海上綠色能源綜合利用的探討

中海石油（中國）有限公司深圳分公司 劉國虎

海上的綠色能源有風(fēng)能、太陽能。我國東南沿海省份近海區(qū)域已有部分公司建成海上風(fēng)力發(fā)電站，同時在海上建造平臺安裝無人值守變電站以提高風(fēng)力發(fā)電的配套設(shè)施，對風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和控制，將海上風(fēng)力發(fā)電的電能通過海底電纜輸送到陸地，與陸地電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。海上的風(fēng)力能源很豐富，如能將海上的風(fēng)力發(fā)電、陸地終端或碼頭的太陽能發(fā)電與現(xiàn)有的原油發(fā)電機組或天然氣透平發(fā)電機組的發(fā)配電系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，綜合利用綠色能源，對于國家層面的“碳達(dá)峰、碳中和”具有重大意義。

海上電力系統(tǒng)供電策略的重要意義

有助于合理利用綠色能源。我國東南省份的近海區(qū)域風(fēng)力資源非常豐富，如果能加大近海區(qū)域風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)利用，海上的風(fēng)力發(fā)電將是很好的綠色能源選擇，能給海上設(shè)施的生產(chǎn)生活提供大量的綠色能源。同時在陸地終端或碼頭的建筑物房頂上，安裝太陽能電池板的太陽能發(fā)電技術(shù)也很成熟，綜合開發(fā)利用太陽能發(fā)電，將風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電和現(xiàn)有的原油發(fā)電機有效的聯(lián)網(wǎng)，形成規(guī)模更大的電力線系統(tǒng)，有助于保障電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，確保海上設(shè)施生產(chǎn)的連續(xù)性，為海上的企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

有助于防控電力風(fēng)險。現(xiàn)階段，海上電力系統(tǒng)的發(fā)電機是由原油發(fā)電機組或是天然氣透平發(fā)電機組發(fā)電供給，以保障海上設(shè)施的生產(chǎn)生活設(shè)備用電需求。目前海上發(fā)電機組是選擇原油發(fā)動機還是選擇天然氣透平機組作為發(fā)電機的動力源，是根據(jù)海上設(shè)施海底所生產(chǎn)的油氣資源決定的。發(fā)電系統(tǒng)的動力來源比較單一，沒有其他能源的輔助，由此建成的小電力系統(tǒng)抗風(fēng)險能力較低。如果能將海上的風(fēng)力發(fā)電、陸地終端或碼頭的太陽能發(fā)電、現(xiàn)有的原油發(fā)電機聯(lián)網(wǎng)，形成一個較大的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，那么將大幅度提高抵抗電力風(fēng)險的能力。

有利于擴大經(jīng)濟效益。將海上風(fēng)力發(fā)電、陸地終端太陽能發(fā)電、海上設(shè)施現(xiàn)有的原油發(fā)電，以及目前海上已經(jīng)存在的多個小電力系統(tǒng)通過海纜聯(lián)結(jié)起來，形成一個較大的區(qū)域性電力系統(tǒng)，不但能夠提高電力系統(tǒng)抗風(fēng)險的能力，也能提高風(fēng)能、太陽能的利用率、降低原油或者天然氣的消耗量，從而降低海上設(shè)施發(fā)電的能源消耗成本，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。

海上電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)存在的問題

海上設(shè)施電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的意識薄弱。海上設(shè)施的安全生產(chǎn)和生產(chǎn)產(chǎn)量會得到高度重視，對現(xiàn)有的以原油或者天然氣發(fā)電的供電系統(tǒng)，能夠滿足現(xiàn)有海上設(shè)施的正常平穩(wěn)生產(chǎn)運行需要。如需要增加風(fēng)能、太陽能等綠色能源的綜合利用，就需引進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、太陽能發(fā)電機技術(shù)，還需增加風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電相關(guān)的技術(shù)人員和操作維修人員，由此會增加更多的管理工作，就會降低綜合利用綠色能源的積極性，弱化了海上設(shè)施電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的思想意識。要增強海上設(shè)施電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的思想意識，需要從國家層面“碳達(dá)峰、碳中和”的高度考慮，再者綠色能源的利用技術(shù)也已很成熟，只是需要加強積極推廣應(yīng)用綠色能源的思想意識。

海上電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的海底電纜建造成本較高。海上電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是聯(lián)網(wǎng)所需要的海底電纜，國內(nèi)只有為數(shù)不多的生產(chǎn)廠家在進(jìn)行研發(fā)制造，目前海底電纜的生產(chǎn)成本還相對較高，也使得海上設(shè)施電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的成本居高不下，而聯(lián)網(wǎng)后回報收益時間也很長，也就制約了海上設(shè)施電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)進(jìn)度。如果海底電纜生產(chǎn)廠家能通過創(chuàng)新解決海底電纜生產(chǎn)的卡脖子技術(shù)，找到優(yōu)質(zhì)的耐海水腐蝕的低成本絕緣材料，優(yōu)化電力電纜、控制電纜、光纖鉸接在一起的生產(chǎn)技術(shù)來降低生產(chǎn)成本，對于推動海上設(shè)施電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)也將會起到積極的推動作用。

實現(xiàn)海上電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及增強電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施

一、組建一個多能源供電電力系統(tǒng)

一個多能源電力系統(tǒng)中所需要的主要部分包括風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池板、原油（或天然氣）發(fā)電機、電池系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機和原油發(fā)電機可直接給交流負(fù)載供電，風(fēng)力發(fā)電機組和原油電動機也可通過AC/DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為直流電后、再通過電池控制器給電池系統(tǒng)充電，太陽能電池板也可通過電池控制器給電池系統(tǒng)充電，太陽電池板和電池系統(tǒng)通過DC/AC 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電后供給交流負(fù)載。電力系統(tǒng)的監(jiān)測控制中心是海上電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后的控制運行“大腦”，完成發(fā)電機監(jiān)測控制、配電系統(tǒng)的電力調(diào)度等功能。

二、關(guān)注多能源供電電力系統(tǒng)主要設(shè)備的選型

對不同規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電輪機、太陽能光伏發(fā)電陣列、原油發(fā)電機和蓄電池體系進(jìn)行評估，以選定最佳系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電輪機裝機容量的選型。應(yīng)實地考察、調(diào)研相關(guān)海洋區(qū)域的風(fēng)力強度、風(fēng)力方向，以確定風(fēng)力發(fā)電機組的單機容量和安裝風(fēng)力發(fā)電機組的臺數(shù)。陸地風(fēng)電單機容量為1000～2500kW，海上風(fēng)力發(fā)電機的單機容量為2500～10000kW。

太陽能光伏發(fā)電陣列的選型。需要根據(jù)陸地終端、碼頭的建筑物結(jié)構(gòu)尺寸，以確認(rèn)太陽能電池板的安裝數(shù)量、固定情況，以滿足安全生產(chǎn)及正常發(fā)電的要求。1平方米的太陽能電池板功率約為140～150W，理論情況下，1平方米的太陽能電池板十個小時可產(chǎn)生1.4～1.5度電。太陽能的電池組件通過支架被集中安裝在屋頂上，經(jīng)過串聯(lián)并聯(lián)后組成太陽能電池方陣，太陽能電池方陣吸收太陽光產(chǎn)生直流電，經(jīng)過光伏逆變器轉(zhuǎn)化為可供使用的交流電。

原油發(fā)電機的選型。風(fēng)能發(fā)電機、太陽能發(fā)電及電池儲能的波動以及能量不足的弱點，需增加原油發(fā)電機以提供超過風(fēng)能、太陽能發(fā)電的負(fù)載的電力需求。原油發(fā)電機的單機容量5000～10000kVA；蓄電池的選型。蓄電池系統(tǒng)的容量不需要達(dá)到能應(yīng)付最大負(fù)載的要求，雖然避免使用原油發(fā)電機，但該電池體系的成本太高。蓄電池的類型選擇鉛酸蓄電池較為經(jīng)濟。

三、降低海上設(shè)施電力聯(lián)網(wǎng)的成本

海上電力聯(lián)網(wǎng)，就是將海上的風(fēng)力發(fā)電機組、陸地終端或碼頭的太陽能電池板發(fā)電系統(tǒng)、以及海上的原油發(fā)電機組通過海底電纜、及相應(yīng)等級的變壓器配電柜等設(shè)備聯(lián)結(jié)起來形成的一個較大型電力系統(tǒng)。聯(lián)網(wǎng)后的電力系統(tǒng)提供給海上設(shè)施的生產(chǎn)生活設(shè)備用電需求?？紤]海上設(shè)施電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也能降低總成本，如：以哪個平臺為電力系統(tǒng)的中心平臺，哪些平臺為電力系統(tǒng)的支線平臺，海纜電壓等級的選擇是根據(jù)海纜輸送電力的距離來確定的，海纜橫截面積的選擇是根據(jù)輸電容量來確定的，在選擇海纜的載流橫截面積時需考慮一定的預(yù)留余量，以便后續(xù)用電負(fù)載的增加而不至于再鋪設(shè)海纜，這些因素也將影響到電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的成本。在評估多能源電力系統(tǒng)配置時，各部分的成本、包括其資本投入和運營費用都必須予以考慮。

四、提升海上電力系統(tǒng)組網(wǎng)后的監(jiān)測及控制技術(shù)

海上電力中心平臺變電站應(yīng)按無人值守方式設(shè)計。在陸地的生產(chǎn)控制中心能實現(xiàn)海上變電站的遠(yuǎn)程遙控功能，即遙測、遙信、遙控、遙調(diào)。隨著設(shè)備的更新?lián)Q代、網(wǎng)絡(luò)及計算機技術(shù)、遠(yuǎn)程控制及監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，目前500kV 及以下電壓等級的變電站都已實現(xiàn)無人值守。無人值守的變電站管理模式下，變電站的監(jiān)控人員遠(yuǎn)離變電站現(xiàn)場，只能看到信號，并根據(jù)需要對變電站的斷路器進(jìn)行遙控操作；設(shè)備維護人員定期去現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備巡視，分析設(shè)備異常，進(jìn)行相應(yīng)的判斷處理，為了加強對無人值守變電站設(shè)備出現(xiàn)異常后的判斷，需應(yīng)用新的檢測手段，如紅外線熱成像、局部放電帶電監(jiān)測儀等監(jiān)測手段。

海上電力系統(tǒng)作為智能油田的一部分，電力系統(tǒng)也需使用智能油田的相關(guān)技術(shù)。海上平臺與陸地控制中心的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，考慮鋪設(shè)光纜、無線橋接等作為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。分別針對有線、有線加無線、無線等不同傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接入、匯聚、上傳等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化。工控網(wǎng)傳輸自動化采集數(shù)據(jù)和控制信號，為保證網(wǎng)絡(luò)安全，在工控網(wǎng)的出口部署網(wǎng)閘，進(jìn)行安全隔離；視頻監(jiān)控網(wǎng)傳輸現(xiàn)場視頻監(jiān)控信號；辦公網(wǎng)傳輸應(yīng)用系統(tǒng)所需的各類油田辦公網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)；實現(xiàn)了“一纜構(gòu)建三網(wǎng)、三網(wǎng)協(xié)調(diào)運行”，既提升了傳輸能力，也有效保證了操控安全。海上電力系統(tǒng)的調(diào)度、監(jiān)控也需要使用計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，來提升海上電力系統(tǒng)的監(jiān)測及控制技術(shù)。

綜上，在現(xiàn)代社會經(jīng)濟已經(jīng)時代快速發(fā)展的影響下，國內(nèi)社會增加對風(fēng)能、太陽能的應(yīng)用，不僅能夠滿足海上設(shè)施的電力需求，同時還能夠推動綠色能源利用的比例，達(dá)到國家層面的“碳達(dá)峰、碳中和”的要求。