无电地区抽油机工作用风柴储微电网解决方案

魏爱萍柳进举周文平

单井式风柴储微电网供电解决方案

单井式抽油机分析

目前油田一般采用多为游梁式抽油机，单机额定功率37kW，实际使用过程中功率约为5kW。采油系统主要耗电设备为抽油机。本方案主要分析偏远油井，或者非偏远单口油井的供电情况。该类油井单座抽油机电机功率一般为37kW，额定电压分为380V，660V，1140V三个电压等级。抽油机上冲程过程中耗电量较大，下冲程过程中电动机存在自发电情况，反送到电网，因此需要在发电系统与负载之间增加隔离装置。单口油井的连续作业周期为1-2年。连续作业期间，油井24小时连续工作。电动机为三相异步电动机。实际工作功率为10kW左右，功率因素0.2~0.7之间，日耗电量在250度左右。

风柴储微电网供电系统

系统说明：

系统主要由50kW永磁风力发电机组、蓄电池组、BMS，柴油发电机、开关电源、EMS能源管理系统、变频电源、远程监控等设备组成；

1）采用直流供电组网的方式，风机、储能电池、柴发机组均在直流母线端并联，电能通过变频电源逆变成三相电共抽油机使用。

2）系统预留5~10kW电源，供现场照明、采暖，小型作业工具等使用；

3）所有模块受控于中央能量管理器EMS，EMS系统通过触摸屏进行人机交互；

4）

系统工作原理：

1）在风的作用下，风力发电机输出电能，通过风能控制器、变频电源直接供抽油机供电，当风能发电不能完全被抽油机消耗时，一部分电能储存在蓄电池中；

2）当风力不足，风能发电不能完全满足抽油机的用电需求时，蓄电池放出能量补充给抽油机组；

3）当以上两种能源均不能满足抽油机的供电时，EMS给柴油机组发出启动信号，柴油机启动，在给抽油机供电的同时，给蓄电池充电；当直流母线至设置点（或柴发工作小时数设定）时，EMS给柴油机信号，柴油机停止运行。

4）通过智能化的能量切换，既能使用风能，同时也克服了风能不稳定、不确定造成的能源短缺，造成抽油机停摆问题，保证了抽油机按照预定的工作计划，进行工作，保证了产油量，并且降低了柴油的消耗量，实现了节能减排的目的。

设备参数确定

风力发电机选择

1.1、风力发电机的输出功率与风速的立方成正比例关系，与风轮直径成正比例关系

在风资源较好地区，风力发电机的年发电小时数，在2500小时属于合理范畴。日满功率工作小时数约7小时。

1台风轮直径为16米的永磁风力发电机在5、6、7米风速下，产生的发电量（一年发电小时数2500为参考）

在风速6m/s的地方，1套FD16-50的风力发电机组可以满足抽油机的耗电需求。

风力发电选择，除了考虑负载耗电量外，还必须结合项目安装地点的运输、安装、维护等条件限制，选择合适的风力发电机组。

蓄电池容量确定

1.2、A蓄电池组的电压的确定原则：蓄电池组电压必须满足变频器的工作电压范围

选择三相交流输入的变频器，变频器内部整流后的直流电压在658Vdc，考虑正常的波动范围10%（柴油发电机），蓄电池组电压范围：590cvdc～724Vdc，如果选择12V/节蓄电池，可以采用55节蓄电池串联构成直流母线电压660V。

B蓄电池的容量：考虑抽油机的额定功率、以及柴油运输时间内的抽油机工作需要的电能。

计算公式：电池容量Ah=（p*t*1000）/ɳ/（蓄电池组电压E）

Ah:蓄电池容量，按时数

P：抽油机额定功率kW

t:抽油机工作时间，小时

ɳ：蓄电池效率

n:蓄电池组节数

V：单节蓄电电压V

E：由n节、额定电压为V的蓄电池串联后的电压，E=V*n（伏）

按照负载日耗电量250度计算，负载功率10kw，12小时考虑，蓄电池效率60%，蓄电池的容量（ah）为10*12*1000/0.6/660=303Ah。

选取12V150Ah的蓄电池2组共计110节

柴油发电机组

1.3、柴油机组的负载率在80%左右时，效率最高，度电成本最低。抽油机工作功率10kW，蓄电池最大充电功率=300*0.1*660=19.8kW，则需要的柴油机功率=（10+19.8）/0.8=37.25kW。选择40kW的三相柴油发电机组，配套柴发充电模块。

社会经济效益分析

经济效益分析

1.1、以延长油田举例，油田在陕北一代，单井作业，单个抽油机分布在山头等地，无市电，拉市电距离为20KM以上，拉市电费用约15~20万/KM之间。柴机供电的方式也不行可行,由于单井多布局在山头上，山路崎岖陡峭，柴油运输很难解决，合计度电度电成本很高且有时根本无法解决柴油运输问题。

据介绍，在胜利油田的河口区（沿海地带），有3000口左右的井口供电造价也很高，由于沿海地点，地址条件较差，市电每公里的造价已达30万/KM(包含防雷、防腐费用）。

单站市电一次投资约350万，年电费及电网维护费用约15万，20年总费用=350+15*20=650万。

采用风柴储微电网系统，设备一次总投资约200万，电池每5年更换一次，更换3次费用约40万，柴油机每7年更换一次，20年内更换2次约40万，系统20年维护费用约40万，按照极端天气，供电系统20%用柴油机补充考虑，柴油耗费4万，20年总计80万，20年总费用共计=200+40+40+40+4*20=400万。

采用柴油机供电系统，设备一次投资1主1备约20万，柴机每3年更换一次，20年内更换6次共计120万，每年柴油使用、运输、柴机保养，耗材更换等月20万，20年总计=20+20*6+20*20=540万。

目前偏远地区油井多采用柴机供电的方式，每井口20年内可节省费用约140万，全国共计10万+井口，按照10%井口为处于偏远地区的单井井口估算，采用此种模式供电后，和柴油机供电相比，20年的总节省费用=100000*0.1*140万=140亿元。

社会效益分析

1.2、按照没节约1度(千瓦时)电，就相应节约了0.4千克标准煤，同时减少污染排放0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳、0.03千克二氧化硫、0.015千克氮氧化物。

单台井口采用风柴储微电网每年可节省标煤36.5吨，减少污染排放24.82吨粉尘、90.98吨二氧化碳，2.74吨二氧化硫、1.37吨氮氧化物。

按照1万井口采用风柴储微电网，20年共计可节省标煤730吨，减少污染排放496.4吨粉尘、1819.5吨二氧化碳，54.75吨二氧化硫、27.4吨氮氧化物。

结束语

通过以上分析，风力发电设备在油田无电区域内，可以与柴油发电机很好的结合，在技术可行性与经济性上，均是比较好的一项节能技术。