太陽能輔助供電節(jié)能式抽油機(jī)

韓東穎 蘇連超 劉佳麗 郭長(zhǎng)佳 馬鵬飛

摘 要：游梁式抽油機(jī)是原油生產(chǎn)的主要設(shè)備，其設(shè)備成本和耗電量占油田生產(chǎn)成本的很大比重。為了解決游梁式抽油機(jī)的節(jié)能問題減輕油田的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，人們嘗試了各種改進(jìn)。應(yīng)用了無功補(bǔ)償器和節(jié)能型變壓器等來提高配電質(zhì)量；為了提高電機(jī)效率，應(yīng)用抽油機(jī)節(jié)電箱和集中控制節(jié)能裝置，應(yīng)用永磁電機(jī)和多功率電機(jī)，采用間抽技術(shù)等；應(yīng)用油井參數(shù)優(yōu)化技術(shù)來提高抽油機(jī)效率。為了抽油機(jī)的節(jié)能，我們將日益發(fā)展的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)大膽地利用在了油田抽油機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，通過對(duì)于可再生能源太陽能的充足利用來節(jié)省油田電力消耗節(jié)約油田經(jīng)濟(jì)成本。通過方案設(shè)計(jì)和思考計(jì)算，并制作了簡(jiǎn)單的模擬模型，認(rèn)定了并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)作為油田抽油機(jī)太陽能節(jié)電的具體方案且具備一定經(jīng)濟(jì)可行性。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī) 太陽能 并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng) 節(jié)能

中圖分類號(hào)：TK51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（a）-0155-02

游梁式抽油機(jī)作為油田生產(chǎn)的重要能耗設(shè)備，是目前各油田普遍采用的抽油機(jī)。這種抽油機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作復(fù)雜性小，并且故障率低，在石油開采過程中能夠?yàn)榫碌某橛捅孟到y(tǒng)提供動(dòng)力，但卻普遍存在著高能耗、低產(chǎn)出、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點(diǎn)[1]。為了解決游梁式抽油機(jī)的節(jié)能問題，減輕油田的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，人們開始嘗試各種改進(jìn)。于是出現(xiàn)了前置式、異向式等改良式抽油機(jī)，出現(xiàn)了高轉(zhuǎn)差、永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用革新，出現(xiàn)了將變頻控制系統(tǒng)在抽油機(jī)的應(yīng)用[2]。

傳統(tǒng)的化石燃料在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量污染環(huán)境的有害物質(zhì)，而且，它們都是不可再生的，因此，清潔、無污染的太陽能受到重視。太陽能作為一種可再生能源用于發(fā)電的想法早就提出，太陽能光伏供電系統(tǒng)也因多年的發(fā)展而日趨完善和靈活。光伏系統(tǒng)的應(yīng)用具有多種形式，但是其基本原理大同小異。不同類型的光伏系統(tǒng)只是在控制機(jī)理和系統(tǒng)部件上根據(jù)實(shí)際的需要有所不同。根據(jù)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用形式、應(yīng)用規(guī)模和負(fù)載的類型，對(duì)光伏供電系統(tǒng)進(jìn)行比較細(xì)致的劃分，則包括小型太陽能供電系統(tǒng)、簡(jiǎn)單直流系統(tǒng)、大型太陽能供電系統(tǒng)、交流直流供電系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)、混合供電系統(tǒng)和并網(wǎng)混合系統(tǒng)等六種類型[3]。太陽能光伏發(fā)電在21世紀(jì)將會(huì)有更深層次的發(fā)展和應(yīng)用。

2 太陽能供電在抽油機(jī)上的應(yīng)用

抽油機(jī)耗電量巨大，僅僅依靠太陽能電池板接收太陽能量轉(zhuǎn)化成的電能很難滿足高耗電的抽油機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，除非建立大型的電池板方陣布排足夠多的太陽能電池板才能有足夠的能量提供給抽油機(jī)。國(guó)內(nèi)在太陽能應(yīng)用與抽油機(jī)上的嘗試并不多，目前已知的只有新疆油田在太陽能應(yīng)用到抽油機(jī)上做出了大膽的嘗試，并取得了良好的效果。陸梁油田落成的太陽能發(fā)電站，如圖1所示，由陸9井并網(wǎng)光伏電站、陸梁公寓離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等兩個(gè)部分組成。該太陽能電站作為太陽能動(dòng)力負(fù)荷采油試驗(yàn)，供陸9井抽油機(jī)生產(chǎn)用電[4]。

雖然陸梁太陽能發(fā)電站在試生產(chǎn)階段，每天利用太陽能發(fā)電4 h。累計(jì)三個(gè)月發(fā)電超過1萬千瓦小時(shí)。但太陽能量的應(yīng)用基本依賴于天氣的變化和地域的光照情況。圖2為陸9井太陽能發(fā)電系統(tǒng)月發(fā)電量統(tǒng)計(jì)，由圖表可以清晰地看到冬季的陰雨天多及日照強(qiáng)度低兩個(gè)因素制約了太陽能電站的發(fā)電能力。

3 并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)在抽油機(jī)上的應(yīng)用

新疆油田公司陸梁油田的大膽嘗試給了我們很大啟發(fā)，首先，太陽能量的利用本身就受到地域和天氣的制約，也就是說根本無法完全利用太陽能為抽油機(jī)進(jìn)行供電。即便通過蓄電池進(jìn)行電量的緩沖也達(dá)不到如此巨大的耗電量需求。其次，電池板接受太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率仍舊非常低，若應(yīng)用較高轉(zhuǎn)化效率的硅電池板卻又因高昂的價(jià)格而得不償失，加上蓄電池里的電力損耗和漏失恐怕到最后剩不了太多。所以將并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)應(yīng)用在抽油機(jī)上有著很好的效果。如圖3為并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)的示意圖。

并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)的特點(diǎn)是當(dāng)太陽能發(fā)出的能量大于負(fù)載工作需要的能量時(shí)，發(fā)出來的電能可以反饋給電網(wǎng)，供給其他的用電負(fù)載使用。而當(dāng)太陽能發(fā)出的能量小于負(fù)載工作需要的能量時(shí)，負(fù)載會(huì)同時(shí)采用太陽能和電網(wǎng)同時(shí)供電，用電網(wǎng)來補(bǔ)充由于光照不夠或者沒有光照條件下負(fù)載的供電需要[5]。

但是陸梁油田的并網(wǎng)光伏電站的建設(shè)實(shí)在工程浩大，電站既包括并網(wǎng)系統(tǒng)又包括公寓離網(wǎng)系統(tǒng)。整個(gè)大的電站建設(shè)完全用于陸9井單井抽油機(jī)的日常生產(chǎn)用電，而對(duì)于油田如此多的抽油機(jī)生產(chǎn)井來說恐怕不能更多地利用太陽能來進(jìn)行電力供給了。所以能否找到一種最佳的匹配選擇，選擇更加合適的電池板的材質(zhì)、數(shù)量及其安置方式，用更少的工程安裝來完成更大范圍的抽油機(jī)井太陽能供電達(dá)到更加多的經(jīng)濟(jì)節(jié)約。這是我們從新疆油田公司那里收獲的經(jīng)驗(yàn)和問題。針對(duì)于此我們進(jìn)行了大膽的選擇、思考和計(jì)算，并制作了簡(jiǎn)單的模型來模擬流程研究效果。

4 一種基于每一臺(tái)抽油機(jī)的太陽能光伏供電系統(tǒng)

為了達(dá)到為更多、更大范圍抽油機(jī)進(jìn)行太陽能輔助供電的目的，簡(jiǎn)約工程施工和占地，從而能夠?yàn)槊恳慌_(tái)抽油機(jī)匹配太陽能供電系統(tǒng)，就必須采取應(yīng)用蓄電池的方法來完成太陽能的存儲(chǔ)緩沖，同時(shí)用更少的電池板外加控制系統(tǒng)來維持電池板實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)太陽以保證更充分的太陽能吸收，再將電池板連接控制器將電量輸送至蓄電池，蓄電池存儲(chǔ)足夠的電量以后通過逆變器轉(zhuǎn)換電流形式供給抽油機(jī)。當(dāng)蓄電池的電量足夠時(shí)，用蓄電池來供給抽油機(jī)，當(dāng)蓄電池的電量不足時(shí)，先用電網(wǎng)供電等待蓄電池充滿電能。蓄電池放電速度肯定遠(yuǎn)大于電池板充電速度，當(dāng)蓄電池放電達(dá)到一定量時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)供電蓄電池繼續(xù)充電。這樣的充電放電供電過程能夠靈活地避免了天氣狀況的干擾，同時(shí)能最大限度把太陽能量應(yīng)用至抽油機(jī)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室模型設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

太陽能電池板的材質(zhì)多為單晶硅和多晶硅，單晶硅電池板的價(jià)格稍微貴但是轉(zhuǎn)換效率較高，而多晶硅電池板的價(jià)格稍微便宜但是轉(zhuǎn)換效率較低。其他類型和材質(zhì)的電池板由于應(yīng)用范圍不廣，很難在油田應(yīng)用上有太大突破?？紤]到抽油機(jī)的耗電量巨大，如果不采用較高轉(zhuǎn)換效率的電池板單純從經(jīng)濟(jì)方面考慮的話恐怕最后最佳的電池板供電系統(tǒng)不能為抽油機(jī)提供足夠的電量，蓄電池周轉(zhuǎn)不開而不具備恰當(dāng)可行性。所以電池板還是采用轉(zhuǎn)換效率較高的單晶硅電池板。

單晶硅材質(zhì)的電池板一般的轉(zhuǎn)換效率為15%左右。顯然這是非常低的，完全不能滿足耗電量巨大的抽油機(jī)負(fù)載的使用。所以不得不考慮更加有效的方法來完成電池板更高的轉(zhuǎn)換效率。一般的太陽能電池大多采用傾斜固定布置，但是這樣往往失去了一定量的太陽能的吸收。如果為電池板配備旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，讓電池板按照所在地區(qū)的經(jīng)度緯度確定的太陽每個(gè)月的大概運(yùn)行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。如果太陽光線能夠垂直入射到電池板讓其轉(zhuǎn)化為電能，將能夠?qū)⑥D(zhuǎn)換效率提高原有轉(zhuǎn)換效率的30%左右。

于是在為每一部分電池板配備了旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)以后，單晶硅電池板的轉(zhuǎn)換效率提高到20%。太陽光譜的輻照強(qiáng)度根據(jù)不同地區(qū)不同天氣不同時(shí)間而變化不同，但是基于假設(shè)估計(jì)可以將太陽光譜的輻照強(qiáng)度設(shè)置1000W/m2值。這樣每平方米電池板的輸出功率大概為200W?？紤]到抽油機(jī)上千瓦的耗電功率，不得不采用更大的電池板來完成。采用面積為4m2面積大的電池板，安裝上旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，然后讓4塊這樣的電池板一條直線排開，讓每塊電池板在校對(duì)太陽完成對(duì)準(zhǔn)的同時(shí)不會(huì)因?yàn)槠渌年幱岸绊懱柲艿奈铡?/p>

太陽能電池板配置好以后，通過控制器連接至并網(wǎng)逆變器達(dá)到并網(wǎng)工作的目的。但是顯然這幾塊電池板根本供不起耗電巨大的抽油機(jī)。所以必須采用蓄電池來緩沖電量，將通過控制器的電池板轉(zhuǎn)換的電能直接輸送到蓄電池中儲(chǔ)存起來，為蓄電池設(shè)置一定的閾值。當(dāng)電量足夠達(dá)到了這個(gè)閾值，電網(wǎng)自動(dòng)關(guān)閉采用太陽能充滿的蓄電池以上千瓦的功率為抽油機(jī)供電。在蓄電池為抽油機(jī)進(jìn)行供電的過程中太陽能電池板也在為蓄電池充電。但是顯然這個(gè)電池板充電的速度是完全跟不上抽油機(jī)的耗電速度的。很快蓄電池就會(huì)支撐不起抽油機(jī)如此巨大的耗電量而達(dá)到設(shè)置的閾值，這時(shí)蓄電池就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉而繼續(xù)采用電網(wǎng)為抽油機(jī)供電。

按照這樣的蓄電池充放電和電網(wǎng)的停放電過程，假設(shè)抽油機(jī)的電機(jī)功率采用普通的20kW型號(hào)，這樣4塊4m220%轉(zhuǎn)換效率的電池板至少需要一個(gè)星期的時(shí)間才能完成蓄電池的電量。于是，在抽油機(jī)旁邊設(shè)置一定高度的4塊4m2的電池板，然后通過控制器之后為蓄電池充電。在經(jīng)過將近一個(gè)星期后的充電后蓄電池的電量值達(dá)到最高閾值，系統(tǒng)自動(dòng)用蓄電池為抽油機(jī)進(jìn)行供電。當(dāng)蓄電池的電量下降至最低閾值時(shí)電網(wǎng)自動(dòng)接通為抽油機(jī)供電，蓄電池繼續(xù)讓電池板進(jìn)行供電。

這樣一充一放中間長(zhǎng)時(shí)間的緩沖能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于太陽能量的更加靈活的應(yīng)用，不去考慮陰雨天氣和不良日照等不利情況，從而能夠充分利用可再生的太陽能量為抽油機(jī)進(jìn)行供電達(dá)到節(jié)能的目的。

5 結(jié)語

簡(jiǎn)單說明了抽油機(jī)的節(jié)能趨勢(shì)和太陽能供電的發(fā)展，進(jìn)而引出太陽能供電系統(tǒng)在油田抽油機(jī)上的應(yīng)用。根據(jù)陸梁油田太陽能發(fā)電站的建設(shè)和效果，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)大膽創(chuàng)新，提出了基于每一臺(tái)抽油機(jī)的簡(jiǎn)單太陽能并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)。系統(tǒng)中應(yīng)用了蓄電池來緩沖電量，保證對(duì)于太陽能量的充分和靈活運(yùn)用。簡(jiǎn)單計(jì)算了此工程的供電情況，為太陽能供電系統(tǒng)在抽油機(jī)上的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)和思路。

參考文獻(xiàn)

[1]張群.變頻控制器在抽油機(jī)上的應(yīng)用[J].儀表電器，2014（1）：57-58.

[2]趙來軍，程發(fā)興，苑櫻花.抽油機(jī)變頻控制器的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展[J].石油機(jī)械，2003（10）：65-67.

[3]沈輝.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：24-25.

[4]胡仕南.太陽能技術(shù)在新疆油田的應(yīng)用研究[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2010：35-41.

[5]胡其穎.太陽能熱發(fā)電技術(shù)的進(jìn)展與現(xiàn)狀[J].能源技術(shù)，2005：56-59.