光伏新能源開發(fā)在中油公司油田生產中的應用研究

白廣良

摘?要：隨著光伏新能源的蓬勃發(fā)展，其應用也變得越來越廣泛，在不同的領域中應用，它也顯示著不同的特色與特性，在中石油集團公司各大油氣開采井場空地的創(chuàng)新性應用體現(xiàn)出它的雙向特性和資源整合效益與效率，它在油田電力生產中，具有伴生能源-共生能源的性質，體現(xiàn)出了它的非凡的開采價值。

關鍵詞：光伏;新能源;伴生能源;共生能源;中油能源開發(fā)

中圖分類號：TB?文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.27.073

1?光伏發(fā)電優(yōu)勢及現(xiàn)狀簡介

1.1?光伏發(fā)電優(yōu)勢

1.1.1?陽光資源充足便捷又方便

太陽能是一種完全由太陽供能的可再生的“綠色”能源，它在每一個小時，地球所吸收太陽的能量，就可以使得目前全球人類的能源需求獲得滿足。與需要提煉燃燒化石燃料、占地又費時的傳統(tǒng)能源不同，任何人都能購買和安裝太陽能組件并享受豐富的太陽能資源。因此從長遠來看，使用太陽能還可顯著的長期節(jié)約用電成本。

1.1.2?節(jié)省用電成本

安裝太陽能組件還可以顯著降低每月用電成本和對電網(wǎng)的依賴，其所帶來的能源獨立性和持續(xù)性可以使用戶免受用電成本上升及燃料價格上漲的壓力。而隨著科技的進步，光伏發(fā)電效率還將持續(xù)上升，這就使太陽能在未來仍是一項高收益的解決方案及長遠投資。

1.1.3?無碳環(huán)保、清潔安全

長期使用化石能源會產生大量的二氧化碳及污染物，導致多種疾病產生及氣候變化。二氧化碳的大量排放會造成全球氣溫升高、海平面上升以及生態(tài)失衡。

太陽能在將光能轉化為可用能源時，不產生二氧化碳及任何其它有害氣體，可作為可持續(xù)的無碳能源解決方案，對于減緩氣候變暖，避免對環(huán)境的進一步損害非常重要。

1.1.4?國際提倡、國家支持

隨著《巴黎協(xié)定》于2016年11月4日的正式生效之后，新能源和清潔能源發(fā)展成為世界說能源發(fā)展領域的大趨勢，光伏作為最具有普遍性的清潔能源將會得到快速的應用。我國全社會用電量增速基本都是在6.5%以上，而火電正在被替代、水電制約多發(fā)展慢、核能這方面還有安全的顧慮，未來這部分用電增量將大部分由風、光、燃氣等這三種清潔能源所承載，三者發(fā)電量增速將會超過20%，目前，每年投資額約7000億元以上，其中光伏是增長速度最快的能源之一。

1.2?國內目前發(fā)展現(xiàn)狀

2017年的光伏裝機量總量已經大幅超過業(yè)內人士的預期，前三季度，我國新增光伏裝機大約為43GW，同比增長了65.4%，累計裝機量約為120GW，同比又增長72.6%。其中新增分布式裝機15GW，同比也增長了300%以上，累計分布式光伏裝機量超過25GW，占比已經達到了21%，分布式裝機容量已經遠超預期。全年來看，光伏因分布式爆發(fā)新增裝機量預計將達到55GW。

根據(jù)中國國家能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃，中國到2020年以后，能源產出消費的非化石能源占一次能源消費總量將會超過15%。國家發(fā)改委、能源局發(fā)布的《能源生產和消費革命戰(zhàn)略（2016-2030）》提出，到2030年，非化石能源發(fā)電占總發(fā)電量的50%，到2050年要占全國消費總電量的70%-80%的區(qū)間之間，比起當前的占比水平仍差距不小，光伏及可再生能源的發(fā)展還有很大提升空間。2017年，中國光伏新增裝機達到近50吉瓦的歷史新高，光伏新能源開發(fā)的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2017年11月，國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合發(fā)布《關于開展分布式發(fā)電市場化交易試點的通知》，明確提出分布式發(fā)電就近利用清潔能源資源，應該實現(xiàn)完全市場化交易。分布式光伏沒有確定的指標瓶頸，“隔墻售電”也突破限制，電網(wǎng)代收電費不用再擔心違約問題。而且，市場已經獲得各種突破，出現(xiàn)了分布式“光伏+”等各種模式，有屋頂光伏、農光一體、漁光一體等，業(yè)內認為，分布式的爆發(fā)2017年僅是起點。

2?光伏發(fā)電的工作原理及申請流程

2.1?光伏新能源系統(tǒng)的工作原理

（1）太陽能電池板吸收太陽光后，將太陽輻射能轉換成直流電。

（2）太陽能逆變設備將直流電儲存在蓄電瓶或逆變成交流電，并入油田電網(wǎng)。

（3）電網(wǎng)對電能進行計量、調度和使用。

2.2?組件類型

目前常用的光伏組件主要分為兩種：單晶組件和多晶組件。

單晶組件：單晶組件將光能轉化為電能的效率更高，也更節(jié)省空間，而且設計美觀。

多晶組件：多晶組件生產過程便捷，性價比突出，是更經濟、普遍的選擇。

分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)：

分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是指采用光伏組件，將太陽能直接轉換為電能的需求側并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。此系統(tǒng)臨近用電需求側，所發(fā)電能有效利用，以35千伏及以下的電壓等級接入地方線路。

分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可以安裝在陽光充沛的地方。目前應用最為廣泛的是安裝在建筑物屋頂?shù)姆植际焦夥⒕W(wǎng)項目，學校、商場、醫(yī)院、民居、別墅、廠房、企事業(yè)單位各種空閑用地和滿足載荷要求的混凝土、彩鋼板和瓦片式屋頂均可安裝分布式光伏電站，體現(xiàn)了用電需求側的就地消費原則與優(yōu)勢。

2.3?申請流程

（1）提交申請后，供電企業(yè)會派人到現(xiàn)場勘察，然后會出臺一個詳細的方案措施，申請者根據(jù)方案措施來設計、購買質量好的太陽能發(fā)電板、逆變器、支架等，然后進行按照規(guī)程來安裝。之后供電企業(yè)來審核。在供電企業(yè)審核通過后，會派人安裝計量裝置、簽并網(wǎng)合同書，隨后進行并網(wǎng)和調試。

（2）供電企業(yè)免除收取系統(tǒng)的容量費，從并網(wǎng)申請到并網(wǎng)調試全程不收費，發(fā)電量既可以全部上網(wǎng)也可以全部自用。

3?光伏發(fā)電的收益率

北京、遼寧等地區(qū)都屬于第二資源區(qū)（國家根據(jù)光伏發(fā)電各地區(qū)補貼政策的不同而劃分）。

以北京為例來說明：

年平均光照：4.46kwh/m2/day

居民電價：0.52元/度，商業(yè)電價：0.79元/度

預估年發(fā)電量：4.46*10*365=16279度

（1）10kW“全額上網(wǎng)”模式。

預估年收益：16279*0.65=10581.35元

（2）商用10kW“全部自用”模式。

預估年收益：16279*（0.79+0.37）=18883.64元

綜上所述，在三類資源區(qū)內，采用“全部自用”模式的度電收益會遠高于“全額上網(wǎng)”模式，特別是在煤改電、用電量和用戶大量增加的當下，相信光伏發(fā)電的自發(fā)自用將會越來越多，而隨著光伏電站成本的下降，也必然會為光伏發(fā)電帶來廣闊的市場前景。

附光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)表、光伏電價分類表、各資源區(qū)電價表。

以和平陽光為例，光伏系統(tǒng)容量及規(guī)格參數(shù)表1。

4?光伏發(fā)電在中油公司各大采油廠的應用

每個采油廠都有數(shù)以百計的井站或獨立的井場，這些井場空地作為作業(yè)備用地，利用效率極低，又臨近電力需求側，所以完全可以充分利用其資源，以采油廠井場為單位進行光伏并網(wǎng)，實現(xiàn)利益多重化。

投資模式一：

一個普通井場50m×50m，2500平方米，約占地4畝，余地取666平米（一畝地），可安裝光伏扳100kW。純利潤可達18.88萬元。全采油廠設有井場700個，每年光伏效益可達700×18.88萬元=1.32億元。

投資規(guī)模：100kW需投資60萬，總投資為4.2億元。

投資模式二：

也可以分階段投資建設：

第一階段：在每條線路的末端取井場集中建設，每個電站規(guī)模在100萬元左右，總投資規(guī)模3000萬元，總效益規(guī)模1000萬元。

第二階段：在各個井場進行按容量及負荷大小分批建設，總效益規(guī)模2000萬元以上。

第三階段：增設附屬設備，集中油田公司的閑散用地、房頂?shù)?，繼續(xù)擴大分布式光伏電站的建設規(guī)模，總效益規(guī)模在5000萬元以上。

中國石油公司有數(shù)百個采油廠，井場無數(shù)，資源多多，只要充分利用，效益無法估量。

5?光伏系統(tǒng)對采油的積極影響

5.1?提高線路末端電壓，改善電壓質量

采油廠線路較長，供電半徑大，末端負荷重，電壓壓降大。例如雙五站線、雙七站線線路較長，末端電壓低，影響采油。

5.2?提高電機機械效率，減少渦流、銅損等線路損耗

采油廠抽油機所用動力系統(tǒng)為高轉差率雙速電機，這種電機的機械特性較軟，受負荷、電壓、電流的影響較大，因此能夠提高電機的機械效率，減少線損。

5.3?減少電力系統(tǒng)線損，提高設備的利用效率

采油廠所用電力經過兩次降壓和長距離輸送，再加上負荷大、電流大，使得電力系統(tǒng)線路損耗嚴重。有利于減少線損，降低絕緣老化速率，提高設備的利用率。

5.4?提高抽油機的轉動速率，提高采油速度

根據(jù)理論計算，在線路末端電壓質量得到改善后，電機的機械效率也得到提高，電動機輸入電壓降低，電動機轉速會降低，電動機的轉矩會大大降低（轉矩與電壓平方成正比）。機械效率提高了，同等的電能消耗，提高了電機的出力，電機轉速提高約5%，采油速度也相應提高，具體理論闡述見第7節(jié)。

6?光伏發(fā)電項目在油田電力生產的綜合線損與綜合效益分析

油田有大量的井場空地，臨近電力需求側，油田電網(wǎng)供電半徑較大，負荷較重。這些客觀條件成就了油田光伏新能源開發(fā)的特殊性質：

（1）光伏電能一度電在使用價格上等效于遠距離傳輸來的電能的兩度電。全國上網(wǎng)電價在0.38元度左右，商業(yè)用電在0.76元度左右，再加上容量費等因素，綜合線損為50%以上。所以光伏電自發(fā)自用，一度電相當于發(fā)電廠發(fā)出兩度電的價格。

（2）光伏電能獲得國家補貼額度達到發(fā)一度電獲得一度電的價格補貼。

（3）光伏電能改善用電質量，提高電機的運行效率，增大電機轉矩，提高采油速率。由于采油端負荷一定，線路末端電壓質量得到改善，電機電磁轉矩的大小與電壓的平方成正比。因此，轉速提高，提高了采油速度，改善了電動機的機械效率;電流降低，減少了銅損與鐵損的損耗。

（4）光伏電能節(jié)省了煤炭資源，減少了二氧化碳的排放量，具有重大的環(huán)保意義。光伏電一度電等效于遠距離傳輸?shù)幕鹆Πl(fā)電的2.5度，相當于0.3kg標準煤的消耗。少消耗了煤電也就減少了二氧化碳的排放量和不可再生資源的消耗。

（5）在油田生產中有井場空地，可以充分利用空間，充分利用設備，充分利用就近電力需求側，形成“三位一體”式綜合創(chuàng)效模式。

綜合以上五點，可以將井場光伏電廠等效看作為伴生能源-共生能源開發(fā)，在油田礦區(qū)井場組建光伏電廠，進行規(guī)范化設計和增加技術措施來輔助采油，光伏電能加上增油效益的綜合效益投資回報率初步估計應該在50%以上。也就是說，實際資金回轉周期為三年，綜合效益資金回報周期為兩年。該項目如此高的資金回報率除了與不斷的技術革新、成本的不斷下降和能源需求的不斷上升有關，也和國家不斷出臺的大力扶持鼓勵政策分不開的。

7?三相異步電機輸入電壓變化與電機機械特性之間的關系

7.1?電動機的機械特性

電動機的機械特性曲線，如圖2，高轉差率雙速電動機的機械特性較軟，它的軟特性是指電動機轉速n隨其轉矩的增加而急劇下降。其特點表現(xiàn)為當轉矩增大時轉速自動降低，起動轉矩大，其過載能力非常強，M和n的乘積基本不變，輸出功率變化較小。但過負荷容易降低機械效率，尤其是在壓降較大的線路，能耗與效率會大幅改變。

7.2?電機的人為機械特性

電機除了其固有的機械特性以外，當以實驗為目的的人為地改變其電機的某項電參數(shù)時，其機械特性也會隨之變化而改變，這種改變的機械特性被稱為人為機械特性。以目前中油公司采油廠所使用的雙速電動機為，當降低供電電壓時，由于空載轉速n0與電壓的平方成正比，轉差率比較高的電機的輸出效率容易受力矩的影響較大，因此電壓的變化對電機輸出功率的影響也比較大，目前中油公司使用的是雙速高轉差率電機，每條線路的負荷較重，供電半徑較大，因此，線路壓降對采油的影響比較大，光伏輔助采油系統(tǒng)相當于一個網(wǎng)格狀的電流源，能夠有效的補充電力需求和提升電壓，改善電流做功，對線路的壓降也有巨大的改善作用。

由以上機械特性曲線可以看出，在電流不變、轉矩不變的情況下，電壓升高，轉速就會大幅提高，同樣在相同的電流、相同的轉速的情況下，電壓升高，轉矩就會大幅提高，改善了電機的輸出效率，同時對于節(jié)能也有著重大的意義。

8?系統(tǒng)總結

光伏新能源開發(fā)在世界范圍內廣泛開展，但是在油田電力生產中，尤其是油田6kv電網(wǎng)的應用與開發(fā)，尚屬一項創(chuàng)新性的舉措，結合油田現(xiàn)場實際和客觀條件，它具有了其他領域所不具備的優(yōu)勢和不同凡響的性質-伴生與共生特性，其開采價值非同凡響，其后續(xù)新的構思和創(chuàng)新性思想會進一步激發(fā)對該伴生能源-共生能源的新創(chuàng)舉。

參考文獻

[1]常建生.檢測與轉換技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]彭宏才.電機原理及拖動[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3]邱關源.電路[M].北京：高等教育出版社，2006.