大慶某油田AA區(qū)塊風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電優(yōu)化研究

張鳳茹（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

1 區(qū)域現(xiàn)狀

大慶某油田AA區(qū)塊，區(qū)域面積34 km2，綜合含水97%以上，屬于高含水老油田。生產(chǎn)區(qū)共有站場(chǎng)164座，油水井2 378口，目前區(qū)塊年注水量3 231×104m3，年產(chǎn)液2 263×104m3。經(jīng)統(tǒng)計(jì)全年耗電3.14×108kWh。預(yù)測(cè)基礎(chǔ)用電量于2022年達(dá)到頂峰，用電量3.36×108kWh。碳排放總量為35.59×104t，天然氣燃燒排放量9.35×104t，占比26.27%，購 入 電 力 排 放 量25.22×104t，占 比70.86%，其他1.02×104t，占比2.87%。AA區(qū)塊產(chǎn)量及能耗預(yù)測(cè)見表1。

表1 AA區(qū)塊產(chǎn)量及能耗預(yù)測(cè)Tab.1 AA block yield and energy consumption forecast table

由表1可以看出，AA區(qū)塊屬于高含水老油田，用電量較大，碳排放量較高?；具_(dá)到開發(fā)轉(zhuǎn)型的臨界點(diǎn)，符合綠色低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型條件[1]。

2 新能源資源條件分析

參照國家能源局評(píng)估分級(jí)，對(duì)AA區(qū)塊太陽能、風(fēng)能資源進(jìn)行分析[2-4]。

2.1 太陽能資源條件

大慶地區(qū)年總輻射量為1 300～1 400 kWh/m2，年有效利用小時(shí)數(shù)1 200～1 400 h，屬于太陽能資源“較豐富（C）”地區(qū)。

總量等級(jí)：杜蒙氣象站近10 a平均的水平面總輻射為1 348 kWh/m2，項(xiàng)目所在地的太陽能資源屬于C類“資源豐富”。

穩(wěn)定度等級(jí)：杜蒙氣象站月平均總輻射日輻照量最低值為1.6 kWh/m2，最高值為5.5 kWh/m2，兩者的比值為0.29，項(xiàng)目所在地的穩(wěn)定度屬于C類“一般”；直射比等級(jí)：杜蒙氣象站近10 a平均的水平面直接輻射為695 kWh/m2，其與水平總輻射的比值為0.52。項(xiàng)目所在地的直射比等級(jí)屬于B類“高”，即直接輻射較多。

綜上所述，AA區(qū)塊具有良好的太陽能條件可建設(shè)光伏發(fā)電設(shè)施。

2.2 風(fēng)資源條件

根據(jù)杜蒙縣風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，得到風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能分析綜合結(jié)論：70 m高度年平均風(fēng)速為6.7 m/s，相應(yīng)風(fēng)功率密度為275～335 W/m2；80 m高度風(fēng)速的中值出現(xiàn)在3～11 m/s風(fēng)速區(qū)間內(nèi)；100 m高 度 平 均 風(fēng) 速 為6.1～7.0 m/s，風(fēng) 功 率 密 度250～330 W/m2，屬于風(fēng)能資源“豐富（B）”地區(qū)。

通過已測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)綜合分析：一是風(fēng)電場(chǎng)大風(fēng)月為2、3、4、9、10、11月，夜晚風(fēng)速大，白天風(fēng)速??；二是風(fēng)場(chǎng)的主導(dǎo)風(fēng)向不是很明顯，主要集中在西北和西南方向上。

綜上結(jié)論，AA區(qū)塊盛行風(fēng)向不是很穩(wěn)定，有效風(fēng)小時(shí)數(shù)多，沒有破壞性風(fēng)速，風(fēng)的品質(zhì)較好，風(fēng)力資源較為豐富，具有較好的開發(fā)前景。

目前AA區(qū)塊東北方向已建風(fēng)電場(chǎng)一座，總裝機(jī)容量49.5 MW，發(fā)電機(jī)組33臺(tái)，單機(jī)容量1.5 MW，輪轂高度87 m，年發(fā)電量1.13×108kWh，年利用小時(shí)數(shù)2 038 h。通過測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)和已建風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量可知，AA區(qū)塊具有良好的風(fēng)力資源條件，可建設(shè)風(fēng)機(jī)發(fā)電設(shè)施。

上述兩種新能源，AA區(qū)塊都有一定潛力，為風(fēng)光發(fā)電建設(shè)提供了有力保障。并且AA區(qū)塊所在區(qū)域及周邊有一定量自有土地可以利用，可建設(shè)光伏組件及風(fēng)機(jī)設(shè)施。結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，AA區(qū)塊具有開發(fā)新能源條件，可發(fā)展新能源風(fēng)光發(fā)電技術(shù)。

3 風(fēng)光發(fā)電技術(shù)對(duì)策

3.1 風(fēng)、光發(fā)電原理結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)

風(fēng)力發(fā)電的工作原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車上的葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再通過一個(gè)增速器將旋轉(zhuǎn)的速度進(jìn)行提升，使得發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)[5-7]，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由葉片、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)構(gòu)成。其優(yōu)點(diǎn)是：風(fēng)力發(fā)電沒有燃料問題，屬于清潔能源，環(huán)境效益好；屬于可再生能源，永不枯竭；不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染。風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure drawing of wind turbine

光伏發(fā)電是將太陽光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、控制器和電能儲(chǔ)存及變換環(huán)節(jié)構(gòu)成的發(fā)電與電能變換系統(tǒng)。太陽能發(fā)電優(yōu)點(diǎn)是沒有任何排放和噪聲，憑借技術(shù)、產(chǎn)量等優(yōu)勢(shì)，過去十幾年，光伏發(fā)電的成本降幅已經(jīng)超過90%，這為光伏可持續(xù)發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2。

圖2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.2 Composition of solar photovoltaic power generation system

3.2 風(fēng)、光發(fā)電組件選擇

3.2.1 風(fēng)機(jī)組件選擇

經(jīng)方案比選、與多家風(fēng)機(jī)制造廠家結(jié)合，對(duì)比技術(shù)參數(shù)、基本性能、發(fā)電量等各項(xiàng)指標(biāo)，推薦AA區(qū)塊選用輪轂高度85 m，葉輪直徑121 m，額定功率為2 000 kW的機(jī)組。風(fēng)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比情況見表2。

表2 風(fēng)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比情況Tab.2 Comparison table of main technical parameters of wind turbine

3.2.2 光伏組件選擇

太陽能電池技術(shù)是太陽能發(fā)電技術(shù)的主要組成部分。太陽能電池主要有以下幾種類型：?jiǎn)尉Ч杼柲茈姵?、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等。單晶硅、多晶硅太陽能電池具有制造技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高的特點(diǎn)。目前國內(nèi)小板型組件主流功率為360 Wp，大板型組件主流功率為540 Wp。兩種版型單位造價(jià)相同，大板型效率略高，使用的土建基礎(chǔ)及支架單位造價(jià)大板型較低[8-9]。兩種版型主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比情況見表3。

表3 兩種版型主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比情況Tab.3 Comparison table of main technical parameters of two versions

3.3 風(fēng)、光發(fā)電互補(bǔ)利用技術(shù)對(duì)策

通過分析典型日風(fēng)光發(fā)電出力曲線（圖3）可知：風(fēng)力發(fā)電夜間整體效果要好于日間整體效果；光伏日間發(fā)電夜間不出力；光伏出力占比40%～50%左右時(shí)，負(fù)荷輸出更加平穩(wěn)，且發(fā)電量相對(duì)較高。

圖3 典型日風(fēng)光發(fā)電出力曲線Fig.3 Typical daily wind power generation output

通過軟件模擬年發(fā)電量約為51 650×104kWh左右，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量120 MW、光伏裝機(jī)95 MW時(shí)，發(fā)電量標(biāo)準(zhǔn)差最小，區(qū)域內(nèi)供電平穩(wěn)性最高，此時(shí)光伏占比約44.2%。不同裝機(jī)容量下發(fā)電量標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 不同裝機(jī)容量下發(fā)電量標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)Tab.4 Standard deviation of power generation capacity under different installed capacities

3.4 風(fēng)機(jī)、光伏布局及規(guī)模

風(fēng)機(jī)布局利用AA區(qū)塊邊緣空曠地帶建設(shè)機(jī)位，盡可能置于風(fēng)能高值區(qū)，風(fēng)機(jī)排列考慮垂直于主風(fēng)能方向，保證風(fēng)機(jī)塔筒中心距輸電線路、油井距離滿足規(guī)范要求的安全距離，盡量減小風(fēng)場(chǎng)噪音對(duì)周圍的影響。裝機(jī)容量120 MW，風(fēng)機(jī)60座，單機(jī)容量2 MW。

光伏布局可利用屋頂建設(shè)發(fā)電系統(tǒng)圍墻光伏發(fā)電、已建站場(chǎng)圍欄建設(shè)光伏發(fā)電、風(fēng)電場(chǎng)南側(cè)空閑區(qū)域范圍建設(shè)發(fā)電、利用區(qū)域內(nèi)外已建井場(chǎng)空余土地建設(shè)發(fā)電、井間空余土地建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，總裝機(jī)容量共95 MW。

3.5 儲(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能裝置不發(fā)電，但儲(chǔ)能裝置為電網(wǎng)提供調(diào)峰、需求響應(yīng)等多種服務(wù)，有效實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)“削峰填谷”，緩解高峰供電壓力；促進(jìn)新能源消納，可適當(dāng)降低風(fēng)、光發(fā)電的波動(dòng)性。該項(xiàng)目風(fēng)電及光伏總裝機(jī)容量215 MW，儲(chǔ)能裝機(jī)容量按43 MW（新能源裝機(jī)容量的20%，用于提升電網(wǎng)一次調(diào)頻能力）考慮。分散接入AA區(qū)塊內(nèi)已建3座110 kV變電站（A一次變、B次變、C一次變），保證極端天氣下，AA區(qū)塊內(nèi)電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行[10]。

4 總體效果

1）風(fēng)力發(fā)電：理論發(fā)電量5.10×108kWh，經(jīng)折減，年實(shí)際發(fā)電量為3.78×108kWh，等效年利用小時(shí)數(shù)約為3 100 h，綜合折減系數(shù)為74.07%。

2）光伏發(fā)電：首年發(fā)電量約1.39×108kWh，等效年利用小時(shí)數(shù)1 460 h，25 a年均發(fā)電量為1.31×108kWh，等效年利用小時(shí)數(shù)1 380 h。

5 結(jié)論

1）項(xiàng)目實(shí)施后，AA區(qū)塊生產(chǎn)用能由火電轉(zhuǎn)換成綠電。結(jié)合風(fēng)光能的整體特點(diǎn)，綜合匹配風(fēng)電及光伏總裝機(jī)容量215 MW，預(yù)計(jì)年發(fā)綠電5.09×108kWh，為AA區(qū)塊綠色供電提供有力保障，實(shí)現(xiàn)了綠色轉(zhuǎn)型。

2）結(jié)合AA區(qū)塊的用能現(xiàn)狀、及開發(fā)規(guī)劃和用能預(yù)測(cè)，通過實(shí)施新能源技術(shù)措施，能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域的“低碳”排放。