大慶油田抽油機(jī)分布式風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)供電系統(tǒng)可行性研究

王豫龍，張 玉

(大慶油田電力集團(tuán)，黑龍江 大慶 163711)

目前，大慶油田機(jī)械采油井?dāng)?shù)已經(jīng)達(dá)到3萬(wàn)余口，全年采油生產(chǎn)用電量約為139億kW·h，占油田總用電量的三分之一左右[1]。其中，抽油機(jī)為主要油田耗電設(shè)備，采油成本較高。大慶油田電網(wǎng)是一個(gè)純火電電網(wǎng)，燃煤電廠在消耗大量燃煤的同時(shí)，還產(chǎn)生了大量的 CO、CO2、SO2、NOx、煙塵等污染環(huán)境和造成溫室效應(yīng)的有害氣體，對(duì)環(huán)境和生態(tài)造成不利的影響。因此，鑒于大慶地區(qū)的風(fēng)資源豐富和具有開(kāi)發(fā)建設(shè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的有利條件和資源優(yōu)勢(shì)，在大慶油田開(kāi)發(fā)利用小規(guī)模清潔可再生能源供電系統(tǒng)，既可降低油田用電成本、減少燃煤消耗，又可達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1 大慶油田風(fēng)能資源評(píng)價(jià)

大慶油田地處敖古拉大風(fēng)口，年平均風(fēng)速3.73 m/s，春秋季風(fēng)速偏大，冬夏季風(fēng)速較小，屬于春秋強(qiáng)中壓型風(fēng)能較豐富區(qū)，全年風(fēng)能可利用時(shí)間在4 000 h左右[2]，風(fēng)能蘊(yùn)藏量在全國(guó)城市排名位居前列.

根據(jù)國(guó)家氣象局提供的大慶油田各地區(qū)1981年1月—2010年1月各測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)，大慶油田地區(qū)10 m高度年平均風(fēng)速為3.73 m/s，有效風(fēng)力小時(shí)數(shù)在3 696～4 988 h，達(dá)到了風(fēng)能豐富區(qū)的指標(biāo)。1月以西北風(fēng)為主(風(fēng)頻33.3%)，7月以偏南風(fēng)為主(風(fēng)頻36.9%)，如圖1所示。冬夏風(fēng)向交替顯著，從全年各風(fēng)向頻率看，西北風(fēng)向頻率最大為11%，南風(fēng)次之為9%，東風(fēng)最小僅2%，而其他風(fēng)向都在5% ～7%[2]。風(fēng)向以西北偏北風(fēng)出現(xiàn)的頻率最多，風(fēng)向穩(wěn)定，有利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)布局與高效利用。

表1 大慶地區(qū)測(cè)風(fēng)塔月平均風(fēng)速 m/s

圖1 風(fēng)向頻率玫瑰圖

2 抽油機(jī)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前在各油田中應(yīng)用最廣泛的是游梁式抽油機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)周期長(zhǎng)、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但存在耗電量大、效率低等缺點(diǎn)[3]。由于抽油機(jī)必須保持連續(xù)的工作狀態(tài)，除了保養(yǎng)和維修時(shí)停運(yùn)，其它時(shí)間必須是全天24小時(shí)不間斷工作，要求供電電源具有高安全性和高穩(wěn)定性。所以應(yīng)在油田采區(qū)抽油機(jī)的空隙內(nèi)布置中、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，與周邊數(shù)臺(tái)抽油機(jī)構(gòu)成分布式供電系統(tǒng)，并與整流器、逆變器有機(jī)結(jié)合，組成風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)的抽油機(jī)供電系統(tǒng)。有風(fēng)時(shí)優(yōu)先利用風(fēng)電，不足的部分由網(wǎng)電及時(shí)補(bǔ)充，最大限度地維持供電的連續(xù)性，克服獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)。

2．1 風(fēng)能資源測(cè)算

為合理地反映該地區(qū)風(fēng)能資源情況，選取多年平均風(fēng)速3.73 m/s作為10 m高度基本風(fēng)速進(jìn)行測(cè)算，風(fēng)速梯度公式為

式中:vh為距地面高度為h處的風(fēng)速，m/s;vi為高度為hi處的風(fēng)速，m/s;n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，取0.3。

將該地區(qū)風(fēng)速換算成30 m高度風(fēng)速應(yīng)為5.18 m/s。

2．2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)選型

目前，中、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主流單機(jī)容量在1～100 kW，其中20 kW、30 kW級(jí)機(jī)組裝機(jī)量最大、技術(shù)最為成熟。考慮到本項(xiàng)目特殊的風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)設(shè)計(jì)，要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速段具有較高的發(fā)電效率，故優(yōu)先考慮直徑15 m葉輪的30 kW FD15-30/12風(fēng)力發(fā)電機(jī)，同時(shí)采用直驅(qū)永磁技術(shù)能夠進(jìn)一步優(yōu)化該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低風(fēng)速發(fā)電效率，所選風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2．3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)與抽油機(jī)容量配比優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用 FD15-30/12型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為CYJ10-3-37HB型抽油機(jī)供電。該抽油機(jī)電機(jī)額定功率37 kW，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的數(shù)據(jù)資料顯示，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)實(shí)際有功功率僅為14.2 kW。結(jié)合風(fēng)速與功率對(duì)應(yīng)曲線(見(jiàn)圖2)，根據(jù)容量系數(shù)法計(jì)算出1臺(tái)額定功率30 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)共同為2臺(tái)抽油機(jī)供電時(shí)，其效率最高、經(jīng)濟(jì)性最好。

圖2 30 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率曲線

2．4 發(fā)電量估算

風(fēng)輪機(jī)功率公式為

式中:P為風(fēng)機(jī)輸出功率，W;ρ為空氣密度，kg/m3;r為風(fēng)輪半徑，m;vm為平均風(fēng)速，m/s;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。

由風(fēng)輪機(jī)功率公式計(jì)算出該風(fēng)力發(fā)電機(jī)在30 m輪轂高度時(shí)，年平均輸出功率為6.02 kW，年理論發(fā)電量為5.27×104kW·h，年利用小時(shí)數(shù)為1 756.7 h。

2．5 風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能具有間歇性和隨機(jī)性，采用風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)的方式將整流器、逆變器有機(jī)結(jié)合，有風(fēng)時(shí)優(yōu)先用風(fēng)電，不足的部分由網(wǎng)電及時(shí)補(bǔ)充，最大限度地維持供電的連續(xù)性，具體控制過(guò)程如圖3所示。

圖3 抽油機(jī)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)連接到供電電源，控制系統(tǒng)可以對(duì)各臺(tái)抽油機(jī)進(jìn)行電源切換操作。風(fēng)況優(yōu)良時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成較穩(wěn)定的直流電，再經(jīng)過(guò)逆變器將直流電逆變成交流電后對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能能夠滿足設(shè)備用電時(shí)，全部用風(fēng)電;風(fēng)能不足時(shí)，網(wǎng)電的電能自動(dòng)補(bǔ)足;無(wú)風(fēng)時(shí)，全部用網(wǎng)電。風(fēng)電與網(wǎng)電互補(bǔ)過(guò)程中無(wú)斷電切換，全部自動(dòng)在線轉(zhuǎn)換。由于采用直流逆變方式供電，功率因數(shù)大大提高[4]。

3 經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境保護(hù)分析

3．1 經(jīng)濟(jì)效益分析

大慶油田風(fēng)能較豐富，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有效風(fēng)速累計(jì)小時(shí)數(shù)達(dá)到1 756.7 h，考慮在大慶偏遠(yuǎn)井場(chǎng)安裝1臺(tái)容量為30 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為2口油井供電。項(xiàng)目實(shí)施后，輪轂高度(30 m)平均風(fēng)速以5.18 m/s計(jì)，工業(yè)用電價(jià)格以0.61元/kW·h計(jì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本以10 000元/kW計(jì)，2口油井年節(jié)約電量及經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算如表3所示。

表3 風(fēng)機(jī)發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)分析表

3．2 環(huán)境保護(hù)分析

項(xiàng)目實(shí)施后，年可節(jié)約電量5.27×104kW·h，按照節(jié)約1 kW·h電量可減少排放0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳(CO2)、0.03 kg二氧化硫(SO2)、0.015 kg氮氧化物(NOX)計(jì)算，年可減少污染物排放69.24 t，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 減少各類污染物排放量

4 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

4．1 投資分析

本項(xiàng)目財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率8.69%，大于行業(yè)基準(zhǔn)收益率8%，凈現(xiàn)值大于零。投資靜態(tài)回收期低于行業(yè)基準(zhǔn)值。所以，此項(xiàng)目在財(cái)務(wù)上可行。

4．2 敏感性分析

本項(xiàng)目選用建設(shè)投資、經(jīng)營(yíng)成本、收入作為敏感性分析的影響因素。經(jīng)分析，建設(shè)投資和收入對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益敏感程度影響較大，經(jīng)營(yíng)成本敏感程度較小，項(xiàng)目整體具有一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

4．3 盈虧平衡點(diǎn)分析

本項(xiàng)目初期投資30萬(wàn)元，以20 a計(jì)算，期內(nèi)設(shè)備殘值率取10%，則年折舊成本1.35萬(wàn)元。根據(jù)圖4計(jì)算出盈虧平衡產(chǎn)量2.41×104kW·h，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力利用率45.7%。所以，本項(xiàng)目盈虧平衡點(diǎn)較低，整體抗風(fēng)險(xiǎn)能力較強(qiáng)。

圖4 盈虧平衡分析圖

年折舊費(fèi)為

盈虧平衡產(chǎn)量為

設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力利用率為

5 結(jié)語(yǔ)

抽油機(jī)采用風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)供電方式，無(wú)論是環(huán)保、技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)上都是可行的。風(fēng)能作為一種清潔、可再生能源，即可達(dá)到節(jié)能減排的目的，又完全符合我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展的政策，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常明顯。

[1]張維平，吳忠萍.榆樹(shù)林油田調(diào)高抽油機(jī)系統(tǒng)效率礦場(chǎng)試驗(yàn)[J].大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2003，22(5):42-43.

[2]李冰，趙玲，杜暢.大慶油田風(fēng)能資源評(píng)價(jià)[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，7(4):298-300.

[3]劉長(zhǎng)年.液壓式與機(jī)械式兩種抽油機(jī)的效率分析[J].液壓與氣動(dòng)，2004(6):41-43.

[4]彭進(jìn).抽油機(jī)離網(wǎng)風(fēng)力供電可行性研究[J].大眾科技，2009(3):97-99.