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中油公司油田生产中光伏新能源开发的应用研究分析

2020-08-17 117 上传者：管理员

摘要：随着光伏新能源的蓬勃发展,其应用也变得越来越广泛,在不同的领域中应用,它也显示着不同的特色与特性,在中石油集团公司各大油气开采井场空地的创新性应用体现出它的双向特性和资源整合效益与效率,它在油田电力生产中,具有伴生能源-共生能源的性质,体现出了它的非凡的开采价值。

关键词：
中油能源开发
伴生能源
光伏
共生能源;
新能源
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1、光伏发电优势及现状简介

1.1 光伏发电优势

1.1.1 阳光资源充足便捷又方便

太阳能是一种完全由太阳供能的可再生的“绿色”能源,它在每一个小时,地球所吸收太阳的能量,就可以使得目前全球人类的能源需求获得满足。与需要提炼燃烧化石燃料、占地又费时的传统能源不同,任何人都能购买和安装太阳能组件并享受丰富的太阳能资源。因此从长远来看,使用太阳能还可显著的长期节约用电成本。

1.1.2 节省用电成本

安装太阳能组件还可以显著降低每月用电成本和对电网的依赖,其所带来的能源独立性和持续性可以使用户免受用电成本上升及燃料价格上涨的压力。而随着科技的进步,光伏发电效率还将持续上升,这就使太阳能在未来仍是一项高收益的解决方案及长远投资。

1.1.3 无碳环保、清洁安全

长期使用化石能源会产生大量的二氧化碳及污染物,导致多种疾病产生及气候变化。二氧化碳的大量排放会造成全球气温升高、海平面上升以及生态失衡。

太阳能在将光能转化为可用能源时,不产生二氧化碳及任何其它有害气体,可作为可持续的无碳能源解决方案,对于减缓气候变暖,避免对环境的进一步损害非常重要。

1.1.4 国际提倡、国家支持

随着《巴黎协定》于2016年11月4日的正式生效之后,新能源和清洁能源发展成为世界说能源发展领域的大趋势,光伏作为最具有普遍性的清洁能源将会得到快速的应用。我国全社会用电量增速基本都是在6.5%以上,而火电正在被替代、水电制约多发展慢、核能这方面还有安全的顾虑,未来这部分用电增量将大部分由风、光、燃气等这三种清洁能源所承载,三者发电量增速将会超过20%,目前,每年投资额约7000亿元以上,其中光伏是增长速度最快的能源之一。

1.2 国内目前发展现状

2017年的光伏装机量总量已经大幅超过业内人士的预期,前三季度,我国新增光伏装机大约为43GW,同比增长了65.4%,累计装机量约为120GW,同比又增长72.6%。其中新增分布式装机15GW,同比也增长了300%以上,累计分布式光伏装机量超过25GW,占比已经达到了21%,分布式装机容量已经远超预期。全年来看,光伏因分布式爆发新增装机量预计将达到55GW。

根据中国国家能源发展“十三五”规划,中国到2020年以后,能源产出消费的非化石能源占一次能源消费总量将会超过15%。国家发改委、能源局发布的《能源生产和消费革命战略(2016-2030)》提出,到2030年,非化石能源发电占总发电量的50%,到2050年要占全国消费总电量的70%-80%的区间之间,比起当前的占比水平仍差距不小,光伏及可再生能源的发展还有很大提升空间。2017年,中国光伏新增装机达到近50吉瓦的历史新高,光伏新能源开发的发展潜力巨大。

2017年11月,国家发改委、能源局联合发布《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》,明确提出分布式发电就近利用清洁能源资源,应该实现完全市场化交易。分布式光伏没有确定的指标瓶颈,“隔墙售电”也突破限制,电网代收电费不用再担心违约问题。而且,市场已经获得各种突破,出现了分布式“光伏+”等各种模式,有屋顶光伏、农光一体、渔光一体等,业内认为,分布式的爆发2017年仅是起点。

2、光伏发电的工作原理及申请流程

2.1 光伏新能源系统的工作原理

(1)太阳能电池板吸收太阳光后,将太阳辐射能转换成直流电。

(2)太阳能逆变设备将直流电储存在蓄电瓶或逆变成交流电,并入油田电网。

(3)电网对电能进行计量、调度和使用。

2.2 组件类型

目前常用的光伏组件主要分为两种:单晶组件和多晶组件。

单晶组件:单晶组件将光能转化为电能的效率更高,也更节省空间,而且设计美观。

多晶组件:多晶组件生产过程便捷,性价比突出,是更经济、普遍的选择。

分布式光伏并网系统:

分布式光伏并网系统是指采用光伏组件,将太阳能直接转换为电能的需求侧并网发电系统。此系统临近用电需求侧,所发电能有效利用,以35千伏及以下的电压等级接入地方线路。

分布式光伏并网系统可以安装在阳光充沛的地方。目前应用最为广泛的是安装在建筑物屋顶的分布式光伏并网项目,学校、商场、医院、民居、别墅、厂房、企事业单位各种空闲用地和满足载荷要求的混凝土、彩钢板和瓦片式屋顶均可安装分布式光伏电站,体现了用电需求侧的就地消费原则与优势。

2.3 申请流程

(1)提交申请后,供电企业会派人到现场勘察,然后会出台一个详细的方案措施,申请者根据方案措施来设计、购买质量好的太阳能发电板、逆变器、支架等,然后进行按照规程来安装。之后供电企业来审核。在供电企业审核通过后,会派人安装计量装置、签并网合同书,随后进行并网和调试。

(2)供电企业免除收取系统的容量费,从并网申请到并网调试全程不收费,发电量既可以全部上网也可以全部自用。

3、光伏发电的收益率

北京、辽宁等地区都属于第二资源区(国家根据光伏发电各地区补贴政策的不同而划分)。

以北京为例来说明:

年平均光照:4.46kwh/m2/day

居民电价:0.52元/度,商业电价:0.79元/度

预估年发电量:4.46*10*365=16279度

(1)10kW“全额上网”模式。

预估年收益:16279*0.65=10581.35元

(2)商用10kW“全部自用”模式。

预估年收益:16279*(0.79+0.37)=18883.64元

综上所述,在三类资源区内,采用“全部自用”模式的度电收益会远高于“全额上网”模式,特别是在煤改电、用电量和用户大量增加的当下,相信光伏发电的自发自用将会越来越多,而随着光伏电站成本的下降,也必然会为光伏发电带来广阔的市场前景。

附光伏发电系统规格参数表、光伏电价分类表、各资源区电价表。

以和平阳光为例,光伏系统容量及规格参数表1。

表1和平阳光户用光伏发电系统

图1各地区电价补贴情况表

表22018年全国光伏发电上网电价表

4、光伏发电在中油公司各大采油厂的应用

每个采油厂都有数以百计的井站或独立的井场,这些井场空地作为作业备用地,利用效率极低,又临近电力需求侧,所以完全可以充分利用其资源,以采油厂井场为单位进行光伏并网,实现利益多重化。

投资模式一:

一个普通井场50m×50m,2500平方米,约占地4亩,余地取666平米(一亩地),可安装光伏扳100kW。纯利润可达18.88万元。全采油厂设有井场700个,每年光伏效益可达700×18.88万元=1.32亿元。

投资规模:100kW需投资60万,总投资为4.2亿元。

投资模式二:

也可以分阶段投资建设:

第一阶段:在每条线路的末端取井场集中建设,每个电站规模在100万元左右,总投资规模3000万元,总效益规模1000万元。

第二阶段:在各个井场进行按容量及负荷大小分批建设,总效益规模2000万元以上。

第三阶段:增设附属设备,集中油田公司的闲散用地、房顶等,继续扩大分布式光伏电站的建设规模,总效益规模在5000万元以上。

中国石油公司有数百个采油厂,井场无数,资源多多,只要充分利用,效益无法估量。

5、光伏系统对采油的积极影响

5.1 提高线路末端电压,改善电压质量

采油厂线路较长,供电半径大,末端负荷重,电压压降大。例如双五站线、双七站线线路较长,末端电压低,影响采油。

5.2 提高电机机械效率,减少涡流、铜损等线路损耗

采油厂抽油机所用动力系统为高转差率双速电机,这种电机的机械特性较软,受负荷、电压、电流的影响较大,因此能够提高电机的机械效率,减少线损。

5.3 减少电力系统线损,提高设备的利用效率

采油厂所用电力经过两次降压和长距离输送,再加上负荷大、电流大,使得电力系统线路损耗严重。有利于减少线损,降低绝缘老化速率,提高设备的利用率。

5.4 提高抽油机的转动速率,提高采油速度

根据理论计算,在线路末端电压质量得到改善后,电机的机械效率也得到提高,电动机输入电压降低,电动机转速会降低,电动机的转矩会大大降低(转矩与电压平方成正比)。机械效率提高了,同等的电能消耗,提高了电机的出力,电机转速提高约5%,采油速度也相应提高,具体理论阐述见第7节。

6、光伏发电项目在油田电力生产的综合线损与综合效益分析

油田有大量的井场空地,临近电力需求侧,油田电网供电半径较大,负荷较重。这些客观条件成就了油田光伏新能源开发的特殊性质:

(1)光伏电能一度电在使用价格上等效于远距离传输来的电能的两度电。全国上网电价在0.38元/度左右,商业用电在0.76元/度左右,再加上容量费等因素,综合线损为50%以上。所以光伏电自发自用,一度电相当于发电厂发出两度电的价格。

(2)光伏电能获得国家补贴额度达到发一度电获得一度电的价格补贴。

(3)光伏电能改善用电质量,提高电机的运行效率,增大电机转矩,提高采油速率。由于采油端负荷一定,线路末端电压质量得到改善,电机电磁转矩的大小与电压的平方成正比。因此,转速提高,提高了采油速度,改善了电动机的机械效率;电流降低,减少了铜损与铁损的损耗。

(4)光伏电能节省了煤炭资源,减少了二氧化碳的排放量,具有重大的环保意义。光伏电一度电等效于远距离传输的火力发电的2.5度,相当于0.3kg标准煤的消耗。少消耗了煤电也就减少了二氧化碳的排放量和不可再生资源的消耗。

(5)在油田生产中有井场空地,可以充分利用空间,充分利用设备,充分利用就近电力需求侧,形成“三位一体”式综合创效模式。

综合以上五点,可以将井场光伏电厂等效看作为伴生能源-共生能源开发,在油田矿区井场组建光伏电厂,进行规范化设计和增加技术措施来辅助采油,光伏电能加上增油效益的综合效益投资回报率初步估计应该在50%以上。也就是说,实际资金回转周期为三年,综合效益资金回报周期为两年。该项目如此高的资金回报率除了与不断的技术革新、成本的不断下降和能源需求的不断上升有关,也和国家不断出台的大力扶持鼓励政策分不开的。

7、三相异步电机输入电压变化与电机机械特性之间的关系

7.1 电动机的机械特性

电动机的机械特性曲线,如图2,高转差率双速电动机的机械特性较软,它的软特性是指电动机转速n随其转矩的增加而急剧下降。其特点表现为当转矩增大时转速自动降低,起动转矩大,其过载能力非常强,M和n的乘积基本不变,输出功率变化较小。但过负荷容易降低机械效率,尤其是在压降较大的线路,能耗与效率会大幅改变。

图2异步电动机的机械性曲线

图3降低供电电压时的异步电动机人为机械特性曲线

7.2 电机的人为机械特性

电机除了其固有的机械特性以外,当以实验为目的的人为地改变其电机的某项电参数时,其机械特性也会随之变化而改变,这种改变的机械特性被称为人为机械特性。以目前中油公司采油厂所使用的双速电动机为,当降低供电电压时,由于空载转速n0与电压的平方成正比,转差率比较高的电机的输出效率容易受力矩的影响较大,因此电压的变化对电机输出功率的影响也比较大,目前中油公司使用的是双速高转差率电机,每条线路的负荷较重,供电半径较大,因此,线路压降对采油的影响比较大,光伏辅助采油系统相当于一个网格状的电流源,能够有效的补充电力需求和提升电压,改善电流做功,对线路的压降也有巨大的改善作用。

由以上机械特性曲线可以看出,在电流不变、转矩不变的情况下,电压升高,转速就会大幅提高,同样在相同的电流、相同的转速的情况下,电压升高,转矩就会大幅提高,改善了电机的输出效率,同时对于节能也有着重大的意义。

8、系统总结

光伏新能源开发在世界范围内广泛开展,但是在油田电力生产中,尤其是油田6kv电网的应用与开发,尚属一项创新性的举措,结合油田现场实际和客观条件,它具有了其他领域所不具备的优势和不同凡响的性质-伴生与共生特性,其开采价值非同凡响,其后续新的构思和创新性思想会进一步激发对该伴生能源-共生能源的新创举。

参考文献：

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白广良.光伏新能源开发在中油公司油田生产中的应用研究[J].现代商贸工业,2020,41(27):158-160.