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孤網(wǎng)供電系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應用

鮑磊（中國石油大港油田公司采油二廠）

無電網(wǎng)覆蓋的偏遠場站在油氣生產(chǎn)中單耗偏高，如何降低能耗，提高綜合效益日趨重要。通過闡述新能源發(fā)電系統(tǒng)的設備組成、性能原理，針對油氣生產(chǎn)現(xiàn)場的專業(yè)化設計，實現(xiàn)應用。利用新能源發(fā)電系統(tǒng)提供生產(chǎn)動力源，替代傳統(tǒng)發(fā)電機，取得良好的節(jié)能效益。為油氣田偏遠場站降低生產(chǎn)單耗，提升效益，提供了參考。

無電網(wǎng)覆蓋；新能源發(fā)電；節(jié)能

1　生產(chǎn)現(xiàn)狀

邊遠井站建立孤網(wǎng)供電系統(tǒng)替代柴油（燃氣）發(fā)電。油田部分偏遠地區(qū)新開發(fā)油井，因距離工業(yè)電網(wǎng)都相對較遠，一般在5～10 km，鋪設線網(wǎng)成本高，用地審批和協(xié)調(diào)地方關系復雜，主要采用柴油發(fā)電機組供電，發(fā)電效率低、能耗高，隨著成品油價的不斷上升，造成運行費用高。據(jù)前期調(diào)研，目前大港油田采油二廠在用發(fā)電機17臺，裝機功率1710 kW，年耗柴油248 t，能耗費用193萬元。依托風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電以及儲能蓄電池供電技術建立孤網(wǎng)供電系統(tǒng)替代柴油（燃氣）發(fā)電，可有效降低能耗及費用。

張21-1井為單井站點，站內(nèi)的主要供電設備為有值班房照明、油管伴熱帶、游梁式抽油機，平時主要供電設備為1臺90 kW柴油發(fā)電機，日耗柴油220 L，費用近1200元。

根據(jù)實測結(jié)果，該井各負載的情況如下：值班房單相交流電壓220 V，最大負載電流20 A；油管伴熱帶負載電流7.5～10 A；游梁式抽油機單相最大電流35 A。供電系統(tǒng)優(yōu)先為值班房和油管伴熱帶供電，供電系統(tǒng)存在負載不平衡工作狀態(tài)。

2　建立孤網(wǎng)供電系統(tǒng)

2.1張21-1井離網(wǎng)系統(tǒng)設計

張21-1井系統(tǒng)采用風力發(fā)電機、光伏發(fā)電系統(tǒng)作為供電設備，2 V單體膠體電池250塊作為儲能設備，臺達工業(yè)UPS作為交流負載供電設備，利舊70 kW燃氣發(fā)電機為后備電源。

2.2張21-1井孤網(wǎng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當前離網(wǎng)風發(fā)電、光伏發(fā)電、柴油發(fā)電、蓄儲能電池組發(fā)電可分為兩種供電模式：采用工業(yè)UPS加風光新能源充電系統(tǒng)組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)［1］；采用雙向儲能逆變器加風光新能源充電系統(tǒng)組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)。圖1、圖2分別給出采用“工業(yè)UPS加新能源”和“雙向儲能逆變器加新能源”的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中張21-1井供電系統(tǒng)采用圖1所示供電結(jié)構(gòu)。

圖1　工業(yè)UPS加風光新能源充電系統(tǒng)

圖2　雙向儲能逆變器加風光新能源充電系統(tǒng)

圖3為張21-1井孤網(wǎng)供電系統(tǒng)供配電簡圖，供電圖中以工業(yè)UPS為核心為負載設備供電，風機控制器和光伏控制器負責蓄電池充電管理、最大功率跟蹤等功能。

圖3　張21-1井系統(tǒng)配電接入簡圖

2.3系統(tǒng)容量配置及負荷供應狀況

值班房最大交流電壓220 V交流負荷20 A；管道伴熱帶交流電壓220 V交流負荷7.5～10 A；三相抽油機單相最大電流35 A。

太陽能電池板容量20 000 WP（255WP/塊× 80塊）；風力發(fā)電機容量20 kW（1套20 kW風力發(fā)電機）；抽油機變頻器37 kW抽油機專用變頻器1臺；臺達工業(yè)UPS（HPH-40 kVA）1臺；蓄電池組400 Ah/2V，總計250塊；風光互補控制器容量，30 kW太陽能控制器1臺；30 kW風機控制器1臺；中控及直流配電1臺，交流配電單元1臺。燃氣發(fā)電機70 kW，利舊。

根據(jù)光伏寶光伏發(fā)電量估算軟件，河北滄州黃驊市張巨河地區(qū)20 kW光伏系統(tǒng)年發(fā)電量約為30 756.24 kWh，平均折合到每日發(fā)電量84 kWh。以全國平均1893 h的風電利用小時數(shù)，按0.7的內(nèi)部效率計算20 kW風力發(fā)電機的年發(fā)電總量為26 502 kWh。20 kW風力發(fā)電機折算的平均日發(fā)電量72 kWh，考慮負載工作時，蓄電池存在部分充電后發(fā)電過程，以及考慮各系統(tǒng)效率，發(fā)電系統(tǒng)整體效率按85%計算，則負載可利用的日平均電量為132.6 kWh。

系統(tǒng)內(nèi)管道伴熱帶為24 h不間斷供電，每日功耗為 39.6 kWh，值班房按滿負荷每日供電8 h計，每日功耗 35.2 kWh?？晒┏橛蜋C的電量為57.8 kWh。

張21-1井內(nèi)抽油機驅(qū)動電機容量為30 kW永磁同步電動機，抽油機工作平均負載按30%額定容量計，抽油機的平均負載功率為9 kW。即系統(tǒng)內(nèi)供電設備除滿足值班房日常供電、管道伴熱帶正常供電外，每日還可提供抽油機系統(tǒng)供電6.4 h。

系統(tǒng)配電室內(nèi)包含抽油機變頻控制柜、交流配電柜、光伏控制柜、風力發(fā)電機控制柜、中控&直流配電柜、工業(yè)UPS設備以及蓄電池組。

3　系統(tǒng)測試情況

3.1系統(tǒng)內(nèi)控制器主要參數(shù)設置

臺達HPH-40 kVA工業(yè)級UPS主要設置參數(shù)見表1。中控配電柜主要參數(shù)，啟動抽油機的蓄電池電壓上限550 V，關停抽油機蓄電池電壓下限為500 V。太陽能控制器主要參數(shù)設置見表2。風力發(fā)電機控制器主要參數(shù)設置見表3。

表1　臺達HPH-40 kVA工業(yè)級UPS主要設置參數(shù)

表2　太陽能控制器主要設置參數(shù)

表3　風力發(fā)電機控制器主要設置參數(shù)

3.2蓄電池充電控制器測試結(jié)果

以光伏蓄電池充電控制器為例的測試結(jié)果，分別如圖4、圖5所示。其中，圖4為控制器不接入蓄電池空載啟動的電壓波形，顯示波形量值為實際電壓的10倍。從圖中可以看到，即使在輸出空載情況下，控制器輸出電壓也被限制在參數(shù)設置中的“輸出電壓限值”范圍以內(nèi)，且僅在啟動瞬間超調(diào)過程中出現(xiàn)，超調(diào)過后，控制器輸出電壓穩(wěn)定在所設置的參數(shù)“蓄電池浮充電壓”上。圖5為控制器正常輸出時，輸入側(cè)電流給定和反饋波形，從圖形中可以看出，控制器輸入側(cè)電流始終穩(wěn)定在給定電流范圍內(nèi)。圖中電流波形的量值為實際電流波形的10倍。

圖4　控制器不接入蓄電池空載啟動

圖5　輸入側(cè)電流給定和反饋波形

4　系統(tǒng)節(jié)能效果分析

采用孤網(wǎng)供電系統(tǒng)，自2015年7月7日供電至今。在運行期間，除2015年7月15日幾日由于連續(xù)陰雨天，燃氣發(fā)電機啟動運行5 h外，其他時間備用發(fā)電機均未主動啟動，孤網(wǎng)供電系統(tǒng)完全滿足站內(nèi)生產(chǎn)及生活需求。

根據(jù)歷年發(fā)電機能耗情況統(tǒng)計：單獨使用1臺90 kW柴油發(fā)電機，日耗柴油220 L，按目前0#柴油5.13元/L費用近1 128.6元。

單獨使用70 kW燃氣發(fā)電機，每月耗氣量大約為30 m3壓縮天然氣（CNG），按1 m3壓縮天然氣折合250 m3標準大氣壓下的氣態(tài)天然氣計算，張21-1井正常狀態(tài)下每月標準氣壓下耗氣量為7500 m3，按工商業(yè)用氣（標準大氣壓下）價格3.78元/m3計，張21-1井每月正常水平能源消耗費用為28 350元，考慮到天然氣運輸費用3200元（按每月送氣4次，每次運輸及人工費用800元計，每月天然氣運費3200元），燃氣發(fā)電機潤滑和日常維護費用約為燃氣費的10%，日常維護費用2835元。

綜上，張21-1井單獨采用柴油發(fā)電機供電，折合每日費用為1 128.6元；單獨采用燃氣發(fā)電機供電折合到每日費用1146元。

5　結(jié)論

采用孤網(wǎng)供電系統(tǒng)后，張21-1井按月度計算節(jié)約的費用為33 858元（燃油）或34 385元（燃氣）。

孤網(wǎng)供電在油氣生產(chǎn)中已經(jīng)有所使用，但是應用范圍較窄，主要在油氣集輸領域，采用光伏發(fā)電，對長輸管線進行中途加溫，沒有直接提供工業(yè)動力電。上述孤網(wǎng)供電系統(tǒng)直接采用新能源發(fā)電，提供動力電源，不僅能夠滿足抽油機生產(chǎn)需求，還可以滿足場站值班工人生活用電。對油田偏遠、無電網(wǎng)覆蓋的場站的生產(chǎn)，提供了一個無排放、低能耗、高收益的選擇，具有良好的示范效應，節(jié)能效果明顯，在無電網(wǎng)覆蓋的地區(qū)具備進一步推廣的價值和必要。

［1］邱見青.不間斷電源設備：GB 7260.4—2008［S］.北京：中國標準出版社，2009：9-13.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.008

2016-04-08

（編輯杜麗華）

鮑磊，工程師，2005年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學（武漢）（石油工程專業(yè)），現(xiàn)從事節(jié)能管理工作，E-mail：117261161@qq. com，地址：河北省黃驊市南大港管理區(qū)采油二廠油田管理科，061103。