大港油田新能源开发技术经济评价与应用

程静 葛红江 孙凯（中国石油大港油田采油工艺研究院）

前言

石油属于不可再生资源，同时以石油为代表的石化能源的生产和消费引发的环境问题越来越严重，已成为制约人类实现可持续发展的主要障碍之一，加上石油的高价位等因素，迫使世界各国寻求石油替代产品。石油替代产品和新能源的开发利用是目前能源开发的热点领域[1-2]。大港油田位于中国沿海环渤海区域，属于太阳能资源和风能资源较丰富区，开发利用太阳能、风能具有相当大的潜力[3]。若能将太阳能、风能应用于油田的生产和生活中，将在节能降耗、绿色环保方面起到积极的示范与推广作用[4]。

1 新能源资源潜力调查

1.1 土地资源量

大港油田矿区范围的土地，是公司宝贵的资源和财富，也是新能源开发的基础。大港油田公司现有土地面积约23.7万亩，其中耕地面积3.9万亩。工业用地可以很容易转成种植用地，预计极限可用耕地6.3万亩。

1.2 太阳能资源量

大港油田太阳能资源属三类中等区。参照《太阳能资源测量方法总辐射》、《太阳能资源等级总辐射》两项太阳能资源评价相关国家标准。多晶硅的光转换效率在6%～10%，单晶硅的光转换效率在15%以上，天津地区年太阳辐射量120～140 kcal/cm2，太阳能发电站平均每1.0 MW占地40亩。若用大港油田1%的工业土地，约2000亩，用于太阳能开发，则总装机功率在50 MW左右，相当于天津大港发电厂总功率的1/22，可供2500口油井生产用电。

1.3 风能资源量

参照GB/T 18709—2002《风电场风能资源测量方法》、GB/T 18710—2002《风电场风能资源评估方法》、《全国风能资源评价技术规定》估算大港油田风能资源量：风能功率密度在200～300 W/m2以上，每年可利用的小时数在5000 h以上，平均每天10 h。大港油田为风能资源丰富区。平均风速虽然不是很高，但风频分布比较适合，具有稳定的主导风向，风的质量很好，且有效小时数高，风资源可利用时间较长。在这种风况下，风机的设计和运行都非常经济。目前技术条件风力发电站平均每1.0 MW占地少于2亩。若用大港油田1%的工业土地，约2000亩，用于风力发电，则总装机功率在1000 MW左右，相当于天津大港发电厂总功率的75%，可供5000口油井生产用电。

1.4 地热资源量

参照《浅层地热能勘查评价技术规范》，平均每口地热井控制的地下面积约7.5亩，5000 m2。每口井日产热水多于400 m3，换热温差30℃，则单井热功率为579 kW，每1.0 MW占地少于25亩（地下面积）。若用大港油田1000口报废井转化成地热井，则总装机功率在580 MW左右。若1年运行150天，则节约取暖燃煤26×104t，约为大港油田冬季采暖用煤量217%。（华北地区供热面积每50×104m2，每年用煤量约1×104t）。

1.5 植物能源资源量

大港油田周围50 km半径内可利用植物秸秆量合计98.6×104t，折合49.3×104t（标煤），可开发约24.6×104t生物质油。油田公司土地可种植能源植物约6.3万亩，最大产量为11.97×104t。折合约6.0×104t(标煤）。可开发出约2.99×104t生物质油。以上合计植物能源总资源量约为110.6×104t（干物质）。年折合55.3×104t（标煤），可生产27.6×104t生物质油。

2 新能源开发技术经济评价

新能源资源总量不等于可开发新能源资源总量。受经济、政策、土地、地方关系、商业利益、技术等因素影响[5]。很多新能源是难以得到利用的，为此需要进行综合经济技术评价。

2.1 经济指标评价

模拟投资建设一个一定规模的发电厂，采用不同新能源形式进行投资和收益估算。如假设总装机功率20 MW，则不同新能源构成为：10台2 MW风电动机组的风力发电场；20 MW的太阳能光伏发电场；20 MW的地热发电站或供热站；20 MW的生物质燃料发电站。

对以上4种形式的新能源电厂进行了投资估算。不考虑税收和征地费用，也不考虑政府补贴。新能源经济评价的结论由电价等各项参数决定，包括电价、油价、煤价、天然气价格；技术进步导致的主要设备价格降低；国家政策、政府补贴、税费、贷款利率；人员工资福利；植物原料、消耗性材料价格；副产品的销售收益、副产物的处理费用等变量将显著影响经济评价结果。当以上变量发生改变时，经济评价的结论会相应改变。估算结果除了风力发电外全部亏损，经济上可行。

2.2 特殊应用条件下的经济评价

在某些特殊条件下，新能源可能会提供相对经济的电力解决方案。对于采油厂偏远井组和偏远的单口间开井的用电，目前主要使用柴油机供电，按对37 kW抽油机电动机供电计算，每天消耗柴油接近200 L/井，则每天消耗柴油近1500元/井，每年仅此成本将超过30万元/井。特别对于偏远单口间开井，用柴油机临时用电投入产出比将变得非常低。这种用昂贵能源来生产原油的模式造成了极大的资源浪费，违背当前节能减排、降本增效的大形势。

在离网型间歇生产工况下，新能源比市电、柴电具体投资和运行具有经济优势，如37 kW单井离网型间采油井每3天生产1天，1天采油2 t，每年可形成产值19.2万元。

3 抽油机风光电互补系统应用

采油二厂共管理着34个单井拉油点（43口单井），单井点采用柴油发电动机供电和电网供电两种方式保障生活和生产用电。全厂共有10个单井点完全依赖柴油发电动机供电维持生产和生活，有2个单井点依靠汽油发电动机发电供应生活用电。另外22个单井点采用电网供电。

3.1 风光互补系统优化配置及影响因素分析

风光互补特性在很大程度上影响风机和光伏容量配置[6]。要想合理配置储能的容量，使得净收益最大，首先要根据风光互补特性，合力配置风机和光伏组件的容量，分析在只有风机和光伏组件情况下的经济收益以及系统运行情况，然后再配置储能装置，进一步分析系统经济收益及系统运行情况。

风光资源分布特性：风资源和光照资源具有一定的互补性，风资源呈现出白天风速相对较小，晚上风速相对较大，夏季风速相对较小，冬季风速相对较大的特点。光照资源满，白天11点至14点时光照最强，早上6点前和下午19点后，光强很弱甚至为零。夏季光照较好，冬季光照较弱。

3.2 风光互补系统结构

风力发电动机和光伏组件都通过变流器、变压器连接到配网交流母线，负荷也通过变压器连接到交流母线。在系统运行过程中，需要风机、光伏和电网协调出力，负荷功率需求优先由风电和光伏发电来补充，当分布式系统出现功率缺额或功率过剩时，才通过母线与电网进行能量交互（图1）。

3.3 风光电互补发电系统技术采用方案

针对油井不同工作制度以及井场用电多少，在系统的建设前期，需要对风机装机功率和太阳能装机功率进行匹配，设计了风光电互补发电系统构成方案，以满足现场生产生活需要。

技术解决方案为：风光市电互补（3台20 kW风机，18.2 kW，280 W单晶硅太阳能电池板65块）。

图1 风光电互补发电系统拓扑图

4 现场实施应用及效果分析

2015年在采油二厂张21-1井场进行风光电互补发电系统试验应用。改造前井场配置1台90 kW柴油发电动机组；柴油发电动机日平均消耗柴油230L。其中，抽油机停机期间，每日井场日常生活用柴油机发电消耗30 L。

张21-1井场用电耗能情况：抽油机每隔2天运行1天，间歇运行。理论24 h耗电能：888 kWh；年耗电能4.38×104kWh。值守人员生活用电日耗电60 kWh；年耗电2.19×104kWh，则全年平均每天消耗电180 kWh。

张21-1采油井场间歇采油，抽油机平均每3天生产1天，井场值守人员全天候值班，柴油发电动机全年运行，抽油机全年消耗17086.68L；值班室全年消耗78541L；全年消耗柴油共计25 627.68 L。

风光电互补发电系统应用后，日均发电量180.03 kWh，则年均发电量为65 712 kWh；年节约柴油量25 627.68 L，年节约柴油192 207.6万元，折算消耗煤炭21.685 t，年减少CO2排放56 901.34 kg。由此可以看出，风光电互补发电系统产生了较大的社会效益。

5 结论

1）完成了大港油田新能源资源潜力调查，按可开发难易程度排序依次为：风电、太阳能、地热、植物能源。

2）从等规模经济指标和特殊条件下两个角度对可开发新能源进行了综合经济技术评价。新能源经济评价的结论受国家补贴等各项参数影响很大。

3）在偏远场站，新能源电力具有小规模利用的经济价值。张21-1井场成功应用抽油机风光电互补发电系统为边远区块场站提供了相对经济的电力解决方案。为边远区块进一步开采、稳产开辟了一条节能、降耗的新路。

参考文献：

[1]邹才能，赵群，张国生，等.能源革命：从化石能源到新能源[J].天然气工业，2016，36（1）：1-10.

[2]龚国平.清洁（可再生）能源综合发电技术综述[J].上海节能，2015（12）：661-663.

[3]毕研涛，王丹，李春新.全球可再生能源发展现状展望与启示[J].国际石油经济，2016，24（8）：62-66.

[4]吕晶峰.我国风能产业发展及政策研究[D].北京：中央民族大学，2013.

[5]景春梅，王成仁.我国风电产业可持续发展的战略选择[J].宏观经济管理，2010（10）：24-26.

[6]王侃宏，李昔真，杨震.可再生新能源风光互补发电系统的研究应用[J].节能，2017（2）：4-8.