太陽能光伏發(fā)電在大慶油田的有效應(yīng)用

侯松偉(大慶油田有限責任公司第九采油廠，黑龍江 大慶 163511)

0 引言

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡稱光伏發(fā)電，是一種利用半導(dǎo)體材料進行光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電系統(tǒng)。其除了日照之外，無需其他任何燃料，也沒有機械運轉(zhuǎn)部件，架設(shè)區(qū)域也十分靈活。

1 大慶油田太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀

大慶油田是我國最大的油田，位于松遼平原中部，由薩爾圖、杏樹崗等油氣田組成。進入新時期后，大慶油田堅持以科學(xué)發(fā)展觀為根本，向可持續(xù)發(fā)展方向努力，建設(shè)起太陽能光伏發(fā)電。大慶是我國太陽能資源二類地區(qū)，日照時間較長，空氣清潔良好，并且大慶油田采油作業(yè)都位于野外，地勢比較平坦，沒有高大遮擋物，非常適合太陽能光伏發(fā)電的架設(shè)?，F(xiàn)階段大慶油田已經(jīng)建成較為完善的光伏發(fā)電矩陣以及企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)，油田共計有不同電壓等級的變電所300余座，為光伏發(fā)電的電量送出與消納提供了非常理想的條件[1]。通過將高耗能設(shè)備更換為光伏發(fā)電系統(tǒng)，以實現(xiàn)大幅節(jié)能減排的目標，1MW的光伏發(fā)電站每年可節(jié)省等價替代煤140噸，二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物排放皆有不同程度降低。

2 太陽能光伏發(fā)電在大慶油田中的應(yīng)用

2.1 油氣管道閥室電源

隨著油田開發(fā)的增多，地面建設(shè)及設(shè)備也在不斷增加，而油氣田分布廣泛，處于外圍的油田閥室更是偏遠，分布范圍也比較零散，部分油氣管道閥室無法獲得可靠電源供應(yīng)，如果建設(shè)供電系統(tǒng)其成本與用電量不成正比，并且遇到惡劣天氣時變壓器可能發(fā)生損壞。大慶油田選擇使用光伏發(fā)電為油氣管道閥室供應(yīng)電力是有原因的，首先光伏組件體積小，質(zhì)量輕，在運輸和安裝過程中簡單靈活，出現(xiàn)電力負荷的情況也能及時增加光伏電池陣列；其次光伏發(fā)電可以直接利用閥室建筑上方空余區(qū)域，不需要單獨占地；最后光伏發(fā)電的運行維護成本低，運轉(zhuǎn)可靠，無需人員值守，正常情況下僅要10塊太陽能電池板便可穩(wěn)定運行5至10年[2]。

2.2 油氣設(shè)施陰極保護電源

石油或天然氣在日常輸送過程中的油氣設(shè)施會受到電化學(xué)腐蝕的影響，現(xiàn)階段為了解決原油油罐和油氣管道電化學(xué)腐蝕的主要方法有加電流保護(強制陰極保護)和犧牲陽極保護兩種，都是為保護油氣設(shè)施而通以足夠的極化電流，是被保護金屬成為陰極，實現(xiàn)陰極極化，從而完成電化學(xué)保護。過往為實現(xiàn)陰極保護，需要占用部分土地建設(shè)電力站，導(dǎo)致供電電源不獨立，部分管理不具備斷電電位測試條件，斷電電位達不到保護準則要求[3]。而光伏發(fā)電可以不受空間限制，建設(shè)多方位的光伏電池陣列，斷電保護及電位都可以由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行孔，更容易為油氣設(shè)施提供電流，有效保護系統(tǒng)。

2.3 輸油管道電加熱

由于傳統(tǒng)的蒸汽加熱方式在經(jīng)濟性和實用性方面都有很大的缺陷，目前大慶油田輸油管道多使用電熱絲進行加熱，不僅操作方便而且經(jīng)濟。電能在眾多能源是容易與長距離傳輸?shù)哪芰啃问?，電源與加熱件之間簡單的導(dǎo)線聯(lián)接就可以實現(xiàn)能量的傳輸，并且電能傳輸過程中，自身損失較少。大慶油田原油黏度較大，年平均溫度在4℃左右，且冬季較長，需要較高的加熱溫度。使用太陽能光伏發(fā)電，可以為輸油管道提供輔助電源，減少對火力發(fā)電的依賴。

2.4 油氣管道自動測控系統(tǒng)

大慶油田的主要設(shè)備及油氣管道大都分布在野外，維護和管理較為繁雜。雖然石油，天然氣都是現(xiàn)代社會發(fā)展必不可少的能源，但是其易燃，易爆等特性注定油氣管道的安全管理馬虎不得。在油氣管道長年使用期間會受到天氣、腐蝕、漲縮等因素影響，而人員無法時刻監(jiān)視油氣管道狀況，也沒有人手能覆蓋到大量的管道之中。不過隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，油田油氣管道的監(jiān)控逐漸現(xiàn)代化，依靠無人機，電子眼等方式進行油氣管道的維護與檢查，相對的這些電子產(chǎn)品也需要充電使用，安設(shè)太陽能充電系統(tǒng)，便可在野外隨意使用。另外油氣管道自動測控系統(tǒng)正在建設(shè)之中，將油氣管道、光伏系統(tǒng)和自動測控系統(tǒng)結(jié)合在一起，實現(xiàn)對石油采集輸送等相關(guān)設(shè)備的監(jiān)測，不見能保證油氣管道能長時間處于監(jiān)控狀態(tài)下，還能節(jié)省大量的人力物力。

2.5 路燈照明及道路監(jiān)控

太陽能光伏發(fā)電的基本應(yīng)用效果便是與路燈及道路之上，太陽能路燈不需鋪設(shè)電力管線，具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長等特點，除路燈外，在油田泵站閥室，生活方面都需要用到照明，油田本身就是一個生活區(qū)與工作區(qū)相結(jié)合的地點，利用太陽能光伏發(fā)電可以為工作和生活提供用電，減少因火力發(fā)電或購買電力出現(xiàn)的成本，在道路監(jiān)控方面也有使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，配合時間控制，在需要的時間段對油田道路進行監(jiān)控和調(diào)度，安排蓄電池的配合將能進一步延長光伏發(fā)電在實際生活中的應(yīng)用效果。

2.6 邊遠油井供電系統(tǒng)

除了上文提到的閥室和油氣管道，邊遠油井更是處在整個油田區(qū)域的最外沿，并且因為油井的特殊性質(zhì)，其附近不能建設(shè)較大規(guī)模的電力站，所以供電系統(tǒng)的選擇尤為重要，使用太陽能光伏系統(tǒng)與蓄電池配合，可以滿足油井的生產(chǎn)要求，在光伏電站架設(shè)電池板方陣，可使用并網(wǎng)或離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在白天為油井抽油機供電，并將多余電力輸送到電網(wǎng)或蓄電池中，在夜晚時，使用逆變器將蓄電池電力排出，為油井供電。太陽能光伏發(fā)電不只能節(jié)約火力發(fā)電資源，并且是屬于一次投入長時間使用的系統(tǒng)，不像煤炭、石頭還需要進行資源消耗量的計算，節(jié)約的成本簡單明了。

2.7 設(shè)備防盜電報警系統(tǒng)

由于大部分油井都在野外，這就給了不法分子盜竊電能，甚至偷盜油井設(shè)備的機會，比較常見的盜竊手段是繞越計量，私接公線，并且竊電人員的線路接觸電阻較高，在電流的熱效應(yīng)下會發(fā)生跳火斷股甚至斷線的情況，為電力線路及油井作業(yè)帶來了嚴重危害。但使用太陽能光伏發(fā)電卻可以避免此種現(xiàn)象，太陽能發(fā)電集中于白天，大量職工在油井工作，而夜晚由蓄電池進行供電，竊電分子沒有電力線路可以私接，并且光伏發(fā)電時間長，電力供給平穩(wěn)，竊電情況的出現(xiàn)能立刻反應(yīng)到防盜電報警系統(tǒng)上，提高油井安全性。

3 太陽能光伏發(fā)電在大慶油田的應(yīng)用效益

3.1 節(jié)能減排

太陽能作為無公害，安全可靠，建設(shè)周期短的能源，在各國都有著巨大的吸引力。如今全球許多石油和天然氣生產(chǎn)地區(qū)政治和經(jīng)濟局勢的不穩(wěn)定性，我國為減少對國外能源的依賴，解決日益突出的環(huán)境問題和與礦物燃料發(fā)電相關(guān)的氣候變化風險，大力推廣太陽能的使用。大慶油田響應(yīng)由國家能源局印發(fā)的《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，為促進太陽能產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，加快太陽能多元化應(yīng)用提供助力。以2019年為例，全國光伏發(fā)電量達2243億kW·h，同比增長26.3%，其中大慶油田發(fā)電約90億kW·h，且大慶地區(qū)棄光率低至0.4%。為將傳統(tǒng)化石能源和煤電轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嶋娏?，大慶油田新增裝機容量29萬kW，光伏電站22個，減排二氧化碳2.79t、二氧化硫91t。此外大慶油田2019年用電量為167億kW·h，其中依靠煤礦燃氣發(fā)電122億kW·h，風電21億kW·h，而光伏發(fā)電用量占比約為11.3%，其余電力皆用于城市居民，可以看出大慶油田發(fā)展新能源的空間巨大，前景良好，在未來不僅將減少火力發(fā)電造成的環(huán)境污染排放，也降低了煤炭，石油等有限資源的消耗。

3.2 資源利用

雖然光伏電站規(guī)規(guī)模大小不影響投資收益，但發(fā)電量會受到裝機容量，組件方位角度，轉(zhuǎn)化效率，天氣因素所影響。近日，國家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于2020年光伏發(fā)電上網(wǎng)電價政策有關(guān)事項的通知》，其中將繼續(xù)對集中式光伏發(fā)電制定指導(dǎo)價。將納入國家財政補貼范圍的I-III類資源區(qū)新增集中式光伏電站指導(dǎo)價，分別確定為每千瓦時0.35元、0.4元、0.49元(含稅)。納入2020年財政補貼規(guī)模，采用“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式的工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目，全發(fā)電量補貼標準調(diào)整為每千瓦時0.05元。大慶油田屬于二類資源區(qū)，集中式和分布式光伏發(fā)電都有涉及，不過油田本身用電的高峰低谷會有所不同，雖然可以達到資源利用的自發(fā)自用，但在部分用電峰值以及陰雨氣候時仍需電網(wǎng)供電，以每小時八十萬千瓦計算，每年用電成本仍有60多萬元，這其中還不包括油田發(fā)展建設(shè)的用電量。在資源利用方面雖然太陽能光伏發(fā)電還無法支撐大慶油田的整體發(fā)展，但光伏發(fā)電帶來的成效顯著。

4 新型光伏發(fā)電技術(shù)在大慶油田的應(yīng)用前景

4.1 最大功率點跟蹤技術(shù)

光伏電池陣列的輸出功率受太陽輻射強度、工作溫度，以及負載匹配情況等因素影響，其輸出輸入功率呈非線性，當光伏電池陣列工作到一個特定輸出電壓值時，光伏發(fā)電會獲得最大的輸出功率。大慶油田的油井分布較廣，部分油田處于松嫩平原北部，松遼盆地中部，其地勢有明顯的不對稱性，地面波狀起伏，崗凹相間，心態(tài)復(fù)雜，在部分時期光照差異明顯。在不考慮光伏發(fā)電矩陣的溫度效應(yīng)下，使用最大功率點跟蹤技術(shù)，使光伏發(fā)電隨著信號轉(zhuǎn)變，達到最大化太陽能利用。

4.2 槽式聚光太陽能技術(shù)

現(xiàn)階段我國光電轉(zhuǎn)換效率門檻為18%，理論上最高光電轉(zhuǎn)換效率為31%，利用成熟的聚光技術(shù)，將入射太陽能聚光到光伏電池陣列免表，在相同的電池材料用量下，光伏發(fā)電成本及輸出功率將會提高。不過大量聚光會導(dǎo)致光伏電池溫度升高，發(fā)電效率受到影響，并且出現(xiàn)光伏電池燒毀的情況[4]。從自然條件來看，大慶地區(qū)年平均溫度只有4℃左右，有利于光伏電池自然降溫，而聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的另一特點是光伏余熱集中，利用余熱回收系統(tǒng)不僅能提高太陽能利用率，而且可以作用與輸送管道的加熱上，或許在未來輸送管道不再埋入地下，而是與太陽能光伏發(fā)電結(jié)合到一起，一邊實現(xiàn)發(fā)電一邊完成加熱。

5 結(jié)語

充分利用油田區(qū)域內(nèi)的空地，建設(shè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，將為大慶油田降低電力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，同時在滿足生活區(qū)用電需求的前提下，可以將多余電量用于油井建設(shè)之中，或售賣給電網(wǎng)，具有良好的經(jīng)濟效益。太陽能光伏發(fā)電屬于綠色能源，在未來的油田發(fā)展過程中，將會被大力推廣，政府也會進行資金補貼，應(yīng)用情況及發(fā)展前景非?？捎^。