小功率風力發(fā)電技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用及效益分析

朱益飛

（勝利油田孤東采油廠，山東 東營 257237）

1 風力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

我國對現(xiàn)代風力發(fā)電機技術(shù)的開發(fā)利用起源于20世紀70年代初。20世紀80年代初，我國自主開發(fā)研究制造出額定容量低于10 kW的小功率風力發(fā)電機組，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，為我國進一步開發(fā)利用風力發(fā)電積累了經(jīng)驗，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)濟效益和社會效益。

經(jīng)過30多年的研制、開發(fā)和推廣應(yīng)用，我國自行研制開發(fā)的100 W～20 kW系列離網(wǎng)型風力發(fā)電機組，其制造銷售總量已達30萬臺，在數(shù)量上居世界第一。額定功率為200 kW、250 kW、300 kW、600 kW的風力發(fā)電機組相繼研制出來，并在全國11個省區(qū)建立了27個風電場。東部沿海有富厚的風能資源，距離電力負荷中心近，海上風電場將成為新興能源發(fā)展基地。國家發(fā)展和改革委員會早在20世紀90年代中期就制定了“光亮工程”和“乘風規(guī)劃”，1997年裝機超過100 MW，預(yù)計到2010年末總裝機容量可達400 MW。而目前我國從事小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)研制、開發(fā)、生產(chǎn)的單位就達到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)風力機一般采用定槳距掉速調(diào)治定速風力發(fā)電機體系。此種風力發(fā)電機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)。這種風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，造價低，具有較高的安全性，但掉速節(jié)制難度大，很少應(yīng)用到兆瓦級以上的風力發(fā)電機組節(jié)制上。變槳距節(jié)制是指風力機葉片的安裝角隨風速轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變的一種節(jié)制。變槳距開始工作時可對風輪換速進行節(jié)制，并網(wǎng)后可對功率進行節(jié)制，從而使風力發(fā)電機開始工作機能和功率輸出特征較定槳距定速風機有顯著改善。功率較大的機組還裝有手動剎車機構(gòu)，以確保風力機在大風或臺風情況下的安全。

2 油田風網(wǎng)互補智能控制技術(shù)

用于油井智能供電的風力發(fā)電機為25 kW的小功率發(fā)電機組。為實現(xiàn)風電在油田抽油機井上的應(yīng)用，確保油井連續(xù)正常穩(wěn)定運行，采用風電、網(wǎng)電互補的方式，即利用風電、網(wǎng)電互補智能供電節(jié)能裝置，將整流器、逆變器有機結(jié)合，優(yōu)先使用風電的供電技術(shù)方案，不足的部分由網(wǎng)電即時補充，無須切換，達到風電網(wǎng)電互補供電的目的，不需改變現(xiàn)場的配電線路，可以擴大風電的適用范圍。

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償?shù)目刂撇呗?，可以有效實現(xiàn)風電網(wǎng)電互補的穩(wěn)定運行，同時具有較好的動靜態(tài)性能。當風力較大時，風網(wǎng)發(fā)電滿足抽油機正常運行，抽油機完全由風網(wǎng)供電。當風力較小，風網(wǎng)發(fā)電不足以滿足抽油機正常運行時，控制器自動檢測風網(wǎng)功率，由電網(wǎng)自動補差，當現(xiàn)場沒有風時，則完全由電網(wǎng)供電?？刂破鲗崟r檢測風網(wǎng)電流及變頻器輸出電流，適時調(diào)整電網(wǎng)供電功率，保證抽油機正常運行。其智能變頻系統(tǒng)采用恒壓頻比控制，對系統(tǒng)進行變頻調(diào)速，采用電抗器回饋能量法來解決倒發(fā)電問題。智能變頻系統(tǒng)通過動態(tài)轉(zhuǎn)矩電流控制技術(shù)，能在各種運行條件下實現(xiàn)對抽油機的最佳控制，是功能強大、控制靈活、性能高的變頻器。同時，通過單片機對抽油機工作狀況的瞬時檢測、跟蹤電動機的功率狀態(tài)，找到井況與電動機的最佳匹配曲線，然后控制系統(tǒng)按最佳曲線運行，達到節(jié)能的目的。

2.1 工作原理

在不需要改變抽油機現(xiàn)場配電線路的情況下，將風力發(fā)電、整流、數(shù)字化逆變、能量回饋、變頻技術(shù)有機結(jié)合，使用風電作為優(yōu)先供給電源，風電不必上網(wǎng)，直接對24 h運行的設(shè)備進行供電，網(wǎng)電作為風電不足時的補充電源，且風電與網(wǎng)電之間采用無縫自動互補。該系統(tǒng)可以“一對多”（一臺風力發(fā)電機對多臺抽油機）或“多對多”（多臺風力發(fā)電機對多臺抽油機）構(gòu)成一個微型供電網(wǎng)進行就近供電。

圖1為抽油機風網(wǎng)互補智能控制供電系統(tǒng)流程圖。

圖1 抽油機風網(wǎng)互補智能供電系統(tǒng)流程（多系統(tǒng)并聯(lián)運行）

2.2 主要功能和技術(shù)指標

（1）主要功能

①實現(xiàn)直流母排寬電壓動態(tài)控制。通過應(yīng)用油井專用智能變頻器，實現(xiàn)變頻器直流母排300～800 V動態(tài)控制，充分利用風力較小時的風能。②增加電流回饋電路，采用智能變頻控制技術(shù)系統(tǒng)，解決抽油機倒發(fā)電問題。③在0.5 Hz能輸出150%高啟動轉(zhuǎn)矩帶PG反饋更高性能的閉環(huán)控制系統(tǒng)，減小電動機低轉(zhuǎn)速時脈動。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，實現(xiàn)抽油機經(jīng)濟運行。⑤降低無功功率，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，從而減少無功損耗。⑥風電與網(wǎng)電互補過程中實現(xiàn)無縫切換，提高了當風力較小時，風機所發(fā)低電壓電能利用率，解決了在風速相對較低時，發(fā)出的低電壓電能無法輸出問題。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，所以在動力設(shè)備啟動時無沖擊現(xiàn)象，電動機及抽油機的壽命將延長。

（2）主要技術(shù)指標

①采用無觸點電子切換裝置及防電網(wǎng)向風網(wǎng)反送電技術(shù)，實現(xiàn)風電網(wǎng)電的無縫切換，確保抽油機的正常運行，不影響原油的產(chǎn)量。②采用低電壓母線技術(shù)，使風機輸出的低電壓電能得到充分利用。③在抽油機啟動正常運行時，自動根據(jù)電動機負載率降低電動機運行電壓，降低電動機自身損耗。④風電切入電壓為1.1倍變頻器母線電壓。⑤抽油機倒發(fā)電抑制啟動電壓為直流600 V。⑥網(wǎng)電電壓為交流380 V±10%。

2.3 系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用情況

該系統(tǒng)1期風力發(fā)電工程為9臺FD-25 kW型風力發(fā)電機組，于2008年10月在勝利油田孤東采油廠投入應(yīng)用，解決22口油井供電問題。2期風力發(fā)電工程為5臺FD-25 kW型風力發(fā)電機組，于2009年10月在該廠投入運行，解決了14口油井的供電問題。其供電模式采用風、網(wǎng)互補的方式。電量計量方式采用網(wǎng)電和風電分離計量方案，網(wǎng)電計量用于對實現(xiàn)網(wǎng)電供入量計量，風電電量用于實現(xiàn)風機發(fā)電量計量。

3 應(yīng)用效益分析

3.1 計算依據(jù)

根據(jù)對36口油井抽油機年正常工作天數(shù)的統(tǒng)計，抽油機年平均開井天數(shù)為347 d，按340 d計算；根據(jù)對36口油井抽油機安裝前日用電量的統(tǒng)計，36口油井抽油機平均日用電量為229.44 kWh。通過測試表明風機啟動風速在4 m/s以下，應(yīng)用區(qū)域風能有效利用時間為5500 h。

3.2 應(yīng)用效果分析

（1）風力發(fā)電機組發(fā)電效果分析

根據(jù)測試結(jié)果得出每臺FD-25 kW型風力發(fā)電機組能夠達到額定輸出功率指標，按照每臺FD-25 kW型風力發(fā)電機組額定發(fā)電指標和59號驗潮站2005年風力數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計得出每臺FD-25 kW型風力發(fā)電機組預(yù)計年發(fā)電總量為130570.29 kWh，14臺風力發(fā)電機組預(yù)計年發(fā)電總量合計182.8萬kWh。

（2）控制器節(jié)能效果分析

根據(jù)測試結(jié)果得出36臺GPS25/30-I型抽油機風網(wǎng)互補智能供電控制箱（能量回饋變頻柜）平均節(jié)電率為12.1%，其年節(jié)電效果為：抽油機平均日用電量×設(shè)備平均綜合節(jié)電率×設(shè)備年平均運行時間×臺數(shù)=34.07萬kWh。

（3）節(jié)約輸電損失效果、效益分析

據(jù)測試，高低壓輸電線路的網(wǎng)損為6%。風網(wǎng)互補智能供電系統(tǒng)所有設(shè)備年減少電網(wǎng)輸電106.60萬kWh，年節(jié)約網(wǎng)損10.13萬kWh。

綜合以上3項，合計風網(wǎng)互補智能供電系統(tǒng)年節(jié)約網(wǎng)電總量為：

36臺抽油機供電控制器年節(jié)電總量+14臺風力發(fā)電機年發(fā)電總量+年減少網(wǎng)損總量=227萬kWh。

（4）油井監(jiān)測系統(tǒng)效果分析

統(tǒng)計安裝油井無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)的10口油井數(shù)據(jù)，安裝前油井年平均采油時率為94.4%，年平均開井天數(shù)347 d；安裝后因有效減少了油井故障停井等待時間，預(yù)計油井年平均采油時率可提高0.6%，預(yù)計年增加產(chǎn)油量110.42 t。

（5）減排效益分析

按每千瓦時折合標準煤0.4 kg計，每千瓦時所用煤排放二氧化碳0.997 kg計，每千瓦時所用煤排放二氧化硫0.03 kg計，排放二氧化碳指標國際交易價格6.67美元/t計，人民幣匯率（1美元兌換人民幣）6.83元，排放二氧化碳指標國際交易價格折合人民幣45.56元/t，則項目每年的減排效益為10.31萬元。項目運行15年的減排效益為154.65萬元。

3.3 投資效益分析

電價按0.6元/kWh計算，原油按2700元/t價格計算，則產(chǎn)生年直接節(jié)電效益為136.2萬元。年增油效益為29.82萬元。則項目合計年總經(jīng)濟效益=節(jié)電效益+增油效益+減排效益=176.33萬元。該項目總投資為530萬元。投資回報期為3.01年。