太陽(yáng)能電池在海洋石油平臺(tái)上的應(yīng)用

魏春先 劉 琳 周 雷 徐建東

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

海上石油平臺(tái)遠(yuǎn)離陸地，使用陸地電網(wǎng)供電需要使用長(zhǎng)距離海纜，且受海纜電容影響，供電造價(jià)高，風(fēng)險(xiǎn)大。海上部分孤立生產(chǎn)設(shè)施人員操作少，用電負(fù)荷較小，配置發(fā)電機(jī)檢測(cè)、維護(hù)困難，使用太陽(yáng)能電池并配合使用儲(chǔ)能電池，可解決部分供電問(wèn)題。

本文基于某個(gè)海上生產(chǎn)設(shè)施使用太陽(yáng)能電池的項(xiàng)目，說(shuō)明太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能電池的計(jì)算和選型設(shè)計(jì)方法，以利于以后類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

1 項(xiàng)目概述

經(jīng)過(guò)“十二五”期間的建設(shè)，渤中區(qū)域設(shè)施能力已經(jīng)得到一定提升，在“十三五”末、“十四五”期間，隨著區(qū)域內(nèi)油田產(chǎn)量遞減，部分流程處理能力將閑置。鑒于此，油田生產(chǎn)部對(duì)區(qū)域內(nèi)資源統(tǒng)籌優(yōu)化利用進(jìn)行了立項(xiàng)研究。

某油田區(qū)域，生產(chǎn)平臺(tái)生產(chǎn)物流經(jīng)過(guò)海底管道輸送到FPSO的單點(diǎn)系泊，再輸送至FPSO進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，繼而將處理合格的原油通過(guò)拖輪船舶運(yùn)回陸地處理廠，將處理合格的干氣通過(guò)海底管道外輸至陸地終端。

考慮到該區(qū)域FPSO服役期長(zhǎng)，為降低操作風(fēng)險(xiǎn)，研究解脫FPSO的可行性，實(shí)現(xiàn)物流直接上岸，提高區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)設(shè)施的負(fù)荷率。FPSO解脫后，單點(diǎn)作為海底管道匯總設(shè)施將保留，將改造成無(wú)人值守平臺(tái)。

單點(diǎn)主要設(shè)施包括單點(diǎn)系泊系統(tǒng)裝置、單點(diǎn)工藝公用系統(tǒng)和系泊頭。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)裝置包括導(dǎo)管架、系泊頭、導(dǎo)泊臂、系泊腿和系泊架等五部分；單點(diǎn)工藝公用系統(tǒng)包括油氣工藝系統(tǒng)管匯管線以及電氣、照明系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)等設(shè)施；系泊頭（FPSO解脫后將拆除）包括轉(zhuǎn)盤(pán)、轉(zhuǎn)動(dòng)接頭和跨接軟管支架。

原單點(diǎn)上供電電源來(lái)自FPSO，F(xiàn)PSO解脫后單點(diǎn)將失去電源，但單點(diǎn)上用電設(shè)施還繼續(xù)保留，最終考慮使用蓄電池為其供電，利用太陽(yáng)能電池為電池充電。

2 海上生產(chǎn)設(shè)施用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述內(nèi)容，各單點(diǎn)改造后用電負(fù)荷清單如表1所示。

表1 各單點(diǎn)改造后用電負(fù)荷清單

3 太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能電池的使用條件

3.1 空氣溫度

年平均氣溫：11.1℃；極端最高氣溫：34.6℃；極端最低氣溫：-17.2℃。

3.2 空氣相對(duì)濕度

年平均相對(duì)濕度：72%；平均最高：90%；平均最低：32.2%；最低：24.2%。

3.3 年有效日照時(shí)間

根據(jù)海洋氣象局提供數(shù)據(jù)，渤海區(qū)域平均年日照時(shí)間為1 360 h。

3.4 電池使用條件

根據(jù)SY/T 6985—2014《海上石油設(shè)施聲光助航標(biāo)志》要求，助航系統(tǒng)應(yīng)急電源（蓄電池）應(yīng)至少能滿足信號(hào)燈（包括障礙燈）和霧笛正常工作96 h；應(yīng)急電源（蓄電池）應(yīng)至少能滿足儀表、通信系統(tǒng)正常工作1 h；太陽(yáng)能光電板需要滿足在有太陽(yáng)光時(shí)給儲(chǔ)能蓄電池充電的需求。

4 太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能電池的電壓選擇

根據(jù)項(xiàng)目中平臺(tái)用電設(shè)備導(dǎo)航系統(tǒng)為24 V DC，儀表專業(yè)、通信專業(yè)接受24 V DC系統(tǒng)，選定本平臺(tái)鎳鎘電池單元電壓為1.2 V/單元，按此計(jì)算本系統(tǒng)串接使用20塊鎳鉻電池。

5 電池容量計(jì)算

根據(jù)IEEE 1115電池計(jì)算要求，電池容量計(jì)算如表2所示。

表2 電池容量計(jì)算

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于以往海上平臺(tái)設(shè)計(jì)積累資料。

式中，F(xiàn)S為工作周期S的容量需求；P為分析的時(shí)段；S為被分析的工作周期，從第一個(gè)工作周期開(kāi)始計(jì)算；AP為P時(shí)段要求的電流；Kt為電池放電率系數(shù)；Tt為溫度系數(shù)。

考慮設(shè)計(jì)系數(shù)1.1，壽命系數(shù)1.2（數(shù)據(jù)來(lái)源于IEEE 1115）；同時(shí)考慮使用環(huán)境溫度最低為-17.2℃，溫度系數(shù)考慮為1.55（根據(jù)SAFT蓄電池廠家資料）；因本項(xiàng)目中電池放電為小電流放電，放電率系數(shù)為1；最終電池容量（24 V電壓下）計(jì)算為：741.9 Ah，選用鎳鎘電池SBLE800。

6 太陽(yáng)能光電板的選擇

根據(jù)上述要求太陽(yáng)能光電板需要在有陽(yáng)光條件下滿足24 V DC/800 Ah電池充電；渤海區(qū)域平均年日照時(shí)間為1 360 h，即每天平均日照時(shí)間為3.8 h，太陽(yáng)能光電板需要在3.8 h有太陽(yáng)光的條件下充電800 Ah，充電電流計(jì)算如下：

式中，充電容量為800 Ah；電池充電效率為0.95；溫度系數(shù)為1.55。

充電功率=充電電流I×充電電壓U

=343.5×24

=8 244 W

查太陽(yáng)能光電板廠家資料：Tideland 180 Wp光電板，1塊發(fā)電能力為24 V/180 W，尺寸為910 mm×1 660 mm。充電設(shè)計(jì)系數(shù)1.1，按此計(jì)算，選用光電板數(shù)量為51塊。

7 結(jié)論

本項(xiàng)目中為滿足供電需求，選用20塊SAFT SBLE800的鎳鎘電池，為平臺(tái)上用電設(shè)備供電，選用51塊Tideland 180 Wp（尺寸：910mm×1660mm）光電板（1塊發(fā)電能力：24V/180W）、1臺(tái)光伏匯流箱、1臺(tái)光伏逆變器、1臺(tái)控制器、1臺(tái)配電箱；太陽(yáng)能光電板平行布置在甲板上。

8 檢查

鑒于太陽(yáng)能光電板發(fā)電能力受天氣（陽(yáng)光照射強(qiáng)度）影響較大，為避免電池充電不足而影響平臺(tái)供電，巡檢人員需要定期檢查蓄電池電壓，如發(fā)現(xiàn)電壓較低，需使用巡檢船舶電源為電池充電，建議巡檢周期不大于6天。

[1]海上石油設(shè)施聲光助航標(biāo)志：SY/T 6985—2014[S].

[2]IEEE Recommended Practice for Sizing Nickel-Cadmium Batteries for StationaryApplications:Amendment 1:Additional Discussion on Sizing Margins:IEEE Std 1115aTM—2007[S].

[3]SAFT蓄電池產(chǎn)品樣本[Z].