小功率风力发电技术在油田生产中的应用
1 引言
风能是一种没有污染可再生的绿色新能源，大力发展风能发电被认为是一种有效的环保措施，也是企业开展节能减排工作的一种重要手段。风电和水电一样，都是一次能源开发和建设同时完工的项目，没有火电所需要的化石能源开采，以及运输煤炭、石油和天然气所要求的投资。风电的优点是蕴藏量大、可再生、无污染、不淹地、占地少、建设周期短、投资灵活、自动控制水平高、运行管理人员少等，而传统以煤炭、天然气、石油等化石燃料进行的发电，会产生大量温室气体;核能发电则面临核废料的处理难题，对环境都会带来不同程度的破坏。
我国风能资源丰富，总储量达32亿千瓦，近期可开的发风能资源约为1.6亿千瓦，居世界首位，尤其在沿海滩海地区风能资源丰富。据《中国风能分布图》有关统计资料表明，我国沿海滩海地区年风速在5.5-17.5m/s的小时数为4000小时左右。胜利油田地处渤海湾地区，沿海油区的风能资源较好，这为风能资源的开发利用提供了良好的资源条件;同时，油田抽油机是油田开发生产的主要用能设备，并且需要连续24小时不间断工作，对电能的需求量大，能耗总量高，为了更好地做好油田的节能减排和新能源的开发利用工作，利用风力发电技术开发新能源应用于油田生产已成为一项重要的研究课题。
2 风力发电技术现状
中国对现代风力发电机技术的开发利用起源于70年代初。经过初期发展、单机分散研制、示范应用、重点攻关、实用推广、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益，为我国进一步开发利用风力发电积累了经验，打下了良好的物质基础和技术基础。经过30余年的研制、生产和推广应用，中国自行研制开发的100w～20kw等离网型风力发电机组，其制造销售总量已达30万台，在数量上居世界第一[1]。机组采用定桨距、三叶片、侧偏调速、上风向风力机，配套高效永磁低速发电机，机组运行平稳、质量可靠，使用寿命在15年以上。风轮的最大功率系数已从初期的0.30左右提高到0.38～0.42，而且启动风速低，在3米/秒就可以启动。叶片材料采用了强度高重量轻、耐腐蚀、能吸收振动的玻璃钢复合材料。发电机选配的是具有低速特性的永磁发电机，使发电机的效率从普通电机的0.50提高到现在的0.75以上，有些可以达到0.82。离网型风力发电机组的调向装置大部分是上风向尾翼调向。调速装置采用风轮偏置和尾翼铰接轴倾斜式调速、变桨距调速机构或风轮上仰式调速。功率较大的机组还装有手动刹车机构，以确保风力机在大风或台风情况下的安全。
3 油田风网互补智能供电系统
油田风网互补智能供电系统主要采用小功率风力发电技术和风网互补智能控制技术，其中风力发电机的发电功率为25kw。为实现风电在油田抽油机井上的应用，确保油井连续正常稳定运行，选择采用风电、网电互补的方式，即利用风电、网电互补智能供电节能装置，将整流器、逆变器有机结合，优先使用风电的供电技术方案，不足的部分由网电即时补充，无须切换，达到风电网电互补供电的目的，不需改变现场的配电线路，可以扩大风电的适用范围，为其推广插上有力的翅膀。
3.1 油田风网互补智能供电系统组成
油田风网互补智能供电系统主要由风力发电机和整流装置及供电控制器三个部分组成。而供电控制器又由智能电量计量装置、变频器和风网智能自动切换以及辅助控制设备等部分组成。
油田风网互补智能供电系统可为单台油田用电设备供电，也可为多台油田设备同时供电。其供电示意图如附图 [2]所示。
3.2 油田风网互补智能供电系统的工作原理
在不需要改变抽油机现场的配电线路的情况下，将风力发电、整流、数字化逆变、能量回馈、变频技术有机的结合，使用风电作为优先供给电源，风电不必上网，直接对24小时运行的设备进行供电，网电作为风电不足时的补充电源，且风电与网电之间采用无缝自动互补。该系统可以“一对多”(一台风力发电机对多台抽油机)或“多对多” (多台风力发电机对多台抽油机)构成一个微型供电网进行就近供电。
3.3 油田风网互补智能供电系统的主要功能
(1)风电优先功能。由风力发电机发的电能，若能够满足动力设备用电时，全部用风电，若风能不足时，网电的电能自动补足，若无风能时，则全部用网电。风电与网电互补过程中实现无缝切换。
(2)降低无功功率，提高功率因数功能。由于采用直流逆变方式供电、矢量变频技术，其功率因数大大提高，从而减少无功率损耗。
(3)增产增效功能。由于采用变频控制，可根据不同油井的要求，采用最佳的控制方案，实现抽油机经济运行。
(4)具备自动监控功能。可实现智能化远程监控各用电设备，由于供电控制器具有485远程监控接口，可以将风电、网电、控制器、动力设备、运行状况远程传送给中心控制室。同时还可以远程控制动力设备的启动、停止和调整运行转速等参数，从而为实现数字化油田奠定基础。
(5)提高采油设备的使用寿命。由于本设备具有变频功能，所以在动力设备启动时无冲击现象，电动机及抽油机的寿命将延长。
3.4 油田风网互补智能供电系统现场应用情况
该系统第一期风力发电工程为九台fd-25kw型风力发电机组于2008年10月在胜利油田孤东采油厂投入应用，解决22口油井供电问题。第二期风力发电工程为5台fd-25kw型风力发电机组于2009年10月在该厂投入运行，解决了14口油井的供电问题。其供电模式采用风、网互补的方式。电量计量方式采用网电和风电分离计量方案，网电计量用于对实现网电供入量计量，风电电量用于实现风机发电量计量。
4 应用效益分析
4.1 计算依据
根据对36口油井抽油机年正常工作天数的统计，抽油机年平均开井天数为347天，按340天计算;根据对36口油井抽油机安装前日用电量的统计，36口油井抽油机平均日用电量为229.44kwh。通过测试表明风机启动风速在4m/s以下，应用区域风能有效利用时间为5500小时。
4.2 应用效果分析
(1)风力发电机组发电效果分析
根据测试结果得出每台fd-25kw型风力发电机组能够达到额定输出功率指标，按照每台fd-25kw型风力发电机组额定发电指标和59#验潮站2005年风力数据记录统计得出每台fd-25kw型风力发电机组预计年发电总量为130570.29千瓦时，14台风力发电机组预计年发电总量合计182.8万千瓦时。
(2)控制器节能效果分析
根据测试结果得出36台gps25/30-i型抽油机风网互补智能供电控制箱(能量回馈变频柜)平均节电率为12.1%，其年节电效果为：抽油机平均日用电量×设备平均综合节电率×设备年平均运行时间×台数=229.44×12.1%×340×36 =34.07(万千瓦时)
(3)节约输电损失效果、效益分析
据测试，高低压输电线路的网损为6%。风网互补智能供电系统所有设备年减少电网输电106.60万千瓦时，年节约网损10.13万千瓦时。
综合以上三项合计风网互补智能供电系统年节网电总量为：36台抽油机供电控制器年节电总量+14台风力发电机年发电总量+年减少网损总量=34.07+182.8+10.13=227(万千瓦时)
(4)油井监测系统效果分析
统计安装油井无线远程监测系统的10口油井数据，安装前油井年平均采油时率为94.4%，年平均开井天数347天;安装后因有效减少了油井故障停井等待时间，预计可提高油井年平均采油时率为0.6%，预计年增加产油量110.42吨。
(5)其它效益分析
本系统抽油机控制箱可通过控制器变频调整抽油机的转速，使其维持在最佳的工作转速，提高产油量;同时减少了抽油机电机发热情况，能够提高电机寿命;合理调节采油工艺参数，延长了提油杆的使用时间，节约设备维修更换费用和人员。
本系统油井无线远程检测系统提高了机采人员的工作效率，可实时检测油井工作状态，减少人员配置，节约人力成本。
(6)减排效益分析
按每千瓦时折合标准煤0.4千克计，每千瓦时所用煤排放二氧化碳0.997千克计，每千瓦时所用煤排放二氧化硫0.03千克计，排放二氧化碳指标国际交易价格6.67美元/吨计，人民币汇率(1美元兑换人民币)6.83元，排放二氧化碳指标国际交易价格折合人民币45.56元/吨，则项目每年的减排效益为：
227×0.997×45.56÷1000= 10.31(万元)。
项目运行15年的减排效益为：10.31×15=154.65(万元)。
5 结束语
通过以上分析可得出以下结论：一是小功率风力发电技术系统在沿海油田应用无论是环境条件和技术条件都是可行的，对油田而言是建设节约型企业的一项比较好的措施;二是技术项目首次实现了风网互补智能供电系统在油田滩海地区的应用，填补了国内空白;三是我国滩海地区油田较多，该项目具有很好的推广应用前景。经过一年多来的现场应用证明，小功率风力发电技术系统技术成熟，运行可靠，性能优越，完成能满足油田油井生产的供电需要。
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