程靜 葛紅江 孫凱（中國(guó)石油大港油田采油工藝研究院）

前言

石油屬于不可再生資源，同時(shí)以石油為代表的石化能源的生產(chǎn)和消費(fèi)引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，已成為制約人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙之一，加上石油的高價(jià)位等因素，迫使世界各國(guó)尋求石油替代產(chǎn)品。石油替代產(chǎn)品和新能源的開(kāi)發(fā)利用是目前能源開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1-2]。大港油田位于中國(guó)沿海環(huán)渤海區(qū)域，屬于太陽(yáng)能資源和風(fēng)能資源較豐富區(qū)，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能、風(fēng)能具有相當(dāng)大的潛力[3]。若能將太陽(yáng)能、風(fēng)能應(yīng)用于油田的生產(chǎn)和生活中，將在節(jié)能降耗、綠色環(huán)保方面起到積極的示范與推廣作用[4]。

1 新能源資源潛力調(diào)查

1.1 土地資源量

大港油田礦區(qū)范圍的土地，是公司寶貴的資源和財(cái)富，也是新能源開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。大港油田公司現(xiàn)有土地面積約23.7萬(wàn)畝，其中耕地面積3.9萬(wàn)畝。工業(yè)用地可以很容易轉(zhuǎn)成種植用地，預(yù)計(jì)極限可用耕地6.3萬(wàn)畝。

1.2 太陽(yáng)能資源量

大港油田太陽(yáng)能資源屬三類中等區(qū)。參照《太陽(yáng)能資源測(cè)量方法總輻射》、《太陽(yáng)能資源等級(jí)總輻射》兩項(xiàng)太陽(yáng)能資源評(píng)價(jià)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。多晶硅的光轉(zhuǎn)換效率在6%～10%，單晶硅的光轉(zhuǎn)換效率在15%以上，天津地區(qū)年太陽(yáng)輻射量120～140 kcal/cm2，太陽(yáng)能發(fā)電站平均每1.0 MW占地40畝。若用大港油田1%的工業(yè)土地，約2000畝，用于太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)，則總裝機(jī)功率在50 MW左右，相當(dāng)于天津大港發(fā)電廠總功率的1/22，可供2500口油井生產(chǎn)用電。

1.3 風(fēng)能資源量

參照GB/T 18709—2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源測(cè)量方法》、GB/T 18710—2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》、《全國(guó)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》估算大港油田風(fēng)能資源量：風(fēng)能功率密度在200～300 W/m2以上，每年可利用的小時(shí)數(shù)在5000 h以上，平均每天10 h。大港油田為風(fēng)能資源豐富區(qū)。平均風(fēng)速雖然不是很高，但風(fēng)頻分布比較適合，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，風(fēng)的質(zhì)量很好，且有效小時(shí)數(shù)高，風(fēng)資源可利用時(shí)間較長(zhǎng)。在這種風(fēng)況下，風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都非常經(jīng)濟(jì)。目前技術(shù)條件風(fēng)力發(fā)電站平均每1.0 MW占地少于2畝。若用大港油田1%的工業(yè)土地，約2000畝，用于風(fēng)力發(fā)電，則總裝機(jī)功率在1000 MW左右，相當(dāng)于天津大港發(fā)電廠總功率的75%，可供5000口油井生產(chǎn)用電。

1.4 地?zé)豳Y源量

參照《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，平均每口地?zé)峋刂频牡叵旅娣e約7.5畝，5000 m2。每口井日產(chǎn)熱水多于400 m3，換熱溫差30℃，則單井熱功率為579 kW，每1.0 MW占地少于25畝（地下面積）。若用大港油田1000口報(bào)廢井轉(zhuǎn)化成地?zé)峋?，則總裝機(jī)功率在580 MW左右。若1年運(yùn)行150天，則節(jié)約取暖燃煤26×104t，約為大港油田冬季采暖用煤量217%。（華北地區(qū)供熱面積每50×104m2，每年用煤量約1×104t）。

1.5 植物能源資源量

大港油田周圍50 km半徑內(nèi)可利用植物秸稈量合計(jì)98.6×104t，折合49.3×104t（標(biāo)煤），可開(kāi)發(fā)約24.6×104t生物質(zhì)油。油田公司土地可種植能源植物約6.3萬(wàn)畝，最大產(chǎn)量為11.97×104t。折合約6.0×104t(標(biāo)煤）。可開(kāi)發(fā)出約2.99×104t生物質(zhì)油。以上合計(jì)植物能源總資源量約為110.6×104t（干物質(zhì)）。年折合55.3×104t（標(biāo)煤），可生產(chǎn)27.6×104t生物質(zhì)油。

2 新能源開(kāi)發(fā)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

新能源資源總量不等于可開(kāi)發(fā)新能源資源總量。受經(jīng)濟(jì)、政策、土地、地方關(guān)系、商業(yè)利益、技術(shù)等因素影響[5]。很多新能源是難以得到利用的，為此需要進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)。

2.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)價(jià)

模擬投資建設(shè)一個(gè)一定規(guī)模的發(fā)電廠，采用不同新能源形式進(jìn)行投資和收益估算。如假設(shè)總裝機(jī)功率20 MW，則不同新能源構(gòu)成為：10臺(tái)2 MW風(fēng)電動(dòng)機(jī)組的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)；20 MW的太陽(yáng)能光伏發(fā)電場(chǎng)；20 MW的地?zé)岚l(fā)電站或供熱站；20 MW的生物質(zhì)燃料發(fā)電站。

對(duì)以上4種形式的新能源電廠進(jìn)行了投資估算。不考慮稅收和征地費(fèi)用，也不考慮政府補(bǔ)貼。新能源經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的結(jié)論由電價(jià)等各項(xiàng)參數(shù)決定，包括電價(jià)、油價(jià)、煤價(jià)、天然氣價(jià)格；技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致的主要設(shè)備價(jià)格降低；國(guó)家政策、政府補(bǔ)貼、稅費(fèi)、貸款利率；人員工資福利；植物原料、消耗性材料價(jià)格；副產(chǎn)品的銷售收益、副產(chǎn)物的處理費(fèi)用等變量將顯著影響經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果。當(dāng)以上變量發(fā)生改變時(shí)，經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的結(jié)論會(huì)相應(yīng)改變。估算結(jié)果除了風(fēng)力發(fā)電外全部虧損，經(jīng)濟(jì)上可行。

2.2 特殊應(yīng)用條件下的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

在某些特殊條件下，新能源可能會(huì)提供相對(duì)經(jīng)濟(jì)的電力解決方案。對(duì)于采油廠偏遠(yuǎn)井組和偏遠(yuǎn)的單口間開(kāi)井的用電，目前主要使用柴油機(jī)供電，按對(duì)37 kW抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)供電計(jì)算，每天消耗柴油接近200 L/井，則每天消耗柴油近1500元/井，每年僅此成本將超過(guò)30萬(wàn)元/井。特別對(duì)于偏遠(yuǎn)單口間開(kāi)井，用柴油機(jī)臨時(shí)用電投入產(chǎn)出比將變得非常低。這種用昂貴能源來(lái)生產(chǎn)原油的模式造成了極大的資源浪費(fèi)，違背當(dāng)前節(jié)能減排、降本增效的大形勢(shì)。

在離網(wǎng)型間歇生產(chǎn)工況下，新能源比市電、柴電具體投資和運(yùn)行具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，如37 kW單井離網(wǎng)型間采油井每3天生產(chǎn)1天，1天采油2 t，每年可形成產(chǎn)值19.2萬(wàn)元。

3 抽油機(jī)風(fēng)光電互補(bǔ)系統(tǒng)應(yīng)用

采油二廠共管理著34個(gè)單井拉油點(diǎn)（43口單井），單井點(diǎn)采用柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)供電和電網(wǎng)供電兩種方式保障生活和生產(chǎn)用電。全廠共有10個(gè)單井點(diǎn)完全依賴柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)供電維持生產(chǎn)和生活，有2個(gè)單井點(diǎn)依靠汽油發(fā)電動(dòng)機(jī)發(fā)電供應(yīng)生活用電。另外22個(gè)單井點(diǎn)采用電網(wǎng)供電。

3.1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化配置及影響因素分析

風(fēng)光互補(bǔ)特性在很大程度上影響風(fēng)機(jī)和光伏容量配置[6]。要想合理配置儲(chǔ)能的容量，使得凈收益最大，首先要根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)特性，合力配置風(fēng)機(jī)和光伏組件的容量，分析在只有風(fēng)機(jī)和光伏組件情況下的經(jīng)濟(jì)收益以及系統(tǒng)運(yùn)行情況，然后再配置儲(chǔ)能裝置，進(jìn)一步分析系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益及系統(tǒng)運(yùn)行情況。

風(fēng)光資源分布特性：風(fēng)資源和光照資源具有一定的互補(bǔ)性，風(fēng)資源呈現(xiàn)出白天風(fēng)速相對(duì)較小，晚上風(fēng)速相對(duì)較大，夏季風(fēng)速相對(duì)較小，冬季風(fēng)速相對(duì)較大的特點(diǎn)。光照資源滿，白天11點(diǎn)至14點(diǎn)時(shí)光照最強(qiáng)，早上6點(diǎn)前和下午19點(diǎn)后，光強(qiáng)很弱甚至為零。夏季光照較好，冬季光照較弱。

3.2 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)和光伏組件都通過(guò)變流器、變壓器連接到配網(wǎng)交流母線，負(fù)荷也通過(guò)變壓器連接到交流母線。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要風(fēng)機(jī)、光伏和電網(wǎng)協(xié)調(diào)出力，負(fù)荷功率需求優(yōu)先由風(fēng)電和光伏發(fā)電來(lái)補(bǔ)充，當(dāng)分布式系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額或功率過(guò)剩時(shí)，才通過(guò)母線與電網(wǎng)進(jìn)行能量交互（圖1）。

3.3 風(fēng)光電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)采用方案

針對(duì)油井不同工作制度以及井場(chǎng)用電多少，在系統(tǒng)的建設(shè)前期，需要對(duì)風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率和太陽(yáng)能裝機(jī)功率進(jìn)行匹配，設(shè)計(jì)了風(fēng)光電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成方案，以滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)生活需要。

技術(shù)解決方案為：風(fēng)光市電互補(bǔ)（3臺(tái)20 kW風(fēng)機(jī)，18.2 kW，280 W單晶硅太陽(yáng)能電池板65塊）。

圖1 風(fēng)光電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用及效果分析

2015年在采油二廠張21-1井場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)光電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)應(yīng)用。改造前井場(chǎng)配置1臺(tái)90 kW柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)組；柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)日平均消耗柴油230L。其中，抽油機(jī)停機(jī)期間，每日井場(chǎng)日常生活用柴油機(jī)發(fā)電消耗30 L。

張21-1井場(chǎng)用電耗能情況：抽油機(jī)每隔2天運(yùn)行1天，間歇運(yùn)行。理論24 h耗電能：888 kWh；年耗電能4.38×104kWh。值守人員生活用電日耗電60 kWh；年耗電2.19×104kWh，則全年平均每天消耗電180 kWh。

張21-1采油井場(chǎng)間歇采油，抽油機(jī)平均每3天生產(chǎn)1天，井場(chǎng)值守人員全天候值班，柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)全年運(yùn)行，抽油機(jī)全年消耗17086.68L；值班室全年消耗78541L；全年消耗柴油共計(jì)25 627.68 L。

風(fēng)光電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用后，日均發(fā)電量180.03 kWh，則年均發(fā)電量為65 712 kWh；年節(jié)約柴油量25 627.68 L，年節(jié)約柴油192 207.6萬(wàn)元，折算消耗煤炭21.685 t，年減少CO2排放56 901.34 kg。由此可以看出，風(fēng)光電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的社會(huì)效益。

5 結(jié)論

1）完成了大港油田新能源資源潛力調(diào)查，按可開(kāi)發(fā)難易程度排序依次為：風(fēng)電、太陽(yáng)能、地?zé)帷⒅参锬茉础?/p>

2）從等規(guī)模經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和特殊條件下兩個(gè)角度對(duì)可開(kāi)發(fā)新能源進(jìn)行了綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)。新能源經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的結(jié)論受國(guó)家補(bǔ)貼等各項(xiàng)參數(shù)影響很大。

3）在偏遠(yuǎn)場(chǎng)站，新能源電力具有小規(guī)模利用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。張21-1井場(chǎng)成功應(yīng)用抽油機(jī)風(fēng)光電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為邊遠(yuǎn)區(qū)塊場(chǎng)站提供了相對(duì)經(jīng)濟(jì)的電力解決方案。為邊遠(yuǎn)區(qū)塊進(jìn)一步開(kāi)采、穩(wěn)產(chǎn)開(kāi)辟了一條節(jié)能、降耗的新路。

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