太阳能发电在天然气管道项目中的应用

高 敬 王 亮 彭 俊 黄朝平

（中国石油长庆油田分公司第三采气厂，陕西 西安710000）

随着能源危机问题的出现，发展清洁能源已成为各国寻求可持续发展的必然选择。近年来，风能和太阳能的利用得到加强。然而，风力发电和太阳能发电具有较强的随机性，对电力系统的灵活性要求较高。而燃气机组可以快速响应新能源输出的波动，且具有低环境污染的特点。另一方面，随着电力燃气技术的产生和发展，多余的清洁电力可以转化为天然气并泵入天然气管道网络，天然气系统和电力系统之间的耦合程度得到了进一步加强。

1 太阳能发电系统概述

太阳能发电系统可分为离网发电系统、并网发电系统和分布式发电系统。其中，离网发电系统主要由太阳能电池组件进行控制；并网发电系统是指将太阳能电池组件产生的直流电通过逆变器转换为满足电网要求的交流电后，直接与公共电网连接，其主要特点是发电可以直接传递到电网，并且可以统一部署电网为用户供电，但是具有建设周期长、占地面积大的劣势；分布式小规模并网发电系统具有投资少、建设速度快、占地面积等优点，是当前并网发电领域的主流发展趋势。分布式发电系统是指在用户现场或附近安装小型光伏发电系统，以满足特定用户的需求。分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏阵列支架、直流配电柜、交流配电柜等，其太阳能电池模块阵列通过直流汇流箱将由太阳能转换后的电能转换为直流配电柜，并通过电网反转将逆变器连接到交流电源。

2 阀室的功能及特点

RTU 阀室是沿管道安装可远程获取的管线信息的控制枢纽，其能够借助系统内设置的远程数据采集以及通讯设备对管道的整个运行状态进行检测，进而可以在管道运行过程中发生故障时及时地给出预警信息，最大限度地防止管道发生事故。可以说，RTU阀室的运行质量直接关系着整个运输管道的运行安全。结合RTU阀室的功能要求，将RTU阀室设置为与管道有一定距离的重要交叉控制点，在环境偏远的地区，道路交通支持和公共资源对能源的依赖较少，使得管路阀室的作用显得更加重要。阀室在基本运行时要具有可靠性、稳定性及可操作性，且能够在管道故障发生时紧急投入使用，因此，对于RTU阀室的电源提出了很高的要求。

3 天然气管道阀门供电方案

RTU阀室的电气设备属于负荷较小的电子设备，因此，在实际应用中，对于RTU 阀室内部的供电电流稳定性要求较高，同时，结合RTU阀室对整个运输管道的运行安全的重要程度来看，必须确保RTU阀室在运行的过程中具备较为稳定的供电系统。本文中所研究的RTU 阀室是沿线经济发达、人口密集、太阳能资源充沛、外部供电条件良好的项目，因此可采用太阳能电源、小型燃气发电以及外结入电源三种供电方案。

3.1 太阳能电源。太阳能电源是太阳能电池板和电池的组合的电力系统。当有阳光时，太阳能电池板发电以为负载供电，同时为电池充电。没有阳光时，电池会放电至负载。太阳能发电系统利用的是可再生资源，因此不需要燃料，无任何污染，且基本上不需要任何操作和维护，使用寿命长。但是太阳能源会受到自然气候条件的限制，如太阳辐射强度、日照时间等。在国内管道工程中，太阳能发电在油气管道工程中有着大量的应用实例，如大鹏液化天然气管道、西气东输工程等。经计算，本项目RTU阀室太阳能发电方案配置如下：项目沿线地区最长的连续阴雨天气超过30 天，太阳能电池板配置为5054 Wp，电池配置为7500A·h。

3.2 小型燃气发电机电源。小型气体发生器电源有两种类型，即TEG和CCVT。热电发电装置利用热电偶原理发电，并通过将热能直接转换为电能来发电，核心组件是热电偶，燃料是天然气。该种形式的发电模式基本上不受环境条件的影响，且结构简单、维护工作量少，但适合数百至几千瓦的负载情况下的供电。结合该项目中的供电需求，TEG 功率方案配置如下：每个站点TEG 使用176WTEG设备，并且是一主用与一备用。闭环蒸汽轮机发电装置中的有机工作介质被燃烧器加热，并引入到涡轮机中，且涡轮机旋转以驱动同轴发电机以产生交流电，然后有机流体进入冷凝器进行冷却，变成液体回流冷却涡轮发电机，并对轴承进行润滑，最终返回到蒸汽发生器进行完整的循环。只要蒸汽发生器不断被加热，所需的电流就会持续产生。CCVT之所以与众不同，是因为该系统的核心组件可真正做到在无需维护条件下持续工作25 年。此项目中的CCVT 电源方案配置为：每个站点CCVT 使用两台400W CCVT设备，分别为一主用、一备用。

3.3 外电源。外部电源是来自公共电网的10kV电源。当在阀室周边适当距离内有可靠的外部电源时，通常选择外部电源作为阀室电源。从10kV公共电网连接电源，经变压器改变电压后，将低压电源引入阀室设备，然后通过UPS 分配给每个负载，同时，UPS的备用电池时间取决于电源。根据系统运行的可靠性，通常不少于72 小时。该方案具有经济、可靠、维护量少的优点。本项目的外部电源方案配置为：外部电源电路、变压器和UPS。根据最大适用条件，将外部电路选择为3km，将变压器选择为5kV·A，将UPS选择为3kV·A。

4 方案的对比

4.1 技术对比。相比小型燃气发电机电源供电方案与外部电源供电方案，太阳能供电方案最大的优点在于其环保性，但太阳能方案的布设会受到地理位置、天气等条件的限制。小型燃气发电机电源供电方案环境适应性强于太阳能供电方案，但其最大的缺点在于在供电过程中需要消耗管道内的燃气，安全性以及环保性较弱。外部电源解决方案具有功能简捷等优势，但缺点是由于RTU 阀室对供电系统的供电稳定性要求较强，难以确保RTU 阀室附近具有较强稳定性的可接入外部电源，此外，外部电源需要进行定期的维护与保养，后期维护保养成本较高。

4.2 经济性对比。适应性：就本项目而言，太阳能供电方案受自然采光条件的影响很大，其可靠性在雨季会受到影响。小型燃气发电机电源供电方案需要根据阀室的地理位置进行布设，因此，其供电方案的适应性不强。同样，对于外部电源供电方案来说依然要结合需求来定，其适应性同样存在不足。安全性：相比其它两种供电方案而言，太阳能供电方案更加的安全可靠，小型燃气发电机电源供电方案中由于需要使用管道内的燃气，因此在使用过程中存在天然气泄漏引起保障的危险，供电安全性不高。外部电源供应由于供电方案的电压为380/220V，所以在供电过程中存在因人员操作不规范而引起的触电事故，故外部电源供电方案安全性同样要低于太阳能供电方案。维护要求：太阳能供电方案虽说一次性投入较大，但后期并不需要进行较大的维护，即太阳能电池消耗殆尽前并不需要进行维护，而小型燃气发电机电源供电方案则在日常维护中需要定期地进行零部件的更换、维护以及检修，保养要求高，外部接入电源供电系统要求定期检查和维护外部电源线。环保性能：对比三种供电方案，太阳能供电方案相比小型燃气发电机电源供电以及外电源供电方案具有明显的环保性，首先，太阳能供电方案不需要额外的化石然燃料，且在供电过程中并无废气产生，而小型燃气发电机电源供电方案不仅需要消耗大量管道内的燃气，且在供电过程中会产生大量的CO2，因此，小型燃气发电机电源供电方案环保性能相对较差；外部电源无排放，具有较高的环保性，如下表所示。

节能减排数据

经过整体分析，随着负荷的增加，太阳能供电方案的投资会逐渐增加，TEG和CCVT方案的投资也同样呈现出增加趋势，但是外部电源方案的投资几乎没有变化。当负载小于600W时，与其他供电方案相比，太阳能供电方案的现值较小，具有明显的优势；当负载大于600W且小于1000W时，太阳能方案比其他方案费用稍高，但如果考虑供电量增加等因素，太阳能供电方案成本基本上等同于其他方案；当负载大于1000W时，由于一次性投资过多，太阳能方案不适合该项目，且TEG和CCVT供电方案由于燃料气体消耗的迅速增加，会造成成本的增加，此时应尝试选择外部电源方案。

5 结论

随着我国大力发展资源节约型和环境友好型社会，环境保护问题受到更多关注，在所有可再生资源中，太阳能以其清洁和方便而被广泛接受和认可。众所周知，太阳能发电系统在社会的生产和生活中被广泛用作绿色能源，而太阳能发电系统在天然气管道阀室内的工业应用，不仅可以有效、可靠地为无人值守的阀门室提供电源，而且可以保护管道周围的环境。相信在不久的将来，随着各种智能设备的出现和应用，太阳能发电在天然气管道项目中的应用将更加地广泛。