太陽能發(fā)電在天然氣管道項(xiàng)目中的應(yīng)用

高 敬 王 亮 彭 俊 黃朝平

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西 西安710000）

隨著能源危機(jī)問題的出現(xiàn)，發(fā)展清潔能源已成為各國尋求可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。近年來，風(fēng)能和太陽能的利用得到加強(qiáng)。然而，風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，對電力系統(tǒng)的靈活性要求較高。而燃?xì)鈾C(jī)組可以快速響應(yīng)新能源輸出的波動(dòng)，且具有低環(huán)境污染的特點(diǎn)。另一方面，隨著電力燃?xì)饧夹g(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，多余的清潔電力可以轉(zhuǎn)化為天然氣并泵入天然氣管道網(wǎng)絡(luò)，天然氣系統(tǒng)和電力系統(tǒng)之間的耦合程度得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。

1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)概述

太陽能發(fā)電系統(tǒng)可分為離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)。其中，離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件進(jìn)行控制；并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是指將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為滿足電網(wǎng)要求的交流電后，直接與公共電網(wǎng)連接，其主要特點(diǎn)是發(fā)電可以直接傳遞到電網(wǎng)，并且可以統(tǒng)一部署電網(wǎng)為用戶供電，但是具有建設(shè)周期長、占地面積大的劣勢；分布式小規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有投資少、建設(shè)速度快、占地面積等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域的主流發(fā)展趨勢。分布式發(fā)電系統(tǒng)是指在用戶現(xiàn)場或附近安裝小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，以滿足特定用戶的需求。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備包括光伏電池組件、光伏陣列支架、直流配電柜、交流配電柜等，其太陽能電池模塊陣列通過直流匯流箱將由太陽能轉(zhuǎn)換后的電能轉(zhuǎn)換為直流配電柜，并通過電網(wǎng)反轉(zhuǎn)將逆變器連接到交流電源。

2 閥室的功能及特點(diǎn)

RTU 閥室是沿管道安裝可遠(yuǎn)程獲取的管線信息的控制樞紐，其能夠借助系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集以及通訊設(shè)備對管道的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，進(jìn)而可以在管道運(yùn)行過程中發(fā)生故障時(shí)及時(shí)地給出預(yù)警信息，最大限度地防止管道發(fā)生事故。可以說，RTU閥室的運(yùn)行質(zhì)量直接關(guān)系著整個(gè)運(yùn)輸管道的運(yùn)行安全。結(jié)合RTU閥室的功能要求，將RTU閥室設(shè)置為與管道有一定距離的重要交叉控制點(diǎn)，在環(huán)境偏遠(yuǎn)的地區(qū)，道路交通支持和公共資源對能源的依賴較少，使得管路閥室的作用顯得更加重要。閥室在基本運(yùn)行時(shí)要具有可靠性、穩(wěn)定性及可操作性，且能夠在管道故障發(fā)生時(shí)緊急投入使用，因此，對于RTU閥室的電源提出了很高的要求。

3 天然氣管道閥門供電方案

RTU閥室的電氣設(shè)備屬于負(fù)荷較小的電子設(shè)備，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，對于RTU 閥室內(nèi)部的供電電流穩(wěn)定性要求較高，同時(shí)，結(jié)合RTU閥室對整個(gè)運(yùn)輸管道的運(yùn)行安全的重要程度來看，必須確保RTU閥室在運(yùn)行的過程中具備較為穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。本文中所研究的RTU 閥室是沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集、太陽能資源充沛、外部供電條件良好的項(xiàng)目，因此可采用太陽能電源、小型燃?xì)獍l(fā)電以及外結(jié)入電源三種供電方案。

3.1 太陽能電源。太陽能電源是太陽能電池板和電池的組合的電力系統(tǒng)。當(dāng)有陽光時(shí)，太陽能電池板發(fā)電以為負(fù)載供電，同時(shí)為電池充電。沒有陽光時(shí)，電池會(huì)放電至負(fù)載。太陽能發(fā)電系統(tǒng)利用的是可再生資源，因此不需要燃料，無任何污染，且基本上不需要任何操作和維護(hù)，使用壽命長。但是太陽能源會(huì)受到自然氣候條件的限制，如太陽輻射強(qiáng)度、日照時(shí)間等。在國內(nèi)管道工程中，太陽能發(fā)電在油氣管道工程中有著大量的應(yīng)用實(shí)例，如大鵬液化天然氣管道、西氣東輸工程等。經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目RTU閥室太陽能發(fā)電方案配置如下：項(xiàng)目沿線地區(qū)最長的連續(xù)陰雨天氣超過30 天，太陽能電池板配置為5054 Wp，電池配置為7500A·h。

3.2 小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)電源。小型氣體發(fā)生器電源有兩種類型，即TEG和CCVT。熱電發(fā)電裝置利用熱電偶原理發(fā)電，并通過將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能來發(fā)電，核心組件是熱電偶，燃料是天然氣。該種形式的發(fā)電模式基本上不受環(huán)境條件的影響，且結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)工作量少，但適合數(shù)百至幾千瓦的負(fù)載情況下的供電。結(jié)合該項(xiàng)目中的供電需求，TEG 功率方案配置如下：每個(gè)站點(diǎn)TEG 使用176WTEG設(shè)備，并且是一主用與一備用。閉環(huán)蒸汽輪機(jī)發(fā)電裝置中的有機(jī)工作介質(zhì)被燃燒器加熱，并引入到渦輪機(jī)中，且渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)同軸發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生交流電，然后有機(jī)流體進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷卻，變成液體回流冷卻渦輪發(fā)電機(jī)，并對軸承進(jìn)行潤滑，最終返回到蒸汽發(fā)生器進(jìn)行完整的循環(huán)。只要蒸汽發(fā)生器不斷被加熱，所需的電流就會(huì)持續(xù)產(chǎn)生。CCVT之所以與眾不同，是因?yàn)樵撓到y(tǒng)的核心組件可真正做到在無需維護(hù)條件下持續(xù)工作25 年。此項(xiàng)目中的CCVT 電源方案配置為：每個(gè)站點(diǎn)CCVT 使用兩臺400W CCVT設(shè)備，分別為一主用、一備用。

3.3 外電源。外部電源是來自公共電網(wǎng)的10kV電源。當(dāng)在閥室周邊適當(dāng)距離內(nèi)有可靠的外部電源時(shí)，通常選擇外部電源作為閥室電源。從10kV公共電網(wǎng)連接電源，經(jīng)變壓器改變電壓后，將低壓電源引入閥室設(shè)備，然后通過UPS 分配給每個(gè)負(fù)載，同時(shí)，UPS的備用電池時(shí)間取決于電源。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，通常不少于72 小時(shí)。該方案具有經(jīng)濟(jì)、可靠、維護(hù)量少的優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目的外部電源方案配置為：外部電源電路、變壓器和UPS。根據(jù)最大適用條件，將外部電路選擇為3km，將變壓器選擇為5kV·A，將UPS選擇為3kV·A。

4 方案的對比

4.1 技術(shù)對比。相比小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)電源供電方案與外部電源供電方案，太陽能供電方案最大的優(yōu)點(diǎn)在于其環(huán)保性，但太陽能方案的布設(shè)會(huì)受到地理位置、天氣等條件的限制。小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)電源供電方案環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)于太陽能供電方案，但其最大的缺點(diǎn)在于在供電過程中需要消耗管道內(nèi)的燃?xì)猓踩砸约碍h(huán)保性較弱。外部電源解決方案具有功能簡捷等優(yōu)勢，但缺點(diǎn)是由于RTU 閥室對供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性要求較強(qiáng)，難以確保RTU 閥室附近具有較強(qiáng)穩(wěn)定性的可接入外部電源，此外，外部電源需要進(jìn)行定期的維護(hù)與保養(yǎng)，后期維護(hù)保養(yǎng)成本較高。

4.2 經(jīng)濟(jì)性對比。適應(yīng)性：就本項(xiàng)目而言，太陽能供電方案受自然采光條件的影響很大，其可靠性在雨季會(huì)受到影響。小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)電源供電方案需要根據(jù)閥室的地理位置進(jìn)行布設(shè)，因此，其供電方案的適應(yīng)性不強(qiáng)。同樣，對于外部電源供電方案來說依然要結(jié)合需求來定，其適應(yīng)性同樣存在不足。安全性：相比其它兩種供電方案而言，太陽能供電方案更加的安全可靠，小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)電源供電方案中由于需要使用管道內(nèi)的燃?xì)猓虼嗽谑褂眠^程中存在天然氣泄漏引起保障的危險(xiǎn)，供電安全性不高。外部電源供應(yīng)由于供電方案的電壓為380/220V，所以在供電過程中存在因人員操作不規(guī)范而引起的觸電事故，故外部電源供電方案安全性同樣要低于太陽能供電方案。維護(hù)要求：太陽能供電方案雖說一次性投入較大，但后期并不需要進(jìn)行較大的維護(hù)，即太陽能電池消耗殆盡前并不需要進(jìn)行維護(hù)，而小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)電源供電方案則在日常維護(hù)中需要定期地進(jìn)行零部件的更換、維護(hù)以及檢修，保養(yǎng)要求高，外部接入電源供電系統(tǒng)要求定期檢查和維護(hù)外部電源線。環(huán)保性能：對比三種供電方案，太陽能供電方案相比小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)電源供電以及外電源供電方案具有明顯的環(huán)保性，首先，太陽能供電方案不需要額外的化石然燃料，且在供電過程中并無廢氣產(chǎn)生，而小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)電源供電方案不僅需要消耗大量管道內(nèi)的燃?xì)猓以诠╇娺^程中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2，因此，小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)電源供電方案環(huán)保性能相對較差；外部電源無排放，具有較高的環(huán)保性，如下表所示。

節(jié)能減排數(shù)據(jù)

經(jīng)過整體分析，隨著負(fù)荷的增加，太陽能供電方案的投資會(huì)逐漸增加，TEG和CCVT方案的投資也同樣呈現(xiàn)出增加趨勢，但是外部電源方案的投資幾乎沒有變化。當(dāng)負(fù)載小于600W時(shí)，與其他供電方案相比，太陽能供電方案的現(xiàn)值較小，具有明顯的優(yōu)勢；當(dāng)負(fù)載大于600W且小于1000W時(shí)，太陽能方案比其他方案費(fèi)用稍高，但如果考慮供電量增加等因素，太陽能供電方案成本基本上等同于其他方案；當(dāng)負(fù)載大于1000W時(shí)，由于一次性投資過多，太陽能方案不適合該項(xiàng)目，且TEG和CCVT供電方案由于燃料氣體消耗的迅速增加，會(huì)造成成本的增加，此時(shí)應(yīng)嘗試選擇外部電源方案。

5 結(jié)論

隨著我國大力發(fā)展資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)，環(huán)境保護(hù)問題受到更多關(guān)注，在所有可再生資源中，太陽能以其清潔和方便而被廣泛接受和認(rèn)可。眾所周知，太陽能發(fā)電系統(tǒng)在社會(huì)的生產(chǎn)和生活中被廣泛用作綠色能源，而太陽能發(fā)電系統(tǒng)在天然氣管道閥室內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用，不僅可以有效、可靠地為無人值守的閥門室提供電源，而且可以保護(hù)管道周圍的環(huán)境。相信在不久的將來，隨著各種智能設(shè)備的出現(xiàn)和應(yīng)用，太陽能發(fā)電在天然氣管道項(xiàng)目中的應(yīng)用將更加地廣泛。