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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能受到重視。太陽(yáng)能作為一種可再生能源用于發(fā)電的想法早就提出，太陽(yáng)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(yáng)能供電系統(tǒng)、簡(jiǎn)單直流系統(tǒng)、大型太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池板接收太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電站作為太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電站在試生產(chǎn)階段，每天利用太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)以保證更充分的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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。考慮到抽油機(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(yáng)完成對(duì)準(zhǔn)的同時(shí)不會(huì)因?yàn)槠渌年幱岸绊懱?yáng)能的吸收。

太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能供電的發(fā)展，進(jìn)而引出太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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。

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