.01元/升，每月柴油费用为6.1万元。风力发电机（配套逆变器、蓄电池等），再加上所有的安装费用后，能够实现运行的总造价为23万。20平方米太阳能电池板（输出总功率为2000W）能够实现运行的总造价为2万元，合计25万元。

经过测算，使用风光互补发电与柴油机发电相比较，在投入运行2.62月后，即可收回设备投资成本，实现降本增效的目的。

4 结束语

新能源在油田单个用电单元的开发与利用的效果十分明显，随着新能源技术的成熟发展，新能源的优势将会越来越明显，也必将在油田企业得到更为广阔的使用。

[参考文献]

[1]魏斌，王文静.风光互补发电技术在油田边远单井上应用的可行性分析[J].节能，2008（7）：36-37.

[2]李凌锐，董文斌，郭小坚.应用于通信基站的风光互补电源系统[J].能源技术，2008，29（3）：155-156.

[3]赖克中.风光互补移动通信电源的设计与应用[J].能源与环境，2009 （2）：104-105.