太阳能辅助供电节能式抽油机

摘 要：游梁式抽油机是原油生产的主要设备，其设备成本和耗电量占油田生产成本的很大比重。为了解决游梁式抽油机的节能问题减轻油田的经济负担，人们尝试了各种改进。应用了无功补偿器和节能型变压器等来提高配电质量；为了提高电机效率，应用抽油机节电箱和集中控制节能装置，应用永磁电机和多功率电机，采用间抽技术等；应用油井参数优化技术来提高抽油机效率。为了抽油机的节能，我们将日益发展的太阳能光伏发电技术大胆地利用在了油田抽油机系统当中，通过对于可再生能源太阳能的充足利用来节省油田电力消耗节约油田经济成本。通过方案设计和思考计算，并制作了简单的模拟模型，认定了并网光伏供电系统作为油田抽油机太阳能节电的具体方案且具备一定经济可行性。

关键词：抽油机 太阳能 并网光伏供电系统 节能

中图分类号：TK51 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0155-02

游梁式抽油机作为油田生产的重要能耗设备，是目前各油田普遍采用的抽油机。这种抽油机设计结构简单，操作复杂性小，并且故障率低，在石油开采过程中能够为井下的抽油泵系统提供动力，但却普遍存在着高能耗、低产出、冲程和冲次调节不方便等明显的缺点[1]。为了解决游梁式抽油机的节能问题，减轻油田的经济负担，人们开始尝试各种改进。于是出现了前置式、异向式等改良式抽油机，出现了高转差、永磁同步电动机的应用革新，出现了将变频控制系统在抽油机的应用[2]。

传统的化石燃料在使用过程中会产生大量污染环境的有害物质，而且，它们都是不可再生的，因此，清洁、无污染的太阳能受到重视。太阳能作为一种可再生能源用于发电的想法早就提出，太阳能光伏供电系统也因多年的发展而日趋完善和灵活。光伏系统的应用具有多种形式，但是其基本原理大同小异。不同类型的光伏系统只是在控制机理和系统部件上根据实际的需要有所不同。根据光伏系统的应用形式、应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分，则包括小型太阳能供电系统、简单直流系统、大型太阳能供电系统、交流直流供电系统、并网系统、混合供电系统和并网混合系统等六种类型[3]。太阳能光伏发电在21世纪将会有更深层次的发展和应用。

2 太阳能供电在抽油机上的应用

抽油机耗电量巨大，仅仅依靠太阳能电池板接收太阳能量转化成的电能很难满足高耗电的抽油机系统的正常运转，除非建立大型的电池板方阵布排足够多的太阳能电池板才能有足够的能量提供给抽油机。国内在太阳能应用与抽油机上的尝试并不多，目前已知的只有新疆油田在太阳能应用到抽油机上做出了大胆的尝试，并取得了良好的效果。陆梁油田落成的太阳能发电站，如图1所示，由陆9井并网光伏电站、陆梁公寓离网光伏发电系统等两个部分组成。该太阳能电站作为太阳能动力负荷采油试验，供陆9井抽油机生产用电[4]。

虽然陆梁太阳能发电站在试生产阶段，每天利用太阳能发电4 h。累计三个月发电超过1万千瓦小时。但太阳能量的应用基本依赖于天气的变化和地域的光照情况。图2为陆9井太阳能发电系统月发电量统计，由图表可以清晰地看到冬季的阴雨天多及日照强度低两个因素制约了太阳能电站的发电能力。

3 并网光伏供电系统在抽油机上的应用

新疆油田公司陆梁油田的大胆尝试给了我们很大启发，首先，太阳能量的利用本身就受到地域和天气的制约，也就是说根本无法完全利用太阳能为抽油机进行供电。即便通过蓄电池进行电量的缓冲也达不到如此巨大的耗电量需求。其次，电池板接受太阳能转化为电能的效率仍旧非常低，若应用较高转化效率的硅电池板却又因高昂的价格而得不偿失，加上蓄电池里的电力损耗和漏失恐怕到最后剩不了太多。所以将并网光伏供电系统应用在抽油机上有着很好的效果。如图3为并网光伏供电系统的示意图。

并网光伏供电系统的特点是当太阳能发出的能量大于负载工作需要的能量时，发出来的电能可以反馈给电网，供给其他的用电负载使用。而当太阳能发出的能量小于负载工作需要的能量时，负载会同时采用太阳能和电网同时供电，用电网来补充由于光照不够或者没有光照条件下负载的供电需要[5]。

但是陆梁油田的并网光伏电站的建设实在工程浩大，电站既包括并网系统又包括公寓离网系统。整个大的电站建设完全用于陆9井单井抽油机的日常生产用电，而对于油田如此多的抽油机生产井来说恐怕不能更多地利用太阳能来进行电力供给了。所以能否找到一种最佳的匹配选择，选择更加合适的电池板的材质、数量及其安置方式，用更少的工程安装来完成更大范围的抽油机井太阳能供电达到更加多的经济节约。这是我们从新疆油田公司那里收获的经验和问题。针对于此我们进行了大胆的选择、思考和计算，并制作了简单的模型来模拟流程研究效果。

4 一种基于每一台抽油机的太阳能光伏供电系统

为了达到为更多、更大范围抽油机进行太阳能辅助供电的目的，简约工程施工和占地，从而能够为每一台抽油机匹配太阳能供电系统，就必须采取应用蓄电池的方法来完成太阳能的存储缓冲，同时用更少的电池板外加控制系统来维持电池板实时对准太阳以保证更充分的太阳能吸收，再将电池板连接控制器将电量输送至蓄电池，蓄电池存储足够的电量以后通过逆变器转换电流形式供给抽油机。当蓄电池的电量足够时，用蓄电池来供给抽油机，当蓄电池的电量不足时，先用电网供电等待蓄电池充满电能。蓄电池放电速度肯定远大于电池板充电速度，当蓄电池放电达到一定量时自动转换为电网供电蓄电池继续充电。这样的充电放电供电过程能够灵活地避免了天气状况的干扰，同时能最大限度把太阳能量应用至抽油机系统。实验室模型设计流程图如图4所示。

太阳能电池板的材质多为单晶硅和多晶硅，单晶硅电池板的价格稍微贵但是转换效率较高，而多晶硅电池板的价格稍微便宜但是转换效率较低。其他类型和材质的电池板由于应用范围不广，很难在油田应用上有太大突破。考虑到抽油机的耗电量巨大，如果不采用较高转换效率的电池板单纯从经济方面考虑的话恐怕最后最佳的电池板供电系统不能为抽油机提供足够的电量，蓄电池周转不开而不具备恰当可行性。所以电池板还是采用转换效率较高的单晶硅电池板。

单晶硅材质的电池板一般的转换效率为15%左右。显然这是非常低的，完全不能满足耗电量巨大的抽油机负载的使用。所以不得不考虑更加有效的方法来完成电池板更高的转换效率。一般的太阳能电池大多采用倾斜固定布置，但是这样往往失去了一定量的太阳能的吸收。如果为电池板配备旋转控制系统，让电池板按照所在地区的经度纬度确定的太阳每个月的大概运行轨迹进行实时校准。如果太阳光线能够垂直入射到电池板让其转化为电能，将能够将转换效率提高原有转换效率的30%左右。

于是在为每一部分电池板配备了旋转控制系统以后，单晶硅电池板的转换效率提高到20%。太阳光谱的辐照强度根据不同地区不同天气不同时间而变化不同，但是基于假设估计可以将太阳光谱的辐照强度设置1000W/m2值。这样每平方米电池板的输出功率大概为200W。考虑到抽油机上千瓦的耗电功率，不得不采用更大的电池板来完成。采用面积为4m2面积大的电池板，安装上旋转控制系统，然后让4块这样的电池板一条直线排开，让每块电池板在校对太阳完成对准的同时不会因为其他的阴影而影响太阳能的吸收。

太阳能电池板配置好以后，通过控制器连接至并网逆变器达到并网工作的目的。但是显然这几块电池板根本供不起耗电巨大的抽油机。所以必须采用蓄电池来缓冲电量，将通过控制器的电池板转换的电能直接输送到蓄电池中储存起来，为蓄电池设置一定的阈值。当电量足够达到了这个阈值，电网自动关闭采用太阳能充满的蓄电池以上千瓦的功率为抽油机供电。在蓄电池为抽油机进行供电的过程中太阳能电池板也在为蓄电池充电。但是显然这个电池板充电的速度是完全跟不上抽油机的耗电速度的。很快蓄电池就会支撑不起抽油机如此巨大的耗电量而达到设置的阈值，这时蓄电池就会自动关闭而继续采用电网为抽油机供电。

按照这样的蓄电池充放电和电网的停放电过程，假设抽油机的电机功率采用普通的20kW型号，这样4块4m220%转换效率的电池板至少需要一个星期的时间才能完成蓄电池的电量。于是，在抽油机旁边设置一定高度的4块4m2的电池板，然后通过控制器之后为蓄电池充电。在经过将近一个星期后的充电后蓄电池的电量值达到最高阈值，系统自动用蓄电池为抽油机进行供电。当蓄电池的电量下降至最低阈值时电网自动接通为抽油机供电，蓄电池继续让电池板进行供电。

这样一充一放中间长时间的缓冲能够实现对于太阳能量的更加灵活的应用，不去考虑阴雨天气和不良日照等不利情况，从而能够充分利用可再生的太阳能量为抽油机进行供电达到节能的目的。

5 结语

简单说明了抽油机的节能趋势和太阳能供电的发展，进而引出太阳能供电系统在油田抽油机上的应用。根据陆梁油田太阳能发电站的建设和效果，总结经验教训大胆创新，提出了基于每一台抽油机的简单太阳能并网光伏供电系统。系统中应用了蓄电池来缓冲电量，保证对于太阳能量的充分和灵活运用。简单计算了此工程的供电情况，为太阳能供电系统在抽油机上的应用提供经验和思路。

参考文献

[1]张群.变频控制器在抽油机上的应用[J].仪表电器，2014（1）：57-58.

[2]赵来军，程发兴，苑樱花.抽油机变频控制器的应用与技术发展[J].石油机械，2003（10）：65-67.

[3]沈辉.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2005：24-25.

[4]胡仕南.太阳能技术在新疆油田的应用研究[J].油气田环境保护，2010：35-41.

[5]胡其颖.太阳能热发电技术的进展与现状[J].能源技术，2005：56-59.