大庆油田抽油机分布式风网互补供电系统可行性研究

王豫龙，张 玉

(大庆油田电力集团，黑龙江 大庆 163711)

目前，大庆油田机械采油井数已经达到3万余口，全年采油生产用电量约为139亿kW·h，占油田总用电量的三分之一左右[1]。其中，抽油机为主要油田耗电设备，采油成本较高。大庆油田电网是一个纯火电电网，燃煤电厂在消耗大量燃煤的同时，还产生了大量的 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。因此，鉴于大庆地区的风资源丰富和具有开发建设风力发电场的有利条件和资源优势，在大庆油田开发利用小规模清洁可再生能源供电系统，既可降低油田用电成本、减少燃煤消耗，又可达到节能减排的目的。

1 大庆油田风能资源评价

大庆油田地处敖古拉大风口，年平均风速3.73 m/s，春秋季风速偏大，冬夏季风速较小，属于春秋强中压型风能较丰富区，全年风能可利用时间在4 000 h左右[2]，风能蕴藏量在全国城市排名位居前列.

根据国家气象局提供的大庆油田各地区1981年1月—2010年1月各测风塔实测数据(见表1)，大庆油田地区10 m高度年平均风速为3.73 m/s，有效风力小时数在3 696～4 988 h，达到了风能丰富区的指标。1月以西北风为主(风频33.3%)，7月以偏南风为主(风频36.9%)，如图1所示。冬夏风向交替显著，从全年各风向频率看，西北风向频率最大为11%，南风次之为9%，东风最小仅2%，而其他风向都在5% ～7%[2]。风向以西北偏北风出现的频率最多，风向稳定，有利于风力发电机布局与高效利用。

表1 大庆地区测风塔月平均风速 m/s

图1 风向频率玫瑰图

2 抽油机风电-网电互补供电系统设计

目前在各油田中应用最广泛的是游梁式抽油机，它具有结构简单、维护周期长、维修费用低等优点，但存在耗电量大、效率低等缺点[3]。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小时不间断工作，要求供电电源具有高安全性和高稳定性。所以应在油田采区抽油机的空隙内布置中、小型风力发电机，与周边数台抽油机构成分布式供电系统，并与整流器、逆变器有机结合，组成风网互补的抽油机供电系统。有风时优先利用风电，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，克服独立运行风力发电机的缺点。

2．1 风能资源测算

为合理地反映该地区风能资源情况，选取多年平均风速3.73 m/s作为10 m高度基本风速进行测算，风速梯度公式为

式中:vh为距地面高度为h处的风速，m/s;vi为高度为hi处的风速，m/s;n为经验指数，取0.3。

将该地区风速换算成30 m高度风速应为5.18 m/s。

2．2 风力发电机选型

目前，中、小型风力发电机主流单机容量在1～100 kW，其中20 kW、30 kW级机组装机量最大、技术最为成熟。考虑到本项目特殊的风网互补设计，要求风力发电机在低风速段具有较高的发电效率，故优先考虑直径15 m叶轮的30 kW FD15-30/12风力发电机，同时采用直驱永磁技术能够进一步优化该风力发电机的低风速发电效率，所选风力发电机参数见表2。

表2 风机主要技术参数

2．3 风力发电机与抽油机容量配比优化设计

设计采用 FD15-30/12型风力发电机为CYJ10-3-37HB型抽油机供电。该抽油机电机额定功率37 kW，根据现场提供的数据资料显示，单台电动机实际有功功率仅为14.2 kW。结合风速与功率对应曲线(见图2)，根据容量系数法计算出1台额定功率30 kW风力发电机共同为2台抽油机供电时，其效率最高、经济性最好。

图2 30 kW风力发电机功率曲线

2．4 发电量估算

风轮机功率公式为

式中:P为风机输出功率，W;ρ为空气密度，kg/m3;r为风轮半径，m;vm为平均风速，m/s;Cp为风能利用系数。

由风轮机功率公式计算出该风力发电机在30 m轮毂高度时，年平均输出功率为6.02 kW，年理论发电量为5.27×104kW·h，年利用小时数为1 756.7 h。

2．5 风电-网电互补供电控制系统设计

由于风力发电机发出的电能具有间歇性和随机性，采用风电-网电互补的方式将整流器、逆变器有机结合，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，具体控制过程如图3所示。

图3 抽油机风电-网电互补供电系统结构示意图

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。风况优良时，风力发电机发出的交流电经过整流器转换成较稳定的直流电，再经过逆变器将直流电逆变成交流电后对负载进行供电。风力发电机发出的电能能够满足设备用电时，全部用风电;风能不足时，网电的电能自动补足;无风时，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。由于采用直流逆变方式供电，功率因数大大提高[4]。

3 经济效益及环境保护分析

3．1 经济效益分析

大庆油田风能较丰富，风力发电机有效风速累计小时数达到1 756.7 h，考虑在大庆偏远井场安装1台容量为30 kW的风力发电机组为2口油井供电。项目实施后，轮毂高度(30 m)平均风速以5.18 m/s计，工业用电价格以0.61元/kW·h计，风力发电机成本以10 000元/kW计，2口油井年节约电量及经济效益计算如表3所示。

表3 风机发电经济效益预测分析表

3．2 环境保护分析

项目实施后，年可节约电量5.27×104kW·h，按照节约1 kW·h电量可减少排放0.272 kg碳粉尘、0.997 kg二氧化碳(CO2)、0.03 kg二氧化硫(SO2)、0.015 kg氮氧化物(NOX)计算，年可减少污染物排放69.24 t，具体数据见表4。

表4 减少各类污染物排放量

4 经济评价

4．1 投资分析

本项目财务内部收益率8.69%，大于行业基准收益率8%，净现值大于零。投资静态回收期低于行业基准值。所以，此项目在财务上可行。

4．2 敏感性分析

本项目选用建设投资、经营成本、收入作为敏感性分析的影响因素。经分析，建设投资和收入对项目经济效益敏感程度影响较大，经营成本敏感程度较小，项目整体具有一定的抗风险能力。

4．3 盈亏平衡点分析

本项目初期投资30万元，以20 a计算，期内设备残值率取10%，则年折旧成本1.35万元。根据图4计算出盈亏平衡产量2.41×104kW·h，设计生产能力利用率45.7%。所以，本项目盈亏平衡点较低，整体抗风险能力较强。

图4 盈亏平衡分析图

年折旧费为

盈亏平衡产量为

设计生产能力利用率为

5 结语

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。风能作为一种清洁、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非常明显。

[1]张维平，吴忠萍.榆树林油田调高抽油机系统效率矿场试验[J].大庆石油地质与开发，2003，22(5):42-43.

[2]李冰，赵玲，杜畅.大庆油田风能资源评价[J].沈阳工程学院学报:自然科学版，2011，7(4):298-300.

[3]刘长年.液压式与机械式两种抽油机的效率分析[J].液压与气动，2004(6):41-43.

[4]彭进.抽油机离网风力供电可行性研究[J].大众科技，2009(3):97-99.