风网互补供电系统在油田的应用

1 概述

国家“十一五”规划明确提出节能减排目标：到2010年实现单位GDP能耗降低约20%，主要污染物排放减少10%.风能作为无污染的可再生能源，被认为是一种有效的节能减排措施。据国家发展规划提出的目标，到“十一五”末期，全国风电总装机容量将达到500万千瓦，2008年3月18日发改委在其网站上发布《可再生能源“十一五”规划》，规划中指出，在“十一五”期间，全国新增风力发电装机容量约为900万千瓦，到2010年全国风电总装机容量达到1000万千瓦。规划中风力发电发展目标翻了一番，很大程度上要归功于风力发电在2008年在中国的迅猛发展。由此说明，国家对风电十分重视，是能源发展方向之一。油田企业是能耗大户，如何实现节能减排目标，是一个值得关注的问题。

2 目前油田节能形势

（1）随着油田含水率的增加，用电成本已经达到采油总成本的30%以上，同时电价持续上涨，因而节约用电迫在眉睫。

（2）考虑到负载的不均衡，包括抽油机的启动、油井作业和井深不同的需要，抽油机配备的电机功率一般较大，导致功率因数过低，无功功率增大，电能耗费增大。

（3）由于抽油机在上下冲程工作负载的周期性变化，使电动机在电驱动和发电两个状态之间转换，造成供电波动，难以选择合理容量的电动机。

（4）抽油机机采参数随井下情况需及时调整,现有调整皮带轮方法耗时费力,达不到理想的效果,影响生产还比较费电。

3 风网互补供电节能技术路线及关键技术

本文所述项目采用WGPS系列风网互补智能供电系统，是利用网电和风电同时直接对抽油机进行供电的装置。

当有风电时，该系统首选风能供电，若风能不能满足抽油机设备用电量,则网电自动补缺，若风能过剩，系统可将多余的电能回馈电网。若无风时，则抽油机的用电全部由网电自动来承担。

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。

风网互补智能供电系统关键技术：

一是风机安全保护技术；二是优先使用风电，网电作为补充，确保风电全部被利用技术；三是抽油机倒发电回馈技术；四是结合油田供液情况，可将风电逆变成所需频率的交流电，实现不停机无级调节生产参数；五是风电、网电自动计量技术等。

该系统构思新颖，巧妙地解决了风电、网电自动互补的技术难关。充分利用风能可再生能源，就近发电，自产自用，与一般上网型风机相比较，减小了上网输送等设备投资和中间环节。与一般离网型风机相比，不需要蓄电池电能储存，降低了投资成本。

该系统还具有风力利用率高，安装简捷，一次投资可多可少灵活性好、回收期短、运行安全可靠、性能稳定、供电质量好、可无人值守、远程无线监测，管理费用低等特点。

4 实施方案

4.1 总体实施方案

通过对采油厂各采油区的现场调研，发现采油设备密集，地质基础好，方便管理，所以将风网互补供电系统安装于这个区域，可以充分利用该系统的优势，利用风能达到良好的效果。

通过对采油厂各采油区的现场调研，抽油机平均有功功率为10kW以下，采油设备密集且24h连续运转；根据风网互补供电系统特点，风电不上网，即发即用，合理设置输电距离和负载，减少输电损耗，因此，我们选用25kW风力发电机和2台或3台抽油机组建风网互补供电系统；因现场地质为沉积沙土比较松软，所以选用了行架式风机塔架，保证风力发电机平稳正常运行。

项目采用了创统针对油田企业主要作业设备抽油机开发的风网互补供电系统产品。项目安装于采油厂区域22口油井，由以下部件构成：

（1）风力发电机组9套

风力发电机组共9套，额定发电量为25kW/台，最大发电量30kW/台，把风能转变为交流电能。

（2）风力发电控制箱9台

每个风机配备一台，该装置有控制风机运转功能，自动监测母线电压，自动卸载，自动偏航、折尾、停机；控制器把风机的交流电能转换为直流电，输送到直流母线上。

（3）抽油机风网互补供电控制箱22台

每台抽油机配备一台，该装置自动实现风电与网电无缝自动互补，对抽油机24小时进行供电，并具有变频功能；当逆变器有需要维护、检修或故障时可自动或手动切换为网电供电，不会因维修造成抽油机停机影响生产。为防备风力发电过剩以及抽油机下冲程倒发电问题，控制箱设置了能量回馈单元，可将多余电量回馈到低压电网中。

本项目设备配置如表1所示。

4.2 具体实施方案

风网互补智能供电系统：

产品采用高效低速永磁发电机组，在不需要改变抽油机现场配电线路的情况下，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（如图1所示）。

4.2.1 风力发电机组

（1）风力发电机组原理介绍

采用上风向水平轴，三桨叶风轮，直接驱动低速永磁发电机，输出三相交流电；尾翼对风调向，以折尾偏航方式限制风轮转速，以电控自动折尾和刹车机构实现大风停机保护，以手动机械做辅助停车机构。

风力发电机组包括风力发电机、基础、输电线路、电气系统四大部分，风力发电机主要由风轮、发电机、机舱、尾舵、限速机构、制动装置、塔架（杆）等组成。其外形如图2所示。

把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下进行旋转发电。

风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。

风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。

限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。

塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。

风能密度不考虑风力机械的利用系数，单位面积获得的风功率称为风能密度，并以此表征某地风能潜力的大小：

W=0.5ρv3(W/m2)（1）
推动风力机械运转的风能功率是：
P1=0.5ρv3F(W)（2）
式中：ρ—空气质量密度（kg/m3）；
v—风速(m/s)；
F—风力机械叶轮扫掠的面积(m2).

由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风轮的实际功率应为：

P=0.5ρv3FCP(W)（3）

式中：CP—风能利用系数，即风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积F全部风的动能比值.

以水平轴风力机械为例，理论上最大风能利用系数约为0．593，但如果考虑到风速变化和桨叶空气动力损失等因素，风能利用系数能达到0．4就已经比较高了。

风能密度有直接计算和概率计算两种方法。近年来，各国的风能计算中，大多采用概率计算中的韦泊尔（Weibull）分布来拟合风速频率分布方法，计算风能密度。

（2）风力发电机组控制方式介绍

1）风力发电机采用尾翼对风调向，输出三相交流电经全桥整流，采用跟踪直流母线电压方式自动控制。
2）风速12～25m/s范围，风力发电机采用机械装置自动偏航，实现调控。
3）当风速大于25m/s时，风力发电机机采用电控装置自动偏航，并折尾停机。
4）以手动控制（机械和电力）实现风力发电机停车。

（3）风力发电机组基本参数介绍

1）风力发电机组基本参数介绍（如表2所示）：
2）风力发电机组发电功率曲线（见图3）：

（4）风力发电机组特点

1）系统免维护设计,全自动运行；
2）风洞试验翼型选择,空气动力学优化设计；
3）超容量、超耐压的电机设计；
4）多种转速控制技术、偏航、电磁制动；
5）控制系统，多重安全保护。

4.2.2 风力发电控制箱

风力发电控制箱是风网互补供电系统中风力发电控制部分,外形如图4所示。

（1）风力发电控制箱功能

1）将风力发电机输出的3相交流电整流成直流，输送到直流母线上；

2）自动监测风力发电机输出电压，当风速大或负载用电少时，风机输出电压高于保护值时，将自动卸荷，如果电压继续上升，达到偏航电压时，控制器自动启动折尾电机，进行偏航保护，当电压跌落到设定值时，停止偏航；当折尾达到设定最大角度时，刹车系统动作，将风机停止。

3）控制器在风力发电的输出端安装了电能计量表，可以方便的计量风力发电机组向抽油机输送的电能。

（2）风力发电控制箱工作原理

风力发电控制箱工作原理如图5所示。

1）当风速小于3m/s以下，风力发电机不能有效发电时，抽油机的电力供应全部来自电网。

2）当风速大于3m/s以上时，风力发电机开始发电，风力发电机发出的三相交流电的电压与频率是与风速有关的，风速越高输出电压，频率也随着升高，如输出电压高于电网电压时,风力发电机的输出电压经风电输入开关与风电供电控制开关，送至风电整流器，然后再经直流平滑 电抗器，并联到直流供电母线。

3）风力发电机的发电量是与风速有关的，风速越高发电量越大，由于风能的不连续性及不稳定性，如果在对风能不储存的条件下，当网电停电时只依靠风能，是不能满足设备正常工作的。所以网电出现停电现象时，发电机会同时自动切断对设备的供电电路，并将发出的电能卸放到卸荷装置中，确保抽油设备的安全，风力发电机又得到了可靠安全保护。

（3）风力发电控制箱主要技术指标

1）输入电压：0～500VAC
2）风电输入频率:0～60Hz
3）风力发电机限压保护值：700VDC+1%
4）停电保护：当电网停电时，同时自动切断风电供电线路，将风电卸放到卸荷装置中。保护动作时间≤0.5s
5）防护型式：IP22
6）绝缘等级：B级
7）噪音：<60dB
8）过载能力：110%连续
9）运行环境：-20℃~45℃，相对湿度≤90%

4.2.3 抽油机风网互补智能供电控制箱

抽油机风网互补智能控制箱是风网互补供电系统中抽油机供电控制部分,外形如图6所示。

（1）抽油机供电控制箱功能

1）自动实现风电与网电无缝自动互补，对抽油机进行24h不间断供电；
2）具有变频功能，可根据油井井下具体情况，通过调节输出频率的方法，方便快捷的调节机采参数；
3）当逆变器有需要维护、检修或故障时可自动或手动切换为网电供电，不会因维修造成抽油机停机影响生产；
4）为防备风力发电过剩，以及抽油机不平衡倒发电问题，控制箱设置了能量回馈单元，可将多余电量回馈到低压电网中。

（2）抽油机供电控制箱工作原理（如图7所示）

当风力发电机输入电压高于电网电压时，风电经风网互补输入单元到变频器输出给抽油机供电；当风力发电机输出电压低于电网电压时，网电经风网互补输入单元到变频器输出给抽油机供电,从而实现了风网互补的供电功能;当变频器故障时,系统自动转入网点旁路运行;抽油机不用电或倒发电时,倒发电和多余的风电经能量回馈单元回馈到低压电网中。

该系统变频器控制采用空间矢量脉宽调制，空间矢量脉宽调制(Space Vector PWM,SVPWM)技术最初是应用于三相交流调速控制系统中，以三相对称正弦电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通矢量去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果控制逆变器的开关序列，从而形成PWM波形。由于器件与控制手段的限制，空间矢量PWM技术的实现与广泛应用却只是近十年的事。与以往各PWM技术相比，SVPWM技术具有直流电压利用率高、谐波成分更少且更易于数字化实现等众多优点，是继SPWM技术后又一热门逆变控制技术。

在油田的生产中，抽油机是很普遍、应用很广的设备，游梁式抽油机因其安装、调试方便、成本低、效率高，而普遍为大多数油田应用，在生产中占有较大的比重。但是传统的抽油机采用工频控制、恒速运行。而油田在开采过程中，根据油井含油量的多少，经常要调节冲次。在油井的前期、中期、后期，含油量会有较大的不同，前期含油量丰富，要快抽，以提高产量;而后期含油量减少，要降低转速，采用缓抽。而原来采用工频控制，恒速运行，要调节冲次，只能根据运行情况，更换皮带轮，而使运行速度发生变化，从而改变运行冲程。但这种方式只能是有级调速，不能根据油量的多少随时、任意的平滑的调节转速。而且这种方式每次都需要停井，不仅耽误生产，而且费时、费力，劳动强度大，更换次数也有限。工频运行是全压启动，对电网、泵及机械部分冲击大，功率因数低，耗能严重，对电机保护不利，当出现沙卡、结蜡而负载重时，不能实施有效的保护，电机经常被烧毁。

随着科技的发展，变频器在调速、节能方面体现出的优势已为大家所普遍认同。不但实现了软起、软停，而且可根据用户的需要，平滑的改变电机的转速，对抽油机的节能改造来说是很适用的。但是由于抽油机是位能性负载，在平衡块下放(或驴头抬起时)，存在着再生发电状态(即所说的泵升电压)，其发出的电能通过逆变模块的续流二极管整流，倒灌回变频器的母线，严重时将会导致母线电压升高，使主电路器件(滤波电容、igbt模块)过压损坏，因此必须对这部分能量进行处理。

原来生产的变频器都是采用制动单元，用电阻耗能的方式将这部分能量消耗掉（如图8所示）。

这也起到了一定的效果。2006年以前的抽油机变频改造都是采用的这种方式。它实现了抽油机的软起、软停，随时、任意、平滑的调节电机的转速，从而调节了冲次，对于抽油机的节能改造起到了一定的作用，得到了油田企业的一致认可。

但是，随着技术的发展，处理泵升电压的方式也在不断地进步。采用回馈制动，实现电机的四象限运行，将泵升电压回送电网，减小变频柜的体积，减少耗能环节，进一步增强节能效果，这是油田对抽油机变频柜新的要求。

带回馈单元的变频器主电路如图9所示。

变频器仍采用原来的交—直—交工作方式，由整流、滤波、逆变三个环节组成。将回馈单元接于母线上，用单片机实时检测母线电压，并与基准电压相比较。当母线电压高于基准电压的1.1倍时，启动回馈单元，将高出的能量回送到变频器的输入端，即电网上。其中有几个关键问题需要注意。

1）同步问题

要想使回送的能量能正确无误的反馈到电网上，回送的波形相位与电网的相位同步是至关重要的问题。如不同步，回馈单元就将电网视为一个负载，而产生较大的问题，烧坏整流单元及相关器件，因此，保持相位同步是作好该类变频器的关键。

笔者分两步控制。一是控制部分（如下图10所示）。

从电网上接一个取样变压器(也可叫同步变压器)，经取样、放大、滤波后，其输出的正弦波形与单片机触发回馈单元模块的波形保持相位一致。用双踪示波器检测，其波形如图11所示。

而p点即为同步点。若不同步，可调节相应的偏置予以实现。

二是主电路部分。用双踪示波器检测回馈单元输出的波形和电网的波形，可用高压探针或衰减取样方式，找出三相电源与回馈输出的同相波形。二者才能接在同一相上，即如图12所示。

图12中，I为电网的波形，II为回馈输出的波形，二者在a点同步。若不同步，可调换电源或回馈单元的另一相，直至一致为准。

2）回馈滤波

回馈单元输出的是spwm波形，是按正弦规律变化的方波，并不是正弦波形，含有较多的高次谐波和杂波。这种波形施加到电网上，会造成对电网的污染。严重时会损坏同一电网内的相关设备。采用lc滤波的方式，如图13所示。

使输出尽量接近正弦波形，降低高次谐波和杂波成分，避免对电网的污染。

3）缓冲电路

按一般的规则，igbt模块是不宜直接接电源的。这正如变频器的输入、输出不能接反一样。一旦igbt的输出端直接接电网，必将造成igbt模块的损坏。而回馈单元模块输出要接电网，如何解决这一问题呢，这里加了缓冲电路即接触器c.

当刚上电时，交流接触器不动作，而靠电阻r对电容c充电，其时间常数与变频器对主电路的充电时间常数一致。待母线电压确立后，即变频器的整流滤波电压稳定后，再让交流接触器c吸和。这样，母线电压确立后，再接电网，就不会对I造成冲击而损坏了。而回馈单元输出端所接的lc滤波，一是滤波，其次也延缓了电网的电流冲击，因电感中的电流是不可突变的。

经现场应用，效果良好。经实测，该类变频器回馈波形良好，基本接近于正弦波，高次谐波不超过5%，符合国家标准，回馈电流为5a左右。如果回馈时滤波电抗器有轻微的“兹兹”声，是正常的。

与能耗制动相比:变频柜的体积缩小。原来耗能电阻占用空间较大，并且要加装风机给其散热。有的井发电量大时，会将耗能电阻烧的通红，时间长了甚至会烧断。而一旦烧断，将后果严重，会危及变频器的安全，使变频器损坏。采用全回馈的方式则没有这个限制，发电多少都回馈于电网，不会存在耗能电阻烧断的情况。

抽油机风网互补智能供电控制箱采用双变频技术，与普通变频柜的主要区别是可以把返回变频器直流环节的再生电能变换成一个和电网电源同步同相位的交流正弦波，经过滤波后把电能反馈回电网，再生利用（如图14所示）。

（3）抽油机风网互补供电控制箱的特点

1）改造时原拖动系统保持不变，实用性强。
2）软启动，降低工频启动造成的电机和电缆的绝缘老化，延长了设备的维修周期及使用寿命。
3）过流、过压、过载、缺相、短路、三相不平衡具有保护功能，提高了设备运行的稳定性。
4）能量回馈电网。采用双变频控制技术，能把负载轻重变化时电机产生的再生电能中97%的电能回馈电网，增加运行经济效益。
5）提高抽油机功率因数，降低无功功率。
6）独特的设计结构，变频主机做了防腐处理，具有防潮、防盐雾功能及运行温度在-20℃～45℃之间,提高抽油机运行的可靠性。
7）具有备用工频旁路系统，根据需要可转工频旁路运行，以保障正常生产。

（4）抽油机风网互补供电控制箱技术指标

1）风电输入电压：0～500VAC
2）网电输入电压：400VAC
3）网电输入频率：50Hz
4）停电保护：当电网停电时，同时自动切断风电供电线路，将风电卸放到卸载装置中。保护动作时间≤0.5s
5）防护型式：IP22
6）绝缘等级：B级
7）噪音：<60dB
8）过载能力：110%连续
9）运行环境：-20℃～45℃相对湿度≤90%
10）冷却方式：风冷

4.2.4 油井远程监测系统

（1）油井远程监测系统概述

油井远程监测系统包括抽油机参数远程监测、变频器运行监测、抽油机网电电能远程计量,风力发电机组发电远程计量,四个部分，其目的是利用无线GPRS现场监测，实现数据源头自动采集，借助油田现有网络资源自动共享到厂级网络中，为各级管理部门应用提供开放的数据平台，使生产和管理人员及时控制和掌握风网互补抽油机系统的动态，从而实现整个风网互补系统的自动化；并可以对取得的实时数据进行统计、分析、优化，从而为保证风力发电机,抽油机正常运转提供重要依据（如图15所示）。

（2）油井远程监测系统功能

1）数据采集功能（如图16所示）

a.可通过油井智能远传型电能计量箱采集抽油机三相电压、电流、有功功率、日用电量、累计电量；通过井口传感器采集抽油机井口压力、井口温度、停机等参数；通过风机控制箱电能计量表采集风机输出三相电压、电流、有功功率、日用电量、累计电量；然后进行相应的数据处理和存储，通过GPRS方式传递到中心主站通讯服务器。
b.对抽油机井故障、参数越限、给出报警信息。
c.具有数据掉电保护功能，可长期保存设定参数及历史数据。
d.远程实现对监测终端的参数配置和超限值的设定。
e.自动记录抽油机工作过程，开机时间和停机时间累计，保存历史信息。
f.具有电流、电压、温度、压力等参数的实时趋势、历史趋势功能，可方便地了解长时间的参数变化情况，方便快速分析。

2）数据处理功能

a.事项报警处理功能：系统对模拟量可分别设置报警上、下限，有效上、下限，当数据越限值时可生成报警记录。
b.数据保存周期可按不同数据类型设置为逢变即存、10min、30min、60min（保存周期应大于等于采集周期）。

（3）报表功能（如图17所示）

可自定义报表格式，可生成EXCEL报表,灵活处理数据。

（4）油井远程监测系统架构及原理

油井远程监测系统采用数据采集控制器、采油矿通讯服务器、实时数据库服务器、WEB服务器、监测浏览终端等组成，系统结构框如图18所示。

1）数据采集控制器

主要设备有:温度传感变送器、压力传感器变送器、载荷传感器、变频器通讯模块、电力计量通讯模块,GPRS通讯模块DTU；它们将抽油机的工作状态变换成对应的电压或电流值送至井口采集控制器（如图19所示）。

数据采集控制器将采集到的数据由通讯模块送至位于采油矿信息中心的通讯服务器。数据经处理后存入实时数据库。采油厂用户通过应用服务器获取系统服务，查询终端访问实时数据库获取数据。

2）通讯服务器

通讯服务器主要用于与数据采集控制器通讯，处理数据采集控制器采集的现场数据及在通讯过程中遇到的问题，以向系统提供有效的数据。通讯服务器软件应具备以下基本功能：

a.增/删终端：系统可支持多种类型的终端，例如抽油机井终端、风力发电机终端
b.配置终端通讯参数，包括通讯规约及属性，例如MODBUS-RTU规约
c.下发终端采集参数
d.按照终端的配置执行与终端的通讯过程和规约处理
e.将接受到的模拟量进行标度变换，转换为工程值
f.将处理过的数据存入实时数据库
3）查询终端计算机
a.生成客户终端画面
b.通过查询检测系统实时数据库，获取实时数据显示在地图背景上，使小队用户可以及时掌握风网互补系统供电情况。
c.提供维护实时/历史数据库的工具，进行数据备份。

（5）油井远程监测系统特点

1）系统兼容性强
该系统可以新增驱动来适应已有的监测系统或仪表。对于新增的系统，则采用标准的协议进行通信，实现新老系统的兼容，以利于将来系统的升级和扩展。

2）系统安全可靠性高
油井远程监测系统是油田生产单位的重要工具，必须具有一定的安全性保护，不允许外单位人员非法进入和操作。对通信方面则采用GPRS专用网络APN方式。其它的系统如果要访问此系统，必须通过网关建立链接，只能读取相应数据，不得进行控制。

3）系统实时性强
油井远程监测系统采用最新的通信和软硬件技术，建立了清晰和合理的系统架构，可以实现多线程的远程并发通信，在短时间内可以让抽油机、风力发电机数据实时传送到监测中心进行集中监视，实现故障信息的及时报警。

4）系统维护简单
油井远程监测系统具有极低的故障率，所以相应的维护量非常之小。系统的构架非常清晰，具有多个调试工具，以辨别其故障所在。

4.3 项目可靠性保障

（1）风网互补智能供电系统从开发、设计、生产、检验到用户处的安装调试以及售后服务，严格按照ISO9001质量管理体系实施。
（2）控制器结构上采用标准箱体结构，各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。
（3）电源系统完全采用 开关电源技术，各部分功能单元采用独立的供电措施，保证在某一部分发生故障时，其它部分仍能可靠运行。
（4）所有电路板以及功率模块单元在生产后全部要进行高低温循环试验、加电老化72h以上，以淘汰不合格品。
（5）企业标准Q/02 QCK014-2006作为风网互补供电系统的通用技术条件，要求每个系统出厂前不仅要经过严格的生产测试，而且还要在厂内带载运行，然后还要经过品质管理部门的全面检验才能出厂。
（6）产品设计寿命可达15年以上，保修4年。

5 项目运行情况及相关检测报告

5.1 项目运行情况

经过2年多的反复论证，该项目于2008年4月正式进入实施阶段。在采油厂各级领导的支持和帮助下，安装人员克服种种现场施工的问题，在不影响油田生产的情况下，经过几次的修改和调试后，使所有设备进入正常运行，项目自2008年7月开始安装调试以来，设备运行平稳正常，未出现过事故。

5.2 项目相关检测报告

中国石化油田企业能源检测中心于2008年6月19日和2008年12月4日，对青岛创统科技发展有限公司生产的F10-25kW型风力发电机在孤东采油厂安装使用时的性能参数以及WGPS25/30kW-I型抽油机风网互补供电控制箱（能量回馈变频柜）在抽油机井上安装使用时的节电效果进行测试。

通过中国石化油田企业能源检测中心测试得出，在正常生产的情况下，在孤东采油厂使用的1#FD-25kW型风力发电机组，切入风速为3.8m/s，低于4米/秒的额定切入风速，在5.5-11.5m/s的风速下，最大发电功率为26.5kW，达到额定输出功率指标；在孤东采油厂使用的5#FD-25kW型风力发电机组切入风速为3.9m/s，低于4m/s的额定切入风速，在4.1~12.7m/s的风速下，最大发电功率为30.2kW，达到额定输出功率指标，检测情况见表3.

通过中国石化油田企业能源检测中心测试得出，在正常生产的情况下，在孤东采油厂抽油机井上使用WGPS25/30-I型抽油机风网互补供电控制箱（能量回馈变频柜）与之前使用控制柜对比，结果见表4.

风力发电机测试数据（一）
2008年11月7日实测连续7小时风力发电数据见图20.
上午9:40-13:20，风速5~8m/s,发电功率13~27kW；下午13:20-17:00风下降，风速2.3~5.4m/s,发电功率0.37~15kW.
风力发电机测试数据（二）
2008年12月4日实测连续1分钟风力发电数据见图21.
风速4.1~12.7m/s，发电功率5~30.2kW；

6 节能效果、效益分析

6.1 直接效果、效益分析

（1）风力发电机组发电效果、效益分析

电费结算价按0.57元/千瓦时计；根据对22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；根据对22口油井抽油机安装前日用电量的统计，22口油井抽油机平均日用电量为229.44kW•h.

根据测试结果，得出F10~25kW型风力发电机组实测发电功率曲线见图22.

根据测试结果得出，FD-25kW型风力发电机组能够达到额定输出功率指标，按照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：FD-25kW型风力发电机组预计年发电总量为83698.9千瓦时，9台风力发电机组预计年发电总量年发电总量合计75.33万千瓦时，9台风力发电机组预计年发电效益合计42.94万元（见表6）。

（2）控制器节能效果、效益分析

根据测试结果得出，GPS25/30-I型抽油机风网互补供电控制箱（能量回馈变频柜）节电效果。
22台抽油机供电控制箱年节电总量：
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%×340×22=20.77（万千瓦时）
22台抽油机供电控制箱年节电效益：
0.57×20.77=11.84（万元）

（3）节约输电损失效果、效益分析

依据2008年1~6月份统计数据,南一线高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96.10万千瓦时，年节约网损6.13万千瓦时，年节省网损产生的输电费用3.50万元。

（4）系统总节电效果、效益分析

以上三项合计风网互补智能供电系统年节电总量：
22台抽油机供电控制器年节电总量+9台风力发电机年发电总量+年减少网损总量=20.77+75.33+6.59=102.23（万千瓦时）
风网互补智能供电系统年节电总效益：
0.57×102.23=58.27（万元）

（5）油井监测系统效果、效益分析（如表7~8所示）

根据2007～2008油井正常作业数据为统计基础，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，原油价格按照1800元/吨计，预计年增产效益19.88万元。

（6）原自控箱回收利用效果、效益分析

原抽油机控制箱被新的风网互补控制器替换下来后,可以回收用于其它油井使用,减少新控制柜投资,使设备资源得到充分利用,节约了油田资金。

原抽油机控制箱回收再利用减少新控制柜投资计算：
自动补偿自控控制箱 13台 单价1万元/台 合计13万元；
星三角启动控制箱 6台 单价0.5万元/台 合计3万元；
变频控制箱 3台 单价5万元/台 合计15万元；
22台原油井控制箱回收再利用收益合计31万元（见表9）。

6.2 间接效果、效益分析

该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。

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。

6.3 社会效益分析

作为可再生无污染的绿色能源，其环保意义必将越来越为人们重视。

按每千瓦时折合标准煤0.4kg计，每千瓦时所用煤排放二氧化碳0.997kg计，每千瓦时所用煤排放二氧化硫0.03kg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。风网互补智能供电系统设计使用寿命为15年。所以，项目产生减排效益如表10所示。

6.4 投资回收期计算

项目投资总额:312.8万元。
项目投资回收期为：（本项目投资总额-原自控箱回收收益）÷（系统年节电总效益+油井监测系统年增产效益）=（312.8-31）÷（58.27+19.88）=3.61年。

6.5 投入产出比计算

项目投资总额:312.8万元，设备使用寿命15年。
项目投入产出比为：
项目投资总额：[（系统年节电总效益+油井监测系统年增产效益）×15年+原自控箱回收收益]=312.8：[（58.27+19.88）×15年+31]=1：3.85.

7 技术创新

（1）在国内实现了风力发电直接在油田机采系统上的应用,并获得了国家发明专利。可以实现风电和网电的无缝互补，就地利用风能。

（2）本系统实现了一台风力发电机拖动多台抽油机设备，充分利用绿色环保的风能资源；而且抽油机控制箱内部装有变频器，变频输出可实现电机软启动和软停止，延长了机采设备的使用寿命；控制箱还设有能量回馈单元，可将风电多余电量及抽油机倒发电回馈到低压电网中，从而最大限度的节约了网电电能。

（3）该系统可在不停机的情况下,通过改变抽油机供电频率调整油井运行参数,可根据需要分别改变抽油机上下冲程运行频率,提高产油量。

（4）该系统控制器具有的无线远程监测功能，可以将采油设备的运行状况及相关运行数据通过无线数据传输传送给中心控制室，使用户可以对运行设备进行远程实时监测,减少设备故障等待时间,提高开井时率,提高产油量。

8 总结

风网互补智能供电系统在国内实现了风力发电在油田机采设备上的直接应用，填补了油田机采设备在风能利用方面的空白，一次投资，长期受益。风网互补智能供电系统为采油厂解决设备节能、延长抽油设备寿命、提高电机效率、提高出油率等长期以来难以解决的实际问题,提供了新的途径和方法。

随着节能减排工作的深入开展，该产品将会产生较大的经济效益和社会效益。作为可再生的、无污染的绿色能源，其环保意义必将越来越为人们重视。

据保守估计，在孤东地区尚有500台机采设备可以安装风网互补智能供电系统，如果大力推广，每年可产生经济效益1154.09万元，每年节约标准煤0.81万吨，减少二氧化碳排放2.02万吨。

总之，风网互补智能供电系统具有方案新颖、技术指标先进、运行可靠等特点，符合国家能源调整政策和国家环境保护政策的要求，为油田节能减排工作提供了切实有效的方法。在油田地区有广阔的市场前景，能产生良好的环境效益、经济效益和社会效益。