王輝 唐春娟 常振武 梁海鋒（長慶油田公司第六采油廠）

風(fēng)電優(yōu)先風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)技術(shù)在長慶油田的適用性研究

王輝 唐春娟 常振武 梁海鋒（長慶油田公司第六采油廠）

風(fēng)能作為永不枯竭的能源，大大超過水流能量，也大于固體、液體燃料能量的總和，由此預(yù)示著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將有良好的發(fā)展前景。長慶油田地域遼闊，風(fēng)能資源豐富，從長遠(yuǎn)來看，開發(fā)利用風(fēng)能為油田的節(jié)能工作提出一個新的思路。長慶油田第六采油廠進(jìn)行了風(fēng)電技術(shù)適用性研究，通過論證分析和現(xiàn)場試驗(yàn)得出，地處陜北的長慶油田較適宜風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的開發(fā)利用。

風(fēng)電優(yōu)先風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ) 節(jié)能減排 智能控制 變頻

風(fēng)能資源作為一種可再生的新能源近年來受到廣 泛 的 重 視 與 關(guān) 注[1]， 而 且 風(fēng) 電 技 術(shù) 開 發(fā) 成 熟 、 成本低廉，具有永不枯竭、無污染等特點(diǎn)。根據(jù)“十一五”國家風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，2010年全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 500×104kW，2020年全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 3000×104kW。風(fēng)能作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。長慶油田地域遼闊，風(fēng)能資源有利用價值，生產(chǎn)現(xiàn)場多處在偏遠(yuǎn)缺電地區(qū)，充分利用風(fēng)能就近發(fā)電、自產(chǎn)自用，開展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)適用性研究對節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)有著重要的意義。

1 風(fēng)力測試

1.1中國有效風(fēng)功率密度分布

通過圖1、圖2可以看到陜西省定邊縣位于風(fēng)能較好區(qū)域。定邊縣有效風(fēng)功率密度為 50～150W/m2，風(fēng)能可利用小時數(shù)4000h左右。

根據(jù)風(fēng)能分布圖和風(fēng)能區(qū)域劃分原則 （表1），可以看出，定邊縣處在風(fēng)能可利用區(qū)，部分地域位于風(fēng)能較豐富區(qū)。

表1 風(fēng)能區(qū)域劃分原則

圖1 中國有效風(fēng)功率密度分布

圖2 中國全年風(fēng)速大于 3m/s小時數(shù)分布

1.2風(fēng)能測試點(diǎn)及其基本概況

經(jīng)過查閱定邊縣氣象局相關(guān)資料及現(xiàn)場風(fēng)力測試，選取地處定邊縣中部的長慶油田第六采油廠元120 站盆 18-17 井組作為風(fēng)力測試點(diǎn) （表2），該井組共有抽油機(jī)井3口，水井2口，污油池1口；抽油機(jī)電動機(jī)功率為15kW，抽油機(jī)呈一字排開。井組所處區(qū)域風(fēng)資源較好，周圍無樹木、山峰遮擋，年平均風(fēng)速在 3m/s以上，為風(fēng)能可利用區(qū)域，氣候條件最低為-35 ℃，最高為35 ℃。

表2 元 120站風(fēng)能觀測點(diǎn)2009年測試統(tǒng)計結(jié)果

通過圖3至圖6可以看出，觀測點(diǎn)年風(fēng)速呈明顯的季節(jié)性變化，風(fēng)速較大在3月至5月。

圖3 2009年實(shí)測風(fēng)向

圖4 近10年氣象局統(tǒng)計風(fēng)向

圖5 2009年實(shí)測風(fēng)速

圖6 近10年氣象局統(tǒng)計風(fēng)速

2 方案設(shè)計

2.1風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)能是不穩(wěn)定的，如果沒有儲能裝置或與其他發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電裝置本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出。目前，國內(nèi)外常見的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的供電方式主要有獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行和分布式風(fēng)網(wǎng) 聯(lián) 合互補(bǔ)型[2]。

獨(dú)立運(yùn)行又稱離網(wǎng)型，需要采取相應(yīng)的儲能措施。

并網(wǎng)運(yùn)行就是采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接，由電網(wǎng)輸送電能。

分布式風(fēng)網(wǎng)聯(lián)合互補(bǔ)供電方式，是指直接將風(fēng)力發(fā)電設(shè)施布置在負(fù)載附近，并與電網(wǎng)同時向負(fù)載供電的方式，無需上網(wǎng)。

2.2供電模式選擇

油田的抽油機(jī)理論上不允許停機(jī)，而風(fēng)機(jī)是靠風(fēng)發(fā)電，因而它的發(fā)電必然是時斷時續(xù)，時大時小。但該系統(tǒng)必須保證抽油機(jī)不停機(jī)，且必須保證只要風(fēng)機(jī)發(fā)電，不管發(fā)電量的大小、發(fā)電電壓的高低，均優(yōu)先使用風(fēng)電，不足部分才由網(wǎng)電補(bǔ)充。譬如，抽油機(jī)電動機(jī)實(shí)際功率為 25kW，風(fēng)電發(fā)電功率為 15kW，那么網(wǎng)電補(bǔ)充的功率就是 10kW，這種形式即本方案所謂的互補(bǔ)。只有這種互補(bǔ)，風(fēng)電才不會造成浪費(fèi)。

2.3風(fēng)機(jī)功率選擇

第六采油廠盆 18-17井組抽油機(jī)電動機(jī)功率為15kW，正常運(yùn)行平均耗電功率為 7～9kW，可選風(fēng)機(jī)功率有 25kW 和 30kW2種。為了提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性價比，不使珍貴的風(fēng)電造成浪費(fèi)，所以配置的原則是風(fēng)機(jī)的功率接近且小于等于3臺抽油機(jī)正常運(yùn)行功率之和。根據(jù)這個原則，風(fēng)機(jī)的功率為25kW，后拖 3臺抽油機(jī)。

3 一拖多風(fēng)電優(yōu)先風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)供電系統(tǒng)

一拖多風(fēng)電優(yōu)先風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)供電系統(tǒng)(以下簡稱風(fēng)電系統(tǒng))是專為油田抽油機(jī)有效利用風(fēng)能進(jìn)行節(jié)能減排而專門開發(fā)生產(chǎn)的新型風(fēng)電供電系統(tǒng)，它不同于傳統(tǒng)的離網(wǎng)型供電和并網(wǎng)型供電模式，既能保證風(fēng)電優(yōu)先利用，又能保證抽油機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，是一種新型、先進(jìn)、獨(dú)特的供電模式。

3.1系統(tǒng)構(gòu)成

整套系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)智能升壓控制器、卸荷電阻箱、風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)智能控制柜組成，通過抽油機(jī)變頻控制柜對抽油機(jī)進(jìn)行操作 （圖7）。

圖7 風(fēng)電優(yōu)先網(wǎng)電補(bǔ)充系統(tǒng)原理

3.2系統(tǒng)各部分主要功能介紹

3.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，上風(fēng)向帶尾舵，具有自動對風(fēng)、自動偏航、自動剎車保護(hù)功能。

3.2.2 風(fēng)機(jī)智能升壓控制器

本機(jī)控制技術(shù)由整流模塊和智能升壓模塊組成，先將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電整流為直流電，并將其電壓通過智能升壓模塊始終鉗制在 DC550V，對系統(tǒng)后端輸出電壓穩(wěn)定為DC550V 的直流電，恒壓輸出，中低風(fēng)速下的風(fēng)電功率都能有效利用。

3.2.3 卸荷電阻箱

是用來消耗多余風(fēng)電的電阻性負(fù)載，當(dāng)風(fēng)電輸出電壓超過設(shè)定值后，系統(tǒng)自動啟動卸荷電阻進(jìn)行工作，增大風(fēng)力機(jī)的負(fù)載，使其在一個安全的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

3.2.4 風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)智能控制柜

將網(wǎng)電進(jìn)行整流，網(wǎng)電與風(fēng)電電壓（整流后的直流電壓）同時并聯(lián)接入系統(tǒng)，優(yōu)先使用風(fēng)電對后端負(fù)載供電，在風(fēng)電發(fā)電功率不夠時，網(wǎng)電自動進(jìn)行補(bǔ)充；在風(fēng)機(jī)無風(fēng)時全部用網(wǎng)電供電。

3.2.5 抽油機(jī)變頻控制柜

由于抽油機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)下，其負(fù)載大小有很大差別，用變頻器對其運(yùn)動狀態(tài)起平穩(wěn)過度的作用，使其瞬間電流趨于平穩(wěn)。有3種啟停模式：風(fēng)電變頻啟停、網(wǎng)電變頻啟停、網(wǎng)電工頻啟停，同時配置能量反饋單元，將抽油機(jī)發(fā)電狀態(tài)時的電能回饋至電網(wǎng)。

3.3風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

一是風(fēng)機(jī)安全保護(hù)技術(shù)；二是優(yōu)先使用風(fēng)電，網(wǎng)電作為補(bǔ)充，確保風(fēng)電全部被利用技術(shù)；三是抽油機(jī)倒發(fā)電回饋技術(shù)；四是風(fēng)電、網(wǎng)電計量技術(shù)等。

該系統(tǒng)構(gòu)思新穎，巧妙地解決了風(fēng)電、網(wǎng)電自動互補(bǔ)的技術(shù)難關(guān)。充分利用風(fēng)能可再生能源、就近發(fā)電、自產(chǎn)自用，與一般上網(wǎng)型風(fēng)機(jī)相比較減小了上網(wǎng)輸送等設(shè)備投資和中間環(huán)節(jié)。與一般離網(wǎng)型風(fēng)機(jī)相比不需要蓄電池電能儲存，降低了投資成本。

3.4運(yùn)行原理

控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵技 術(shù)[3,4]， 該 系 統(tǒng) 中 主 要 技 術(shù) 是 風(fēng) 電 優(yōu) 先 網(wǎng) 電 補(bǔ) 充 控制，具有風(fēng)電優(yōu)先使用的功能，可以最大限度地利用風(fēng)電，節(jié)省網(wǎng)電。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所發(fā)出的電經(jīng)智能穩(wěn)壓控制器整流后，再經(jīng)風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)控制柜優(yōu)先使用風(fēng)電。該系統(tǒng)開始使用風(fēng)電后，如果風(fēng)機(jī)發(fā)出的電量不能滿足后端負(fù)載的使用，系統(tǒng)則將缺少部分的電量自動利用網(wǎng)電進(jìn)行補(bǔ)充，從而達(dá)到穩(wěn)定供電的要求。當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)出的電量能夠滿足后端負(fù)載使用時，系統(tǒng)停止網(wǎng)電輸入，負(fù)載完全由風(fēng)電供給。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，風(fēng)機(jī)功率繼續(xù)增加時，風(fēng)機(jī)控制器將進(jìn)行卸荷保護(hù)，以保證該系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.5風(fēng)電優(yōu)先網(wǎng)電互補(bǔ)技術(shù)適用條件

根據(jù)不同型號機(jī)組，假設(shè)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑為d，風(fēng)機(jī)整機(jī)運(yùn)行最高點(diǎn)位為h。

◇ 以 d為半徑 h為高的圓柱體積內(nèi)無障礙物；

◇ 以風(fēng)機(jī)塔架中心點(diǎn)為圓點(diǎn) 1.2h 為半徑的地面內(nèi)，無生產(chǎn)設(shè)備；

◇ 風(fēng)網(wǎng)轉(zhuǎn)換柜和抽油機(jī)變頻控制柜周邊2m內(nèi)無障礙物；

◇ 啟動風(fēng)速 2m/s，切出風(fēng)速 25m/s；

◇根據(jù)風(fēng)能資源評估及設(shè)備耗電情況，選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)要與負(fù)載用電量的大小相匹配；

◇選址應(yīng)在開闊地帶，避免山間“狹管效應(yīng)”對風(fēng)機(jī)造成損害。

4 盆18-17井組風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況

2010年經(jīng)過近 2個月的施工建設(shè)，盆 18-17井組風(fēng)電系統(tǒng)于 5月 4日正式開始運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行720h 無故障，抽油機(jī)變頻控制柜變頻、工頻均運(yùn)行正常，風(fēng)電優(yōu)先升壓控制柜運(yùn)行平穩(wěn)，卸荷箱卸荷正常。表3 對 2010 年 11 月的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計。

表3 2010年 11月1—20日風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)

整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)運(yùn)行正常，風(fēng)電優(yōu)先，風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)系統(tǒng)控制系統(tǒng)工作正常，連續(xù)無故障運(yùn)行720h，截至 6月 4日已累計發(fā)電2400kWh。現(xiàn)場運(yùn)行表明，風(fēng)速為 4m/s時，日發(fā)電量為 80～100kWh。

5 效果評估

從表3可以看出，采用一拖三風(fēng)電優(yōu)先網(wǎng)電互補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電裝置，日發(fā)電量80kWh左右；由于風(fēng)電系統(tǒng)自帶變頻控制裝置，3臺15kW抽油機(jī)日耗電僅為220kWh 左右，平均單臺抽油機(jī)日耗電 73kWh，比廠平均單井日耗電 94.32kWh 減少 21.32kWh。計算風(fēng)電系統(tǒng)整體日節(jié)能量在140kWh左右。

目前，該風(fēng)電機(jī)組已運(yùn)行2年時間，累計發(fā)電量10×104kWh，變頻控制系統(tǒng)累計節(jié)電 4×104kWh。

6 結(jié)論

長慶油田勘探區(qū)域主要在陜甘寧地區(qū)，風(fēng)力資源豐富，在風(fēng)資源充足的叢式井組應(yīng)用風(fēng)電將大大降低網(wǎng)電用電量，而且減少大量有毒有害氣體的排放，節(jié)能減排效果明顯。

隨著國家政策扶持力度的加大、技術(shù)不斷成熟完善和成本的降低，該技術(shù)將為長慶油田新能源利用開拓更加廣闊的前景。

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[2]李俊峰，高虎，王仲穎,等.2008中國風(fēng)電發(fā)展報告[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2008.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.018

2012-09-05）

王輝，2007 年畢業(yè)于東北石油大學(xué) （石油工程專業(yè)）， 從 事 質(zhì) 量 、 節(jié) 能 、 計 量 、 標(biāo) 準(zhǔn) 化 管 理 工 作 ， E-mail： brillian7@qq.com，地 址 ： 陜 西 省榆林 市 定 邊 縣 磚 井鎮(zhèn)閆 塘 村 第 六 采油廠質(zhì)量安全環(huán)?？?，718606。