光伏發(fā)電系統(tǒng)在油田物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

薛廣民，趙世睿，馬建華

（1.南方石油勘探開發(fā)有限責(zé)任公司，海口 570216；2.北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 102206）

0 引言

近年來，隨著國家“節(jié)能減排”、“開發(fā)利用可再生能源”等號召的提出，以及一系列相關(guān)政策和法規(guī)出臺，太陽能在國內(nèi)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。太陽能供電技術(shù)作為一種高新技術(shù)，最早應(yīng)用于航空探險(xiǎn)等高端應(yīng)用場合，隨著各國的積極推動(dòng)，太陽能供電技術(shù)也得到了日新月異的發(fā)展，太陽能發(fā)電和太陽能供電技術(shù)日益走進(jìn)民用的場合[1]。在油田建設(shè)中，主要采取電網(wǎng)供電和電池供電方式，電池供電往往只能解決臨時(shí)的需要，適合功率負(fù)載小的設(shè)備單元，不能作為長期的供電電源；而采取電網(wǎng)供電方式存在諸多缺點(diǎn)：

1）供電方式為電纜輸送，工程施工困難，造價(jià)高昂。

2）系統(tǒng)維護(hù)不便，高壓輸送存在安全隱患，運(yùn)營成本高；安裝、組網(wǎng)困難。

光伏發(fā)電系統(tǒng)是清潔、無污染的可再生能源，安裝維護(hù)簡單，使用壽命長，可以實(shí)現(xiàn)無人值守，是新能源的領(lǐng)頭羊。最近幾年，太陽能在油田應(yīng)用越來越普遍，特別是在野外，太陽能電源系統(tǒng)正逐步取代一些傳統(tǒng)的電源設(shè)備，成為野外供電系統(tǒng)首選。

太陽能供電系統(tǒng)由太陽能光伏組件構(gòu)成的太陽能電池板、太陽能充電控制器、逆變器、蓄電池組構(gòu)成。在晴朗的白天，太陽能電池板把太陽的光能轉(zhuǎn)換為電能，給負(fù)載供電，同時(shí)對蓄電池組充電；在無光照時(shí)，太陽能發(fā)電不足，將由蓄電池組繼續(xù)給負(fù)載供電[2]。

油田開發(fā)屬于高能耗行業(yè)，開發(fā)利用可再生新能源、實(shí)施綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，既是企業(yè)自身發(fā)展的客觀要求，也是更好地承擔(dān)起油田企業(yè)節(jié)能減排的社會(huì)責(zé)任。本文以海南福山油田光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用方案為例，介紹太陽能在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用。

圖1 太陽能供電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the solar power system

圖2 無外電自噴井物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖Fig.2 No foreign gusher of Internet architecture diagram

表1 單井場物聯(lián)設(shè)備配置及設(shè)備功率表Table 1 Well site equipment configuration and equipment IOT power meter

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用方案

1.1 應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境

海南福山油田地處海南省西北部，屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候。全年日照時(shí)間長，輻射能量大，年平均日照時(shí)數(shù)2000h以上，太陽輻射量可達(dá)11～12萬卡，年平均氣溫23.8℃，最高平均氣溫28.6℃，最低平均氣溫17.7℃。為太陽能提供了良好的使用環(huán)境。福山油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)涵蓋了數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)等3大系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)部署在井站前端野外環(huán)境，需要提供220V交流電源。對于偏遠(yuǎn)井站，目前電網(wǎng)未能及時(shí)覆蓋。利用光伏太陽能供電構(gòu)建的無線通信和視頻監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)如下：

1）采用太陽能獨(dú)立供電，無線傳輸，徹底無線化。

2）組件靈活、小巧，方便安裝與組網(wǎng)。

3）交直流供電方式，滿足多種負(fù)載用電的需要。

4）安全性好，維護(hù)費(fèi)用少，綜合造價(jià)低。

綜上所述，采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可較好地解決偏遠(yuǎn)井站的電源供電問題。

1.2 供電需求分析

海南福山油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)涵蓋了油田90%生產(chǎn)區(qū)域的油氣井站及站場的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，涉及到單井油套壓、油溫、載荷、位移、電力量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和井站無線網(wǎng)絡(luò)通信的建設(shè)。針對偏遠(yuǎn)井站，采用了單套太陽能供電系統(tǒng)，給物聯(lián)設(shè)備進(jìn)行供電。單井場物聯(lián)設(shè)備配置及設(shè)備功率見表1。

計(jì)算方法：

負(fù)載工作電壓為220V交流，平均功率為100W，要求每天工作24h，最長連續(xù)陰雨天為3天，當(dāng)碰到第一個(gè)連續(xù)陰雨天后，蓄電池放空。在每天正常使用前提下，用多余發(fā)電量補(bǔ)充至下一次充滿的時(shí)間為3天，太陽能光伏組件采用Oasis高效率單晶硅。在海南采用35°斜面安裝，年平均日接受日照時(shí)間為5.2h，按此計(jì)算光伏方陣功率及蓄電池容量。

1.3 蓄電池組容量的計(jì)算[3]

在同一年內(nèi)的不同月份中，太陽能方陣發(fā)電量有很大差別。在發(fā)電量不能滿足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補(bǔ)足；在發(fā)電量超過用電需要的月份，蓄電池可將多余的電能儲(chǔ)存起來。綜上所述，方陣發(fā)電量的不足和過剩值，是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。同樣，連續(xù)陰雨天期間的負(fù)載用電也必須由蓄電池供給。所以，連續(xù)陰雨天期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。

蓄電池的容量BC計(jì)算公式為

蓄電池容量BC：

BC=A×QL×NL×To/DOD=1.1×100Ah×3d×1/0.75=440Ah

式中：A為安全系數(shù)，取1.1～1.4之間。

QL為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)。

NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù)。

TO為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2。

DOD為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.7～0.8，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。

1.4 太陽能電池方陣設(shè)計(jì)

1）太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)NS

將太陽能電池組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來，就可獲得所需要的工作電壓，但是，太陽能電池組件的串聯(lián)數(shù)必須適當(dāng)，太陽能電池組件公稱電壓要與蓄電池組的公稱電壓相匹配。

計(jì)算方法如下：

NS=US/UM=24V/24V=2

式中：US為系統(tǒng)直流工作電壓，UM為單塊太陽能電池組件公稱電壓。

2）太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)NP

要計(jì)算出太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)NP，要按照以下步驟來計(jì)算。

①標(biāo)準(zhǔn)180Wp太陽能電池組件日發(fā)電量Qp

Qp=Ioc×H×CzAh(4)=5A×5.2h×0.9=23.4Ah

式中：Ioc為太陽能電池組件最佳工作電流。

H為太陽能平均日照小時(shí)數(shù)（5.2h）。

Cz為修正系數(shù)，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失，一般取0.9。

②最長連續(xù)陰雨天之后至重新充滿的間隔天數(shù)Nw，此數(shù)據(jù)為本設(shè)計(jì)之獨(dú)特之處，主要考慮要在此段時(shí)間內(nèi)將虧損的蓄電池電量補(bǔ)充起來，需補(bǔ)充的蓄電池容量Bcb為

Bcb=A×QL×NLAh=1×100Ah×3d=300Ah

③太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np的計(jì)算方法為

Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）=（300Ah+3d×100Ah）/(23.4×3d)=8.55

式中：Bcb為蓄電池在連續(xù)3天陰雨天后需補(bǔ)充的容量。

Nw為兩組連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)，是蓄電池虧電后恢復(fù)時(shí)間，這里取3天。

QL為負(fù)載每天的耗電量。

QP為180W太陽能電池組件在海南地區(qū)每天發(fā)電量。

式中的表達(dá)意為：并聯(lián)的太陽能電池組組數(shù)，在兩組連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)內(nèi)所發(fā)電量，不僅供負(fù)載使用，還需補(bǔ)足蓄電池在最長連續(xù)陰雨天內(nèi)所虧損電量。

3）太陽能電池方陣的功率計(jì)算

根據(jù)太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù)，即可得出所需太陽能電池方陣的功率P：

P=Po×Ns×Np

Wp=180W×1×8.55=1539Wp

式中：Po為太陽能電池組件的額定功率，這里是采用180Wp太陽能電池組件。

4）計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果：該負(fù)載需太陽能電池方陣功率為1539Wp以上，蓄電池容量為24V440Ah以上。

設(shè)備選定：最后考慮逆變效率94%，太陽能電池方陣功率選用1800Wp（180Wp×6塊），蓄電池組采用2V、800Ah×24塊串聯(lián)。

2 結(jié)束語

太陽能光伏技術(shù)的開發(fā)和規(guī)模化應(yīng)用，是油田節(jié)能減排規(guī)劃的重要組成部分，也是油田實(shí)施綠色、低碳發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。

本文介紹的光伏發(fā)電系統(tǒng)在福山油田的偏遠(yuǎn)井場取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果，通過光伏發(fā)電系統(tǒng)可為無線通信設(shè)備和視頻監(jiān)控設(shè)備及數(shù)據(jù)采集RTU控制器供電。在福山油田偏遠(yuǎn)井場的建設(shè)中，該方案的實(shí)施有如下優(yōu)勢：

1）單井口數(shù)據(jù)采集設(shè)備可全部采用無線儀器儀表，因此物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)可以擺脫線纜的束縛，實(shí)現(xiàn)快速安裝，具有施工時(shí)間短、投入低、效果好的優(yōu)點(diǎn)。

2）采用光伏發(fā)電系統(tǒng)可以擺脫山地、森林、河流、開闊地等特殊地理環(huán)境的限制，無須考慮電源線及通信光纜的布線和施工問題。

3）縮短布線工程周期，降低施工成本。

未來，福山油田將與光伏太陽能技術(shù)相關(guān)企業(yè)合作，利用國內(nèi)領(lǐng)先的光伏技術(shù)、生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)集成經(jīng)驗(yàn)，在油氣田開發(fā)及油氣管道工程中將可再生新能源科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，在共同合作研究開發(fā)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目中獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]孟強(qiáng).太陽能光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J].安徽科技,2010,1.

[2]曹太強(qiáng).光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2011.

[3]洪彬倬,聶一雄.太陽能發(fā)電技術(shù)綜述[A].