梅業(yè)偉 紀(jì)建強(qiáng) 劉元東 王雨薇

摘 要：中東地區(qū)的大型和巨型油田自噴井較多，而自噴井設(shè)備的用電負(fù)荷較小，且此類地區(qū)的太陽能資源豐富，建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的場地充足，特別適合采用光伏發(fā)電技術(shù)。以位于中東沙漠地區(qū)某已建千萬噸級油田的地面工程為例，該地面工程的單井光伏供電項(xiàng)目通過光伏發(fā)電系統(tǒng)為自噴井供電，對該光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及主要設(shè)備選型等進(jìn)行分析。以期為同類項(xiàng)目的建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：中東地區(qū)；地面工程；自噴井；光伏發(fā)電系統(tǒng)；油田

中圖分類號：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

中東沙漠地區(qū)的太陽能資源豐富，地廣人稀，建設(shè)場地充足，十分適合發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)。該地區(qū)油氣資源也特別豐富，各油田區(qū)塊占地面積從幾十平方公里到上百平方公里不等，所以油田內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)場地一般比較充足。在全球碳排放減排的大背景下，越來越多的光伏發(fā)電系統(tǒng)被應(yīng)用到當(dāng)?shù)氐挠吞锏孛婀こ坦┡潆娤到y(tǒng)中。此外，中東地區(qū)的大型和巨型油田自噴井較多，而自噴井設(shè)備的用電負(fù)荷較小，主要是一些控制、照明等輔助類裝置的用電負(fù)荷，無壓縮機(jī)與離心泵這類大功率用電負(fù)荷。因此特別適合采用光伏發(fā)電系統(tǒng)。油田自噴井負(fù)荷由光伏發(fā)電系統(tǒng)供電可省去傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)、架空線路、變壓器、高低壓配電屏等設(shè)備及其附屬設(shè)施，從而減少了投資，具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)性；且油田自噴井采用光伏發(fā)電系統(tǒng)后可在配電端通過低壓直流直接供電，減少了電能損耗，充分利用了可再生能源，減少了碳排放，保護(hù)了環(huán)境，降低了運(yùn)維檢修工程量，兼顧了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益?；诖耍疚囊晕挥谥袞|沙漠地區(qū)某已建千萬噸級油田的地面工程為例，該地面工程的單井光伏供電項(xiàng)目通過光伏發(fā)電系統(tǒng)為自噴井供電，對該光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及主要設(shè)備選型等進(jìn)行分析。

1? 背景介紹

該單井光伏供電項(xiàng)目屬于油田地面工程的高端領(lǐng)域，為某千萬噸級油田的后續(xù)開發(fā)項(xiàng)目。油田地面工程主要包括改造已有中心處理站、新建站外脫氣站、新建單井生產(chǎn)設(shè)施和輔助系統(tǒng)設(shè)施，該地面工程的主要供電系統(tǒng)是中心處理站內(nèi)的總變電站，其可為站內(nèi)、站外負(fù)荷供電，其中站外負(fù)荷主要通過架空線路輸電。自噴井用電設(shè)備的負(fù)荷較小，可直接由光伏發(fā)電系統(tǒng)供電。當(dāng)自噴井采用光伏發(fā)電系統(tǒng)供電時，無需建設(shè)傳統(tǒng)的輸電線路和升、降壓站，減少了傳統(tǒng)能源消耗和項(xiàng)目投資，并且該光伏發(fā)電系統(tǒng)配備有儲能系統(tǒng)，二者配合能更可靠地為自噴井負(fù)荷供電，有助于取得良好社會、經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

2? 典型負(fù)荷分析

該單井光伏供電項(xiàng)目除了需保證產(chǎn)出的原油通過油田管網(wǎng)輸送至油田中心處理站進(jìn)行處理外，電氣部分還包括通過光伏發(fā)電系統(tǒng)為自噴井用電設(shè)備供電，同時進(jìn)行配套電纜的敷設(shè)、接地等。

單井光伏供電項(xiàng)目涉及到的用電設(shè)備負(fù)荷主要包括液壓泵電動機(jī)、加藥撬裝載泵、加藥撬加藥泵、照明設(shè)備、儀表等。各設(shè)備的負(fù)荷較小，用電電壓等級統(tǒng)一采用24 Vdc，無交流負(fù)荷，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)直接采用24 Vdc輸出[3]，直流供電無需配置逆變器。此外，還需要預(yù)留出自噴井自噴結(jié)束后轉(zhuǎn)為氣舉生產(chǎn)井所需的節(jié)流閥用電負(fù)荷。

單口自噴井用電設(shè)備的負(fù)荷如表1所示。其中，RTU為遠(yuǎn)程終端單元。需要說明的是，各用電設(shè)備每天的運(yùn)行時間是根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計技術(shù)要求及運(yùn)維要求給出的；項(xiàng)目要求單口自噴井至少考慮25%的預(yù)留容量，其最小計算負(fù)荷為1810.6 W，經(jīng)業(yè)主、咨詢方及EPC方一致同意，每口自噴井負(fù)荷按1900 W進(jìn)行設(shè)計。

3? 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

由于本項(xiàng)目中用電設(shè)備的功率不大且數(shù)量較少，光伏發(fā)電系統(tǒng)采用24 Vdc輸出為設(shè)備供電及為儲能系統(tǒng)充電。光伏陣列輸出的直流電經(jīng)匯流箱匯流后接入充電控制器，然后分別接入直流配電箱和蓄電池組。用電設(shè)備由直流配電箱供電，省去了逆變器和變壓器，提高了供電可靠性。蓄電池組通過充電控制器充電和向用電設(shè)備供電，太陽輻射充足時用電設(shè)備由光伏陣列直接供電，同時向蓄電池組充電，而當(dāng)夜晚或太陽輻射不足時須通過蓄電池組向用電設(shè)備供電，保證自噴井用電設(shè)備的連續(xù)、可靠用電。

業(yè)主招標(biāo)技術(shù)文件《Specification for Solar Power Supply System》及《Solar Power Systems》對光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要技術(shù)要求為：1）光伏陣列最低配置為兩組，每組按用電設(shè)備容量的50%配置，同時考慮至少10%裕量；2）充電控制器配置為兩組，每組按用電設(shè)備容量的50%配置，同時考慮每組至少10%裕量；3）儲能系統(tǒng)配置兩組蓄電池，每組按用電設(shè)備容量的50%配置，同時考慮每組至少5%裕量；4）光伏組件安裝傾角采用35°；5）采用單晶硅或多晶硅光伏組件；6）上述的容量配置為項(xiàng)目最低技術(shù)要求。

結(jié)合用電設(shè)備功率特性及相應(yīng)技術(shù)要求，單口自噴井的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

該光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要功能單元包括光伏陣列、接線箱、匯線箱、充電控制器、蓄電池組、動力箱。

單口自噴井由兩個光伏陣列供電，每個光伏陣列包括6套接線箱，每套接線箱依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際布置情況接入3～5個光伏組串，每個組串包括兩塊光伏組件；光伏組串的并聯(lián)串?dāng)?shù)為48串。然后將12套接線箱匯入?yún)R流箱，匯流箱與兩套充電控制器連接從而完成儲能電池組充電及向用電設(shè)備供電。其中，匯流箱內(nèi)的設(shè)計和接線需保證每套接線箱均可靈活切換至不同的充電控制器；每個為設(shè)備供電的配電箱均有兩路進(jìn)線，可由兩臺充電控制器分別供電。

4? 主要設(shè)備選型

4.1? 主要設(shè)計及技術(shù)要求

該項(xiàng)目位于中東沙漠地區(qū)，當(dāng)?shù)刈畹铜h(huán)境溫度在0 ℃以上，無需考慮冰凍等影響；最高環(huán)境溫度可達(dá)到58 ℃，金屬在太陽直射時最高溫度可達(dá)85 ℃，因此所有設(shè)計及設(shè)備選型均需考慮現(xiàn)場高溫影響。具體環(huán)境參數(shù)如表2所示。

項(xiàng)目招標(biāo)文件中對電壓參數(shù)、各類系數(shù)等作出了具體規(guī)定，在進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時需遵守，主要的技術(shù)參數(shù)要求如表3所示。

4.2? 光伏組件的選擇

單口自噴井設(shè)備的總計算負(fù)荷取1900 W，負(fù)荷率取0.9，單口自噴井設(shè)備的日總負(fù)荷取1710 W；考慮老化系數(shù)1.1后的日負(fù)荷取1881 W；

考慮降額系數(shù)1.1后的日負(fù)荷取2069.1 W。

根據(jù)負(fù)荷及項(xiàng)目技術(shù)要求，最終采用型號為KG160GX的多晶硅光伏組件；光伏支架的安裝傾角為35°；一個光伏發(fā)電系統(tǒng)包括兩個光伏陣列，一個光伏陣列包括48塊光伏組件。光伏組件的主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

4.3? 蓄電池及充電控制器的選擇

項(xiàng)目招標(biāo)文件要求儲能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的選取由中標(biāo)廠家獲批后完成，該項(xiàng)目中儲能系統(tǒng)容量的選取最終通過安時法計算得到[4-7]。

首先，根據(jù)表1中用電設(shè)備的負(fù)荷情況及項(xiàng)目給出的各單口自噴井設(shè)備每天的運(yùn)行時間，考慮相應(yīng)系數(shù)后，得出單口自噴井所需的蓄電池總?cè)萘?；然后，根?jù)選用的單組蓄電池容量選取合適的數(shù)量。

該項(xiàng)目中蓄電池選用鉛酸免維護(hù)閥控蓄電池，其單體正常工作電壓為2 V；共采用4組蓄電池，每組蓄電池包括12塊單體蓄電池，當(dāng)放電截止電壓為1.8 V時，單組蓄電池（A602/2600）的容量為2599 Ah（溫度為20 ℃時）。該項(xiàng)目所用蓄電池的技術(shù)參數(shù)如表5所示。蓄電池計算容量考慮了其老化系數(shù)、高低溫補(bǔ)償系數(shù)和放電深度的影響。

充電控制器需在滿足單井設(shè)備平均計算負(fù)荷電流的基礎(chǔ)上滿足蓄電池組的充電和浮充電要求；儲能電池在充電的同時還需向常規(guī)用電設(shè)備供電，儲能電池應(yīng)按1.0 I10（I10為電池的10 h放電電流）～1.25 I10[8]，并疊加常規(guī)用電設(shè)備負(fù)荷電流進(jìn)行選擇，因此最終選用額定電壓為24 Vdc、額定電流為600 A的充電控制器。

5? 其他主要設(shè)計

在進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時，光伏陣列、蓄電池組及相應(yīng)的附屬設(shè)施均需布置在易發(fā)生爆炸的危險區(qū)之外，同時需滿足防火間距要求，減少油氣生產(chǎn)過程對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響。

光伏發(fā)電系統(tǒng)接地與站場工藝設(shè)備及電氣、通信、儀表等公用系統(tǒng)設(shè)備共用接地網(wǎng)，采用聯(lián)合接地網(wǎng)設(shè)計，接地電阻不大于1 Ω[9-11]，各匯流箱、配電箱均配置浪涌保護(hù)器。在光伏陣列下方、蓄電池箱內(nèi)均設(shè)置接地匯流排，各設(shè)備外殼與支架等金屬部分通過就地匯流排接至主接地網(wǎng)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)部分的電纜敷設(shè)采用地面橋架，配電箱至各工藝設(shè)備之間的電纜采用直埋敷設(shè)。

6? 結(jié)論

本文以位于中東沙漠地區(qū)某已建千萬噸級油田的地面工程為例，其單井光伏供電項(xiàng)目通過光伏發(fā)電系統(tǒng)為自噴井供電，對該光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及主要設(shè)備選型等進(jìn)行了分析。該單井光伏供電項(xiàng)目已順利投產(chǎn)，運(yùn)行良好，減少了一次能源消耗及碳排放，產(chǎn)生了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。以期本研究可為同類項(xiàng)目提供借鑒。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 曾升伍，向超，劉波. 太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計與分析[J].中國新通信，2020，22（3）：157.

[2] 謝青青. 開發(fā)太陽能在石油工業(yè)中的使用價值[J].中外能源，2015，20（4）：42-45.

[3] 高飛，王同強(qiáng)，崔鵬.太陽能發(fā)電系統(tǒng)在延長油田的應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2018，37（1）：59-60.

[4] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會.光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范：GB 50797—2012[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[5] 李陽，李東阜. 太陽能發(fā)電在阿爾山景區(qū)監(jiān)控及廣播供電系統(tǒng)中的解決方案[J].電氣技術(shù)，2018 （9）：77-81.

[6] 王夢犀.太陽能光伏技術(shù)在國家公園中的應(yīng)用分析[J].電氣技術(shù)，2020，21（7）：112-115，124.

[7] IEC. Ground-mounted Photovoltaic Power Plants——Design Guidelines and Recommendations：IEC/TS 62738：2018 [S].[S.l.：s.n.]，2018.

[8] IEEE.Recommended Practice for Sizing Lead-Acid Batteries for Stand-Alone Photovoltaic （PV） Systems：IEEE 1013-2019[S]. [S.l.：s.n.]，2019.

[9] 電力規(guī)劃設(shè)計總院.電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范：DL/T 5044—2014[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[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