山地管道监视阀室风光互补供电改造研究

王振 张阳 吕林林 钟丽珍

1国家管网集团西南油气管道有限责任公司南宁输油气分公司

2中国石油天然气股份有限公司青海油田分公司管道处

山地管道监视阀室一般地处偏远、人烟稀少地区，多采用无外电源设计，由太阳能发电装置供电，用电负荷为三级。广西地区以山地居多，部分管道阀室地势较低，受树木遮挡影响，日照时间短，太阳能板供电不足，使蓄电池长期处于欠饱和状态，尤其阴雨天气，蓄电池容量不足以供负载正常运行，影响管道运行安全。为避免设备掉电引起数据中断，需要定期使用移动充电机为蓄电池充电，每次需两人配合拆装防爆配电箱和充电机，耗费大量人力、物力和时间。因此，为保证阀室设备正常运行，同时降低人员劳动强度，急需改造设计一种可靠的供电方案。

1 改进方案

对于长输管道监视阀室，鉴于其所处位置社会依托匮乏，周边树木繁茂，自然条件苛刻，为解决供电问题，根据阀室地理位置和当地日照强度、年日照时间等气象资料[1]，同时考虑经济适用因素，提出风光互补系统加移动发电机供电的构想，其不仅能为用电设备提供可靠的供电电源，而且能大幅缩减项目投资[2]。

1.1 工作原理

风光互补发电由三个单元组成，即能量采集单元、能量控制单元和能量储存单元。能量采集单元由风力发电机、太阳能板组成。当风速达到风力发电机额定值时，扇叶开始旋转，风力发电机将风能转换为交流形式的电能，太阳能板在阳光照射下，将太阳能直接转换成直流形式的电能[3]。能量控制单元可根据日照强度、风力大小及负载功率变化，对蓄电池组的工作状态进行切换和调节。当发电量不能满足负载工作需要时，控制单元控制蓄电池放电供负载使用，保证供电连续性和稳定性。能量储存单元由阀控式铅酸蓄电池串联组成，可储存风光互补发电系统产生的剩余电能和移动发电机提供的电能，起到能量调节和平衡负载两大作用。风光互补发电系统有着无噪音、无污染、节能降耗、维护方便等优点，可为用电负荷提供持续可靠的电力供应。

1.2 设备选型

1.2.1 太阳能电池

太阳能电池是利用半导体PN 结的光生伏特效应，受光照产生电动势和电流。晶体硅是目前主流的光伏材料，其分为单晶硅和多晶硅。依据工信部《光伏制造行业规范条件（2010年本）》要求，新建和改扩建企业及项目产品中，多晶硅电池组件和单晶硅电池组件的最低光电转换效率分别不低于17%和17.8%。目前，单晶硅商业化电池组件转换效率可以达到17%～22%，其供电性能稳定，相同容量下所需安装面积更小，生产成本较高。相比而言，多晶硅商业化电池组件光电转换效率为16%～19%，在其使用期内转换效率有一定衰减，但相对生产成本较低[4]。随着近年来光伏产业快速发展，综合生产成本逐渐下降，故优先选用光电转换效率高、性能稳定、技术成熟的单晶硅太阳能电池组件[4]。

依据中国气象局2019 年《中国风能太阳能资源年景公报》数据，广西全年陆地表面平均年水平面总辐照量为1 050～1 400 kWh/m2，以广西河池（24.57N，108.12E）为例，全天候陆地表面日辐照量如图1 所示，按月统计辐照量见表1（源于美国国家航空航天局NASA气象数据）。

图1 2019年日辐照量趋势图（24.57N，108.12E）Fig.1 Trend chart of daily irradiation in 2019（24.57N，108.12E）

表1 月总辐照量统计Tab.1 Statistics of monthly total irradiation

参考CDP-S-GUP-EL-012-2015-2《油气储运工程太阳能电源系统技术规格书》光伏极板容量计算方法，利用式（1）计算太阳能电池组件的总容量，式（2）计算太阳能电池组件的串联块数，式（3）计算太阳能电池组件的并联数。

式中：P为太阳能电池组件的总容量，W；NS为太阳能电池组件的串联块数，块；NP为太阳能电池组件的并联块数；WP为单块太阳能电池组件的峰值功率，此处为310 W；U为系统额定电压，V，此处为24 V；Upv为太阳电池组件额定电压，V，此处为34.5 V；Pwh为负载日耗电量，Wh，参考《输气管道工程线路阀室设计规定》可知，阀室用电负荷通常情况下不大于500 W，一般情况下，监视阀室用电负荷为10 W，负载电流为0.5 A，此处Pwh=10×24=240 Wh；Cwh为蓄电池放电总容量，Wh，一般蓄电池的供电负荷需满足阀室监视控制主机、探测器、报警输出设备正常运行14 d的要求[5]，故此处Cwh=Pwh×14=3 660 Wh；Td为日照最差季节日标准小时数，h，根据表1数据，1月份太阳辐照量为最低（41.89 kWh/m2），相当于月标准小时数41.89 h，计算当月日标准小时数Td=41.89/31=1.35 h；η为太阳能电池组件发电量的修正系数，考虑效率、温度、污垢等对组件发电量的影响[6]，此处取0.8；D为蓄电池深放电恢复周期（天），考虑蓄电池深度放电后需要尽快回充，此处按30 天恢复周期计算；I0为单块太阳能电池组件的峰值电流，A，此处为5.01 A。

将数据代入式（1）～式（3）中，计算极板容量为

根据计算结果，此处选用2块峰值功率为340 W、开路电压41 V，转化效率20.2%的半片单晶太阳能板组件，可满足供电需求。

1.2.2 蓄电池

阀控密封式铅酸蓄电池采用板栅结构和多层极柱密封，适用于大电流放电，浮充寿命长，端子密封可靠。蓄电池储备容量计算公式[2]

式中：C为蓄电池容量，Ah；Ld为负荷功率10 W；T为蓄电池后备时间，此处取336 h；Ve为蓄电池组额定电压24 V，D为蓄电池最大放电深度，此处取80%；K为温度系数，此处取1.61。

将数据代入式（4）计算，得出蓄电池最小储备容量为281.75 Ah。故此处选用12 块标称电压2 V、额定容量300 Ah 阀控密封式铅酸蓄电池，满足供电需求。

1.2.3 风力发电机

由于地球表面各点太阳光照强度的不同导致冷热不均，热空气向上升形成低压带，冷空气横向切入低压带，从而形成空气的对流运动就是风[7]。扇叶在风的作用下发生转动，带动发电机工作产生电能，进而实现“风能-机械能-电能”的转化。依据中国气象局2019 年《中国风能太阳能资源年景公报》数据，全年广西地区地面10 m 高度年平均风速较近10年均值偏小1.5%，广西河池2019年地表10 m 处的风速月平均值如图2 所示（源于NASA气象数据）。

图2 2019年月平均风速值Fig.2 Monthly average wind speed in 2019

根据发出功率不同，风力发电机可以分为大功率风机（＞1 MW）、中功率风机（40 kW～1 MW）和小功率风机（＜40 kW）三类，小功率风力发电机需要旋转的风速最小要达到2 m/s[8]。依据图2可知，地表10 m 处月平均风速超过3 m/s 的月份共8个月，根据当地风能资源情况，此处选用三叶片微风式发电机，额定功率为600 W，启动风速3 m/s，以弥补阴雨天气下所需的电能。

此外，为防止连续阴雨天气引发蓄电池亏电，提高供电可靠性和稳定性，从蓄电池组内预留引自移动式发电机电源接口[9]，紧急情况下，可借助移动式发电机进行应急充电，保障设备正常运转。

2 改造效果

太阳能板、风力发电机和移动发电机采用独立控制器为蓄电池供电，避免相互影响，系统拓扑图如图3所示。通过观测与比较，即使在广西地区每年三月份的梅雨季节，风光互补供电依然能够保障阀室用电设备正常运转，阀室供电不足问题得以彻底解决，实践效果良好。风光互补供电改造的成功试点，消除了管道监视阀室供电问题的安全隐患。

3 结束语

风光互补供电系统是将风能和太阳能综合起来利用，其弥补了风电和光电独立系统的缺陷。同时，由于风光互补供电装置占地面积小，节省征地费用，其投资略低于常规供电线路[10]。风光互补供电系统安装使用条件独立，适用性强，能够为电气设备提供多重供电保障，非常适合于偏远山地管道阀室使用。在今后长输管道监视阀室设计中，针对类似情况，风光互补供电改造为设计阶段提供了实践参考。