朱益飛

（勝利油田孤東采油廠，山東 東營(yíng) 257237）

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用起源于20世紀(jì)70年代初。20世紀(jì)80年代初，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)研究制造出額定容量低于10 kW的小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并投入批量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，在解決居住分散的農(nóng)畜牧居民和島嶼居民的用電方面發(fā)揮出重大作用，為我國(guó)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用風(fēng)力發(fā)電積累了經(jīng)驗(yàn)，打下了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

經(jīng)過(guò)30多年的研制、開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，我國(guó)自行研制開(kāi)發(fā)的100 W～20 kW系列離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其制造銷售總量已達(dá)30萬(wàn)臺(tái)，在數(shù)量上居世界第一。額定功率為200 kW、250 kW、300 kW、600 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相繼研制出來(lái)，并在全國(guó)11個(gè)省區(qū)建立了27個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。東部沿海有富厚的風(fēng)能資源，距離電力負(fù)荷中心近，海上風(fēng)電場(chǎng)將成為新興能源發(fā)展基地。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)早在20世紀(jì)90年代中期就制定了“光亮工程”和“乘風(fēng)規(guī)劃”，1997年裝機(jī)超過(guò)100 MW，預(yù)計(jì)到2010年末總裝機(jī)容量可達(dá)400 MW。而目前我國(guó)從事小型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)研制、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的單位就達(dá)到70余家，其中大專院校、科研院所35家，生產(chǎn)企業(yè)23家，配套企業(yè)（含蓄電池、葉片、逆變控制器等）12家，可再生能源的發(fā)展前景廣闊。

傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)一般采用定槳距掉速調(diào)治定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)體系。此種風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有槳葉與輪轂剛性連接，掉速節(jié)制依靠葉片奇特的翼形結(jié)構(gòu)。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，具有較高的安全性，但掉速節(jié)制難度大，很少應(yīng)用到兆瓦級(jí)以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組節(jié)制上。變槳距節(jié)制是指風(fēng)力機(jī)葉片的安裝角隨風(fēng)速轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變的一種節(jié)制。變槳距開(kāi)始工作時(shí)可對(duì)風(fēng)輪換速進(jìn)行節(jié)制，并網(wǎng)后可對(duì)功率進(jìn)行節(jié)制，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)始工作機(jī)能和功率輸出特征較定槳距定速風(fēng)機(jī)有顯著改善。功率較大的機(jī)組還裝有手動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)，以確保風(fēng)力機(jī)在大風(fēng)或臺(tái)風(fēng)情況下的安全。

2 油田風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)智能控制技術(shù)

用于油井智能供電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為25 kW的小功率發(fā)電機(jī)組。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電在油田抽油機(jī)井上的應(yīng)用，確保油井連續(xù)正常穩(wěn)定運(yùn)行，采用風(fēng)電、網(wǎng)電互補(bǔ)的方式，即利用風(fēng)電、網(wǎng)電互補(bǔ)智能供電節(jié)能裝置，將整流器、逆變器有機(jī)結(jié)合，優(yōu)先使用風(fēng)電的供電技術(shù)方案，不足的部分由網(wǎng)電即時(shí)補(bǔ)充，無(wú)須切換，達(dá)到風(fēng)電網(wǎng)電互補(bǔ)供電的目的，不需改變現(xiàn)場(chǎng)的配電線路，可以擴(kuò)大風(fēng)電的適用范圍。

該技術(shù)采用橋臂電流間接控制結(jié)合電壓電流雙前饋補(bǔ)償?shù)目刂撇呗裕梢杂行?shí)現(xiàn)風(fēng)電網(wǎng)電互補(bǔ)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能。當(dāng)風(fēng)力較大時(shí)，風(fēng)網(wǎng)發(fā)電滿足抽油機(jī)正常運(yùn)行，抽油機(jī)完全由風(fēng)網(wǎng)供電。當(dāng)風(fēng)力較小，風(fēng)網(wǎng)發(fā)電不足以滿足抽油機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，控制器自動(dòng)檢測(cè)風(fēng)網(wǎng)功率，由電網(wǎng)自動(dòng)補(bǔ)差，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有風(fēng)時(shí)，則完全由電網(wǎng)供電?？刂破鲗?shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)網(wǎng)電流及變頻器輸出電流，適時(shí)調(diào)整電網(wǎng)供電功率，保證抽油機(jī)正常運(yùn)行。其智能變頻系統(tǒng)采用恒壓頻比控制，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速，采用電抗器回饋能量法來(lái)解決倒發(fā)電問(wèn)題。智能變頻系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩電流控制技術(shù)，能在各種運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)的最佳控制，是功能強(qiáng)大、控制靈活、性能高的變頻器。同時(shí)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)抽油機(jī)工作狀況的瞬時(shí)檢測(cè)、跟蹤電動(dòng)機(jī)的功率狀態(tài)，找到井況與電動(dòng)機(jī)的最佳匹配曲線，然后控制系統(tǒng)按最佳曲線運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的。

2.1 工作原理

在不需要改變抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)配電線路的情況下，將風(fēng)力發(fā)電、整流、數(shù)字化逆變、能量回饋、變頻技術(shù)有機(jī)結(jié)合，使用風(fēng)電作為優(yōu)先供給電源，風(fēng)電不必上網(wǎng)，直接對(duì)24 h運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行供電，網(wǎng)電作為風(fēng)電不足時(shí)的補(bǔ)充電源，且風(fēng)電與網(wǎng)電之間采用無(wú)縫自動(dòng)互補(bǔ)。該系統(tǒng)可以“一對(duì)多”（一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)多臺(tái)抽油機(jī)）或“多對(duì)多”（多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)多臺(tái)抽油機(jī)）構(gòu)成一個(gè)微型供電網(wǎng)進(jìn)行就近供電。

圖1為抽油機(jī)風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)智能控制供電系統(tǒng)流程圖。

圖1 抽油機(jī)風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)流程（多系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行）

2.2 主要功能和技術(shù)指標(biāo)

（1）主要功能

①實(shí)現(xiàn)直流母排寬電壓動(dòng)態(tài)控制。通過(guò)應(yīng)用油井專用智能變頻器，實(shí)現(xiàn)變頻器直流母排300～800 V動(dòng)態(tài)控制，充分利用風(fēng)力較小時(shí)的風(fēng)能。②增加電流回饋電路，采用智能變頻控制技術(shù)系統(tǒng)，解決抽油機(jī)倒發(fā)電問(wèn)題。③在0.5 Hz能輸出150%高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩帶PG反饋更高性能的閉環(huán)控制系統(tǒng)，減小電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)脈動(dòng)。④增產(chǎn)增效功能。由于采用變頻控制，可根據(jù)不同油井的要求，采用最佳的控制方案，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。⑤降低無(wú)功功率，提高功率因數(shù)。由于采用直流逆變方式供電、矢量變頻技術(shù)，其功率因數(shù)大大提高，從而減少無(wú)功損耗。⑥風(fēng)電與網(wǎng)電互補(bǔ)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，提高了當(dāng)風(fēng)力較小時(shí)，風(fēng)機(jī)所發(fā)低電壓電能利用率，解決了在風(fēng)速相對(duì)較低時(shí)，發(fā)出的低電壓電能無(wú)法輸出問(wèn)題。⑦提高采油設(shè)備的使用壽命。由于本設(shè)備具有變頻功能，所以在動(dòng)力設(shè)備啟動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)及抽油機(jī)的壽命將延長(zhǎng)。

（2）主要技術(shù)指標(biāo)

①采用無(wú)觸點(diǎn)電子切換裝置及防電網(wǎng)向風(fēng)網(wǎng)反送電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電網(wǎng)電的無(wú)縫切換，確保抽油機(jī)的正常運(yùn)行，不影響原油的產(chǎn)量。②采用低電壓母線技術(shù)，使風(fēng)機(jī)輸出的低電壓電能得到充分利用。③在抽油機(jī)啟動(dòng)正常運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓，降低電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗。④風(fēng)電切入電壓為1.1倍變頻器母線電壓。⑤抽油機(jī)倒發(fā)電抑制啟動(dòng)電壓為直流600 V。⑥網(wǎng)電電壓為交流380 V±10%。

2.3 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

該系統(tǒng)1期風(fēng)力發(fā)電工程為9臺(tái)FD-25 kW型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，于2008年10月在勝利油田孤東采油廠投入應(yīng)用，解決22口油井供電問(wèn)題。2期風(fēng)力發(fā)電工程為5臺(tái)FD-25 kW型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，于2009年10月在該廠投入運(yùn)行，解決了14口油井的供電問(wèn)題。其供電模式采用風(fēng)、網(wǎng)互補(bǔ)的方式。電量計(jì)量方式采用網(wǎng)電和風(fēng)電分離計(jì)量方案，網(wǎng)電計(jì)量用于對(duì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)電供入量計(jì)量，風(fēng)電電量用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)發(fā)電量計(jì)量。

3 應(yīng)用效益分析

3.1 計(jì)算依據(jù)

根據(jù)對(duì)36口油井抽油機(jī)年正常工作天數(shù)的統(tǒng)計(jì)，抽油機(jī)年平均開(kāi)井天數(shù)為347 d，按340 d計(jì)算；根據(jù)對(duì)36口油井抽油機(jī)安裝前日用電量的統(tǒng)計(jì)，36口油井抽油機(jī)平均日用電量為229.44 kWh。通過(guò)測(cè)試表明風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速在4 m/s以下，應(yīng)用區(qū)域風(fēng)能有效利用時(shí)間為5500 h。

3.2 應(yīng)用效果分析

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電效果分析

根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出每臺(tái)FD-25 kW型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠達(dá)到額定輸出功率指標(biāo)，按照每臺(tái)FD-25 kW型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電指標(biāo)和59號(hào)驗(yàn)潮站2005年風(fēng)力數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)得出每臺(tái)FD-25 kW型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)計(jì)年發(fā)電總量為130570.29 kWh，14臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)計(jì)年發(fā)電總量合計(jì)182.8萬(wàn)kWh。

（2）控制器節(jié)能效果分析

根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出36臺(tái)GPS25/30-I型抽油機(jī)風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)智能供電控制箱（能量回饋?zhàn)冾l柜）平均節(jié)電率為12.1%，其年節(jié)電效果為：抽油機(jī)平均日用電量×設(shè)備平均綜合節(jié)電率×設(shè)備年平均運(yùn)行時(shí)間×臺(tái)數(shù)=34.07萬(wàn)kWh。

（3）節(jié)約輸電損失效果、效益分析

據(jù)測(cè)試，高低壓輸電線路的網(wǎng)損為6%。風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)所有設(shè)備年減少電網(wǎng)輸電106.60萬(wàn)kWh，年節(jié)約網(wǎng)損10.13萬(wàn)kWh。

綜合以上3項(xiàng)，合計(jì)風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)年節(jié)約網(wǎng)電總量為：

36臺(tái)抽油機(jī)供電控制器年節(jié)電總量+14臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)年發(fā)電總量+年減少網(wǎng)損總量=227萬(wàn)kWh。

（4）油井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效果分析

統(tǒng)計(jì)安裝油井無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的10口油井?dāng)?shù)據(jù)，安裝前油井年平均采油時(shí)率為94.4%，年平均開(kāi)井天數(shù)347 d；安裝后因有效減少了油井故障停井等待時(shí)間，預(yù)計(jì)油井年平均采油時(shí)率可提高0.6%，預(yù)計(jì)年增加產(chǎn)油量110.42 t。

（5）減排效益分析

按每千瓦時(shí)折合標(biāo)準(zhǔn)煤0.4 kg計(jì)，每千瓦時(shí)所用煤排放二氧化碳0.997 kg計(jì)，每千瓦時(shí)所用煤排放二氧化硫0.03 kg計(jì)，排放二氧化碳指標(biāo)國(guó)際交易價(jià)格6.67美元/t計(jì)，人民幣匯率（1美元兌換人民幣）6.83元，排放二氧化碳指標(biāo)國(guó)際交易價(jià)格折合人民幣45.56元/t，則項(xiàng)目每年的減排效益為10.31萬(wàn)元。項(xiàng)目運(yùn)行15年的減排效益為154.65萬(wàn)元。

3.3 投資效益分析

電價(jià)按0.6元/kWh計(jì)算，原油按2700元/t價(jià)格計(jì)算，則產(chǎn)生年直接節(jié)電效益為136.2萬(wàn)元。年增油效益為29.82萬(wàn)元。則項(xiàng)目合計(jì)年總經(jīng)濟(jì)效益=節(jié)電效益+增油效益+減排效益=176.33萬(wàn)元。該項(xiàng)目總投資為530萬(wàn)元。投資回報(bào)期為3.01年。