王振 張陽 呂林林 鐘麗珍

1國家管網(wǎng)集團(tuán)西南油氣管道有限責(zé)任公司南寧輸油氣分公司

2中國石油天然氣股份有限公司青海油田分公司管道處

山地管道監(jiān)視閥室一般地處偏遠(yuǎn)、人煙稀少地區(qū)，多采用無外電源設(shè)計(jì)，由太陽能發(fā)電裝置供電，用電負(fù)荷為三級。廣西地區(qū)以山地居多，部分管道閥室地勢較低，受樹木遮擋影響，日照時間短，太陽能板供電不足，使蓄電池長期處于欠飽和狀態(tài)，尤其陰雨天氣，蓄電池容量不足以供負(fù)載正常運(yùn)行，影響管道運(yùn)行安全。為避免設(shè)備掉電引起數(shù)據(jù)中斷，需要定期使用移動充電機(jī)為蓄電池充電，每次需兩人配合拆裝防爆配電箱和充電機(jī)，耗費(fèi)大量人力、物力和時間。因此，為保證閥室設(shè)備正常運(yùn)行，同時降低人員勞動強(qiáng)度，急需改造設(shè)計(jì)一種可靠的供電方案。

1 改進(jìn)方案

對于長輸管道監(jiān)視閥室，鑒于其所處位置社會依托匱乏，周邊樹木繁茂，自然條件苛刻，為解決供電問題，根據(jù)閥室地理位置和當(dāng)?shù)厝照諒?qiáng)度、年日照時間等氣象資料[1]，同時考慮經(jīng)濟(jì)適用因素，提出風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)加移動發(fā)電機(jī)供電的構(gòu)想，其不僅能為用電設(shè)備提供可靠的供電電源，而且能大幅縮減項(xiàng)目投資[2]。

1.1 工作原理

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電由三個單元組成，即能量采集單元、能量控制單元和能量儲存單元。能量采集單元由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能板組成。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定值時，扇葉開始旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為交流形式的電能，太陽能板在陽光照射下，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成直流形式的電能[3]。能量控制單元可根據(jù)日照強(qiáng)度、風(fēng)力大小及負(fù)載功率變化，對蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)。當(dāng)發(fā)電量不能滿足負(fù)載工作需要時，控制單元控制蓄電池放電供負(fù)載使用，保證供電連續(xù)性和穩(wěn)定性。能量儲存單元由閥控式鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，可儲存風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余電能和移動發(fā)電機(jī)提供的電能，起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有著無噪音、無污染、節(jié)能降耗、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可為用電負(fù)荷提供持續(xù)可靠的電力供應(yīng)。

1.2 設(shè)備選型

1.2.1 太陽能電池

太陽能電池是利用半導(dǎo)體PN 結(jié)的光生伏特效應(yīng)，受光照產(chǎn)生電動勢和電流。晶體硅是目前主流的光伏材料，其分為單晶硅和多晶硅。依據(jù)工信部《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2010年本）》要求，新建和改擴(kuò)建企業(yè)及項(xiàng)目產(chǎn)品中，多晶硅電池組件和單晶硅電池組件的最低光電轉(zhuǎn)換效率分別不低于17%和17.8%。目前，單晶硅商業(yè)化電池組件轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到17%～22%，其供電性能穩(wěn)定，相同容量下所需安裝面積更小，生產(chǎn)成本較高。相比而言，多晶硅商業(yè)化電池組件光電轉(zhuǎn)換效率為16%～19%，在其使用期內(nèi)轉(zhuǎn)換效率有一定衰減，但相對生產(chǎn)成本較低[4]。隨著近年來光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，綜合生產(chǎn)成本逐漸下降，故優(yōu)先選用光電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟的單晶硅太陽能電池組件[4]。

依據(jù)中國氣象局2019 年《中國風(fēng)能太陽能資源年景公報(bào)》數(shù)據(jù)，廣西全年陸地表面平均年水平面總輻照量為1 050～1 400 kWh/m2，以廣西河池（24.57N，108.12E）為例，全天候陸地表面日輻照量如圖1 所示，按月統(tǒng)計(jì)輻照量見表1（源于美國國家航空航天局NASA氣象數(shù)據(jù)）。

圖1 2019年日輻照量趨勢圖（24.57N，108.12E）Fig.1 Trend chart of daily irradiation in 2019（24.57N，108.12E）

表1 月總輻照量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of monthly total irradiation

參考CDP-S-GUP-EL-012-2015-2《油氣儲運(yùn)工程太陽能電源系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書》光伏極板容量計(jì)算方法，利用式（1）計(jì)算太陽能電池組件的總?cè)萘浚剑?）計(jì)算太陽能電池組件的串聯(lián)塊數(shù)，式（3）計(jì)算太陽能電池組件的并聯(lián)數(shù)。

式中：P為太陽能電池組件的總?cè)萘?，W；NS為太陽能電池組件的串聯(lián)塊數(shù)，塊；NP為太陽能電池組件的并聯(lián)塊數(shù)；WP為單塊太陽能電池組件的峰值功率，此處為310 W；U為系統(tǒng)額定電壓，V，此處為24 V；Upv為太陽電池組件額定電壓，V，此處為34.5 V；Pwh為負(fù)載日耗電量，Wh，參考《輸氣管道工程線路閥室設(shè)計(jì)規(guī)定》可知，閥室用電負(fù)荷通常情況下不大于500 W，一般情況下，監(jiān)視閥室用電負(fù)荷為10 W，負(fù)載電流為0.5 A，此處Pwh=10×24=240 Wh；Cwh為蓄電池放電總?cè)萘?，Wh，一般蓄電池的供電負(fù)荷需滿足閥室監(jiān)視控制主機(jī)、探測器、報(bào)警輸出設(shè)備正常運(yùn)行14 d的要求[5]，故此處Cwh=Pwh×14=3 660 Wh；Td為日照最差季節(jié)日標(biāo)準(zhǔn)小時數(shù)，h，根據(jù)表1數(shù)據(jù)，1月份太陽輻照量為最低（41.89 kWh/m2），相當(dāng)于月標(biāo)準(zhǔn)小時數(shù)41.89 h，計(jì)算當(dāng)月日標(biāo)準(zhǔn)小時數(shù)Td=41.89/31=1.35 h；η為太陽能電池組件發(fā)電量的修正系數(shù)，考慮效率、溫度、污垢等對組件發(fā)電量的影響[6]，此處取0.8；D為蓄電池深放電恢復(fù)周期（天），考慮蓄電池深度放電后需要盡快回充，此處按30 天恢復(fù)周期計(jì)算；I0為單塊太陽能電池組件的峰值電流，A，此處為5.01 A。

將數(shù)據(jù)代入式（1）～式（3）中，計(jì)算極板容量為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，此處選用2塊峰值功率為340 W、開路電壓41 V，轉(zhuǎn)化效率20.2%的半片單晶太陽能板組件，可滿足供電需求。

1.2.2 蓄電池

閥控密封式鉛酸蓄電池采用板柵結(jié)構(gòu)和多層極柱密封，適用于大電流放電，浮充壽命長，端子密封可靠。蓄電池儲備容量計(jì)算公式[2]

式中：C為蓄電池容量，Ah；Ld為負(fù)荷功率10 W；T為蓄電池后備時間，此處取336 h；Ve為蓄電池組額定電壓24 V，D為蓄電池最大放電深度，此處取80%；K為溫度系數(shù)，此處取1.61。

將數(shù)據(jù)代入式（4）計(jì)算，得出蓄電池最小儲備容量為281.75 Ah。故此處選用12 塊標(biāo)稱電壓2 V、額定容量300 Ah 閥控密封式鉛酸蓄電池，滿足供電需求。

1.2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

由于地球表面各點(diǎn)太陽光照強(qiáng)度的不同導(dǎo)致冷熱不均，熱空氣向上升形成低壓帶，冷空氣橫向切入低壓帶，從而形成空氣的對流運(yùn)動就是風(fēng)[7]。扇葉在風(fēng)的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)工作產(chǎn)生電能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“風(fēng)能-機(jī)械能-電能”的轉(zhuǎn)化。依據(jù)中國氣象局2019 年《中國風(fēng)能太陽能資源年景公報(bào)》數(shù)據(jù)，全年廣西地區(qū)地面10 m 高度年平均風(fēng)速較近10年均值偏小1.5%，廣西河池2019年地表10 m 處的風(fēng)速月平均值如圖2 所示（源于NASA氣象數(shù)據(jù)）。

圖2 2019年月平均風(fēng)速值Fig.2 Monthly average wind speed in 2019

根據(jù)發(fā)出功率不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以分為大功率風(fēng)機(jī)（＞1 MW）、中功率風(fēng)機(jī)（40 kW～1 MW）和小功率風(fēng)機(jī)（＜40 kW）三類，小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要旋轉(zhuǎn)的風(fēng)速最小要達(dá)到2 m/s[8]。依據(jù)圖2可知，地表10 m 處月平均風(fēng)速超過3 m/s 的月份共8個月，根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源情況，此處選用三葉片微風(fēng)式發(fā)電機(jī)，額定功率為600 W，啟動風(fēng)速3 m/s，以彌補(bǔ)陰雨天氣下所需的電能。

此外，為防止連續(xù)陰雨天氣引發(fā)蓄電池虧電，提高供電可靠性和穩(wěn)定性，從蓄電池組內(nèi)預(yù)留引自移動式發(fā)電機(jī)電源接口[9]，緊急情況下，可借助移動式發(fā)電機(jī)進(jìn)行應(yīng)急充電，保障設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 改造效果

太陽能板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和移動發(fā)電機(jī)采用獨(dú)立控制器為蓄電池供電，避免相互影響，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。通過觀測與比較，即使在廣西地區(qū)每年三月份的梅雨季節(jié)，風(fēng)光互補(bǔ)供電依然能夠保障閥室用電設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，閥室供電不足問題得以徹底解決，實(shí)踐效果良好。風(fēng)光互補(bǔ)供電改造的成功試點(diǎn)，消除了管道監(jiān)視閥室供電問題的安全隱患。

3 結(jié)束語

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)是將風(fēng)能和太陽能綜合起來利用，其彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)的缺陷。同時，由于風(fēng)光互補(bǔ)供電裝置占地面積小，節(jié)省征地費(fèi)用，其投資略低于常規(guī)供電線路[10]。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)安裝使用條件獨(dú)立，適用性強(qiáng)，能夠?yàn)殡姎庠O(shè)備提供多重供電保障，非常適合于偏遠(yuǎn)山地管道閥室使用。在今后長輸管道監(jiān)視閥室設(shè)計(jì)中，針對類似情況，風(fēng)光互補(bǔ)供電改造為設(shè)計(jì)階段提供了實(shí)踐參考。