塔河油田边远单井新能源供电可行性研究

马国锐 吕秀芹　（中国石化西北油田分公司采油一厂）

塔河油田边远单井新能源供电可行性研究

马国锐 吕秀芹（中国石化西北油田分公司采油一厂）

中国石化西北油田分公司塔河油田作业区块位于新疆塔里木盆地塔中、塔北、巴楚及塔西南山前等地，作业环境恶劣，井位分布广泛，存在数量众多的边远单井。这些边远单井普遍存在着产量低、分布散、环境恶劣、地质情况复杂、油气丰度低等特点，在该类井场铺设常规输电管线存在工期长、施工复杂、长距离运输电能损耗等问题，经济效益低下。研究出太阳能光伏供电系统、风力发电供电系统与风光互补供电系统，适用于塔河油田边远单井供电，可以有效解决该类问题。

边远单井；新能源；可行性

引言

为了实现千万吨级油气田的目标，塔河油田边远井逐年增多。边远单井由于其自身特性，存在着输电供电难、经济效益低的问题。在当前世界油价低迷的环境下，成本控制更加紧迫。

中国石化西北油田分公司塔河油田生产区块位于塔里木盆地北端，天山南面，地理位置独特。新疆该片区域夏季干燥，冬季严寒，有着得天独厚的地理特性，昼夜温差大，年降水稀少，太阳辐射丰富，蒸发量大，全年的日照时间为2778.1 h，全年太阳总辐射135217 cal/cm2，全年日照率为63%；塔河油田工区风力较大，但常常伴随风沙，全年风速为1.6 m/s，通过统计，平均每年各月大风天数为13.9 d，部分地区的大风天每年可达300次以上[1]。塔河油田有着丰富的太阳能和风能，善加利用这两类新能源，可以有效地解决边远单井供电问题，最终达到少投入、多产出的目的，实现可观的经济效益和环境效益。

1　新能源可行性分析与实例

塔河油田边远单井所需用电负荷构成十分简单，由机抽动力系统和基本生活用电（电脑、照明等）2部分组成，其中，基本生活用电约为2 kW，在塔河油田常规使用的抽油机类型为游梁式抽油机，10型和14型游梁式抽油机为其中应用较为广泛的机型，其配套电动机功率分别为22 kW和37 kW，依此取机抽动力系统约为25 kW，考虑冬夏用电负荷的不同，边远单井所需日耗电量约为25～30 kW。

1.1太阳能

太阳能是目前地球上分布最为广泛、资源量最为巨大的清洁可再生能源，世界各国都视开发利用太阳能为解决能源危机的主要手段之一。塔河油田位于新疆塔里木盆地，全年太阳总辐射135217 cal/cm2，有着丰富的光照资源。

1.1.1系统组成与工作原理

应用于塔河油田边远单井的太阳能光伏供电系统其基本组成为：发电部分利用多晶硅电池板矩阵完成光-电的转换；调控部分负责系统不同部分的衔接、组合、充放电的调配；蓄电部分负责储存转换的电能，同时补充不足的电量；供电部分负责为单井负荷提供稳定电能；监测部分负责监测设备运转情况，如图1所示。

图1　太阳能光伏供电系统基本组成

由多晶硅电池板组成的光伏阵列可以灵活地调整电池板块数量，形成集成供电，满足塔河油田边远单井所需25～30 kW的日耗电量；并网逆变器将光伏阵列产生的直流电源转化成常规交流电源，而双向逆变器主要是根据负载的要求调节蓄电池组的充放电转换；控制器主要是用来协调电池板、柴油发电机、蓄电池组等不同系统部分的运行，为边远单井运作提供持续稳定的电源，其中，柴油发电机主要是作为系统的补充电源；监测系统是用于实时反馈现场的太阳辐射量、风速等环境数据，便于管理中心进行调控。

1.1.2应用实例

AT22井位于塔河油田主力区块以南，属于塔河阿探片区，该井距离塔河油田采油一厂52 km，交通状况恶劣，是一口具有代表性的边远单井。通过长期的准备，AT22井场光伏发电系统于2012年3月正式投运，系统运行至今，生产工作运转正常，年最大日发电量达到240 kWh，最高负荷能力达到40 kW，满足了现场的用电负荷需求[2]。

1.2风能

风能是一种良好的可再生绿色新能源，虽然存在不稳定性的缺点，但与其他资源相比更加清洁便利。塔河油田工区处于新疆风区范围，常年伴有大风，平均风速可达1.6 m/s，据统计，平均每年大风天数达到170 d，部分大风地区甚至高达300 d以上，拥有丰富的风能资源。

1.2.1系统组成与工作原理

边远单井的风力发电供电系统其基本组成为：风力发电部分；调节储能部分，包含控制器、逆变器、蓄电池、整流器以及相关附属部件；供电部分：负责为单井负荷提供稳定电能，如图2所示。

图2　风力发电供电系统基本组成

机抽井除了日常的保养和维修外，正常生产过程中处于不间断的工作状态，因而对供电电源的稳定性提出了较高的要求，为了解决风力发电不稳定的问题，需要配备相应的电能存储单元，确保系统的稳定运转：风力通过风轮带动低速永磁同步发电机转化成不稳定的交流电源，经过整流器的调整，形成稳定的直流电源，此时，若风能充足，则转化的直流电一方面通过逆变器向用电机组供电，另一方面向蓄电池充电，若风能波动较大，无法形成足够的电流，则由蓄电池处于主供电位置，带动用电机组运转。

1.2.2应用实例

车26井位于胜利油田分公司河口采油厂，地处渤海湾北部，属于常年伴风区域，风能较为丰富[3]。该井属于预探井，井场偏远，未接入供电管网，具有边远单井的特征。截至目前，车26井风力发电系统已经投运3年，风力发电量满足该井不间断工作及相关配套设备，期间未发生严重停电影响生产事故，说明风力发电系统应用于边远单井的可行性。

1.3风光互补

塔河油田地处南疆塔里木盆地北端，昼夜温差大，虽然有着丰富的太阳能和风能资源，但是该地部分区域天气变化反复无常，时常出现强风沙天气，影响能源的高效利用。光能和风能在塔河油田局部地区成互补趋势，太阳光照强烈的天气下风力往往较小，无法形成持续供能，而风力较大时会伴随沙尘天气，影响太阳能的采集与转化。在此类地区，使用单一的新能源供电效果不理想，风光互补供电系统是解决该类地区边远单井供电的首选。

风光互补系统其基本组成为：发电部分：太阳能电池板矩阵与风力发电机；调控部分：太阳能调控器、风能调控器与双向调控器；蓄电部分：蓄电池组；供电部分：提供稳定工作电流，如图3所示。通过太阳能电池板矩阵与风力发电机将光能与风能转化成交流电源，由太阳能调控器与风能调控器调整电流汇总至双向调控器处，经过电路控制与检测后，根据程序安排，输出为平稳的工作电流供用电机组使用，过剩电流输入蓄电池转作备用电源。此时，太阳能与风能形成互补，确保位于天气频繁变化区域的边远单井生产正常进行。

图3　风光互补供电系统基本组成

2　方案及效益分析

对于边远单井的生产，由于地理环境及现场条件的局限性，供电方式是使用柴油机组或天然气机组供电，在此选取柴油机组供电系统、太阳能光伏供电系统、风力发电供电系统与风光互补供电系统4种进行方案及效益对比。

将4种供电系统进行方案细化对比，分别从供电可靠性、人工劳动量、节能环保3个方面进行阐述，如表1所示。

表1　边远单井4种供电系统方案细化对比

将4种供电系统费用组成分为设备投资费用和运行养护费用2部分。

设备投资费用：

1）柴油机组供电系统：65 kW柴油发电机年均租赁费用约为6万元。

2）太阳能光伏供电系统：考虑折旧的因素，蓄电池8年折旧年限、电池板等其他设备按12年折旧年限计算，估算年折旧费用约为12万元。

3）风力发电供电系统：考虑折旧的因素，蓄电池8年折旧年限、风力发电机组等配套设备按10折旧年限计算，估算年折旧费用约为5万元。

4）风光互补供电系统：采用某知名企业的投资估算，采用风光互补发电技术系统折算年均投资为7.6万元。

运行养护费用：

1）柴油机组供电系统：65 kW柴油发电机年均消耗柴油量为60 000 L，根据现在市场价格，费用约为40万元，同时，柴油机组需要留守人员值班，人工费用按每年12万元计算，考虑维护等因素，该系统年均运行费用为53万元。

2）太阳能光伏供电系统：光伏电池板清洁与系统维护等费用呈年递增趋势，取12年平均值，该系统年均运行费用为2万元。

3）风力发电供电系统：风力发电机组清洁养护与系统保养等费用呈年递增趋势，取10年平均值，该系统年均运行费用为3万元。

4）风光互补供电系统：光伏电池板和风力发电机组的清洁养护和系统维护等费用年均3万元。

将4种供电系统费用组成进行对比，如表2所示。通过两张表的对比可以看出，在满足边远单井用电需求的前提下，太阳能光伏供电系统、风力发电供电系统和风光互补供电系统都有着很好的长效经济效益，并且在人工劳动量和节能环保方面也有着相当的优势，适合选取作为塔河油田边远单井的供电系统组成。

表2　边远单井4种供电系统方案费用组成对比

3　结论

通过论证，太阳能光伏供电系统、风力发电供电系统与风光互补供电系统3种新能源供电系统适用于塔河油田边远单井供电，但针对不同单井，应具体分析现场环境，优选方案：

1）长期处于太阳光照充足，降雨降雪量少，风沙天气少的边远单井优选太阳能光伏供电系统。

2）长期处于大风天气，常伴有风沙的边远单井优选风力发电供电系统。

3）大风伴风沙天气与晴朗无风天气交替频繁的边远单井优选风光互补供电系统。通过建立不同新能源供电系统，可逐步形成新的供电网络，为油田企业创效增效提供新的契机。

[1]关俊岭.西北地区油田偏远井场光伏发电系统的开发与应用[J].石油石化节能与减排，2013，4（3）：23-26.

[2]岳吉祥，孙殿新.风力发电驱动直线电动机电潜泵应用研究[J].石油机械，2015（7）:84-86．

[3]孙楠，邢德山，杜海玲.风光互补发电系统的发展与应用[J].山西电力，2010（4）:55-56．

（编辑王艳）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.001

马国锐，2013年毕业于中国石油大学（北京），从事采油生产管理工作，E-mail：atree1988@163.com，地址：新疆轮台中国石化西北油田分公司采油一厂，841600。

2015-12-14