山地管道監視閥室風光互補供電改造研究

王振 張陽 呂林林 鐘麗珍

1國家管網集團西南油氣管道有限責任公司南寧輸油氣分公司

2中國石油天然氣股份有限公司青海油田分公司管道處

山地管道監視閥室一般地處偏遠、人煙稀少地區，多采用無外電源設計，由太陽能發電裝置供電，用電負荷為三級。廣西地區以山地居多，部分管道閥室地勢較低，受樹木遮擋影響，日照時間短，太陽能板供電不足，使蓄電池長期處于欠飽和狀態，尤其陰雨天氣，蓄電池容量不足以供負載正常運行，影響管道運行安全。為避免設備掉電引起數據中斷，需要定期使用移動充電機為蓄電池充電，每次需兩人配合拆裝防爆配電箱和充電機，耗費大量人力、物力和時間。因此，為保證閥室設備正常運行，同時降低人員勞動強度，急需改造設計一種可靠的供電方案。

1 改進方案

對于長輸管道監視閥室，鑒于其所處位置社會依托匱乏，周邊樹木繁茂，自然條件苛刻，為解決供電問題，根據閥室地理位置和當地日照強度、年日照時間等氣象資料[1]，同時考慮經濟適用因素，提出風光互補系統加移動發電機供電的構想，其不僅能為用電設備提供可靠的供電電源，而且能大幅縮減項目投資[2]。

1.1 工作原理

風光互補發電由三個單元組成，即能量采集單元、能量控制單元和能量儲存單元。能量采集單元由風力發電機、太陽能板組成。當風速達到風力發電機額定值時，扇葉開始旋轉，風力發電機將風能轉換為交流形式的電能，太陽能板在陽光照射下，將太陽能直接轉換成直流形式的電能[3]。能量控制單元可根據日照強度、風力大小及負載功率變化，對蓄電池組的工作狀態進行切換和調節。當發電量不能滿足負載工作需要時，控制單元控制蓄電池放電供負載使用，保證供電連續性和穩定性。能量儲存單元由閥控式鉛酸蓄電池串聯組成，可儲存風光互補發電系統產生的剩余電能和移動發電機提供的電能，起到能量調節和平衡負載兩大作用。風光互補發電系統有著無噪音、無污染、節能降耗、維護方便等優點，可為用電負荷提供持續可靠的電力供應。

1.2 設備選型

1.2.1 太陽能電池

太陽能電池是利用半導體PN 結的光生伏特效應，受光照產生電動勢和電流。晶體硅是目前主流的光伏材料，其分為單晶硅和多晶硅。依據工信部《光伏制造行業規范條件（2010年本）》要求，新建和改擴建企業及項目產品中，多晶硅電池組件和單晶硅電池組件的最低光電轉換效率分別不低于17%和17.8%。目前，單晶硅商業化電池組件轉換效率可以達到17%～22%，其供電性能穩定，相同容量下所需安裝面積更小，生產成本較高。相比而言，多晶硅商業化電池組件光電轉換效率為16%～19%，在其使用期內轉換效率有一定衰減，但相對生產成本較低[4]。隨著近年來光伏產業快速發展，綜合生產成本逐漸下降，故優先選用光電轉換效率高、性能穩定、技術成熟的單晶硅太陽能電池組件[4]。

依據中國氣象局2019 年《中國風能太陽能資源年景公報》數據，廣西全年陸地表面平均年水平面總輻照量為1 050～1 400 kWh/m2，以廣西河池（24.57N，108.12E）為例，全天候陸地表面日輻照量如圖1 所示，按月統計輻照量見表1（源于美國國家航空航天局NASA氣象數據）。

圖1 2019年日輻照量趨勢圖（24.57N，108.12E）Fig.1 Trend chart of daily irradiation in 2019（24.57N，108.12E）

表1 月總輻照量統計Tab.1 Statistics of monthly total irradiation

參考CDP-S-GUP-EL-012-2015-2《油氣儲運工程太陽能電源系統技術規格書》光伏極板容量計算方法，利用式（1）計算太陽能電池組件的總容量，式（2）計算太陽能電池組件的串聯塊數，式（3）計算太陽能電池組件的并聯數。

式中：P為太陽能電池組件的總容量，W；NS為太陽能電池組件的串聯塊數，塊；NP為太陽能電池組件的并聯塊數；WP為單塊太陽能電池組件的峰值功率，此處為310 W；U為系統額定電壓，V，此處為24 V；Upv為太陽電池組件額定電壓，V，此處為34.5 V；Pwh為負載日耗電量，Wh，參考《輸氣管道工程線路閥室設計規定》可知，閥室用電負荷通常情況下不大于500 W，一般情況下，監視閥室用電負荷為10 W，負載電流為0.5 A，此處Pwh=10×24=240 Wh；Cwh為蓄電池放電總容量，Wh，一般蓄電池的供電負荷需滿足閥室監視控制主機、探測器、報警輸出設備正常運行14 d的要求[5]，故此處Cwh=Pwh×14=3 660 Wh；Td為日照最差季節日標準小時數，h，根據表1數據，1月份太陽輻照量為最低（41.89 kWh/m2），相當于月標準小時數41.89 h，計算當月日標準小時數Td=41.89/31=1.35 h；η為太陽能電池組件發電量的修正系數，考慮效率、溫度、污垢等對組件發電量的影響[6]，此處取0.8；D為蓄電池深放電恢復周期（天），考慮蓄電池深度放電后需要盡快回充，此處按30 天恢復周期計算；I0為單塊太陽能電池組件的峰值電流，A，此處為5.01 A。

將數據代入式（1）～式（3）中，計算極板容量為

根據計算結果，此處選用2塊峰值功率為340 W、開路電壓41 V，轉化效率20.2%的半片單晶太陽能板組件，可滿足供電需求。

1.2.2 蓄電池

閥控密封式鉛酸蓄電池采用板柵結構和多層極柱密封，適用于大電流放電，浮充壽命長，端子密封可靠。蓄電池儲備容量計算公式[2]

式中：C為蓄電池容量，Ah；Ld為負荷功率10 W；T為蓄電池后備時間，此處取336 h；Ve為蓄電池組額定電壓24 V，D為蓄電池最大放電深度，此處取80%；K為溫度系數，此處取1.61。

將數據代入式（4）計算，得出蓄電池最小儲備容量為281.75 Ah。故此處選用12 塊標稱電壓2 V、額定容量300 Ah 閥控密封式鉛酸蓄電池，滿足供電需求。

1.2.3 風力發電機

由于地球表面各點太陽光照強度的不同導致冷熱不均，熱空氣向上升形成低壓帶，冷空氣橫向切入低壓帶，從而形成空氣的對流運動就是風[7]。扇葉在風的作用下發生轉動，帶動發電機工作產生電能，進而實現“風能-機械能-電能”的轉化。依據中國氣象局2019 年《中國風能太陽能資源年景公報》數據，全年廣西地區地面10 m 高度年平均風速較近10年均值偏小1.5%，廣西河池2019年地表10 m 處的風速月平均值如圖2 所示（源于NASA氣象數據）。

圖2 2019年月平均風速值Fig.2 Monthly average wind speed in 2019

根據發出功率不同，風力發電機可以分為大功率風機（＞1 MW）、中功率風機（40 kW～1 MW）和小功率風機（＜40 kW）三類，小功率風力發電機需要旋轉的風速最小要達到2 m/s[8]。依據圖2可知，地表10 m 處月平均風速超過3 m/s 的月份共8個月，根據當地風能資源情況，此處選用三葉片微風式發電機，額定功率為600 W，啟動風速3 m/s，以彌補陰雨天氣下所需的電能。

此外，為防止連續陰雨天氣引發蓄電池虧電，提高供電可靠性和穩定性，從蓄電池組內預留引自移動式發電機電源接口[9]，緊急情況下，可借助移動式發電機進行應急充電，保障設備正常運轉。

2 改造效果

太陽能板、風力發電機和移動發電機采用獨立控制器為蓄電池供電，避免相互影響，系統拓撲圖如圖3所示。通過觀測與比較，即使在廣西地區每年三月份的梅雨季節，風光互補供電依然能夠保障閥室用電設備正常運轉，閥室供電不足問題得以徹底解決，實踐效果良好。風光互補供電改造的成功試點，消除了管道監視閥室供電問題的安全隱患。

3 結束語

風光互補供電系統是將風能和太陽能綜合起來利用，其彌補了風電和光電獨立系統的缺陷。同時，由于風光互補供電裝置占地面積小，節省征地費用，其投資略低于常規供電線路[10]。風光互補供電系統安裝使用條件獨立，適用性強，能夠為電氣設備提供多重供電保障，非常適合于偏遠山地管道閥室使用。在今后長輸管道監視閥室設計中，針對類似情況，風光互補供電改造為設計階段提供了實踐參考。