太阳能光伏发电系统在天然气管道项目中的应用

太阳能光伏发电系统在天然气管道项目中的应用

作者姓名：陈珂霖

单位名称：四川国锐工程设计有限公司  单位省市：四川省成都市  单位邮编：610000

摘要：天然气管道项目中阀室具有及其重要作用，其主要功能是可截断来气，并放空特定管段内天然气。出事故时可防止管道事故扩大、减少环境污染，在维护改造时可保障施工操作安全进行。长输管道每间隔一定距离设置1座截断阀室，因此多数情况下阀室都往往位于偏僻的野外环境，电力依托条件较差。采用传统的10 kV供电方案，存在供电线路距离长、线损高、变压器空载率高等诸多问题。利用光伏储能供电系统，不仅可以保障阀室的供电，而且节省了长距离电力线路的工程投资和征地费用。目前光伏储能供电系统已应用在西气东输管道、西部管道、兰郑长管道、陕京线、广东管网等多个长输管道项目中。

关键词：天然气管道；光伏发电系统；供电系统

1 光伏发电系统简介

光伏发电供电系统主要由光伏阵列、光伏防雷汇流箱、逆变控制一体配电柜、储能柜等组成。光伏发电系统组成见图1。各部分主要功能如下：

图1  光伏发电系统图

光伏阵列：由太阳能板组成光伏阵列，每10块串联为一组，再由2组送到逆变控制一体配电柜中的光伏充电控制器，经最大功率跟踪后对电池组阵列进行充电。发电系统电压尽量接近48 V直流储能额定电压，有利于提高转换效率，而且电压低有利于保障维护人员的安全。

光伏防雷汇流箱：可承受20 kA 、8/20 uS的雷击电流冲击，以保证极端条件下控制器及逆变器免遭雷击影响。另外可实现每组光伏太阳能板的汇流功能，以方便检修测量断电。

光伏充电控制器：主要实现每组太阳能板的最大功率点的跟踪功能，以实现最高效率为蓄电池提供充电电能。另外可实现相关的保护功能，如电池反接、短路反向放电等。

逆变器：主要实现直流/交流的转换，将直流电能转换成交流电能，以满足交流负载的供电需求。另外，逆变器还具有交流输入充电端口，满足紧急条件下接入备用发电机的功能。

交流输出配电及控制：主要是实现交流/直流回路的各分支输出、开关控制等。采用二次下电控制，当电池放电到设定容量（如：60%）以下时，关闭非重要负荷，容量恢复到设定值（如：90%）时恢复非重要负荷供电。

2 阀室的用电需求和负荷

阀室的主要用电设备有：远程控制单元RTU、通信光端机、安防系统、阴极保护设备以及照明灯具等。设备选型尽量选用低功耗，高功率因数的节能型设备，从而可以降低光伏阵列的装机功率和储能电池的容量，以达到节省投资。另外在进行负荷计算时需按照设备的重要性分类，储能电池容量的计算原则一般为可保证连续1 d阴雨天为满负荷供电，之后连续4 d阴雨天为重要负荷供电。

典型阀室的用电负荷计算详见表1。该阀室内用电设备有功功率合计4.39 kW，其中重要负荷1.89 kW，每天实际负载耗电量约为105.36 kWh，其中45.36 kWh为重要负荷，60 kWh为非重要负荷。经计算，储能蓄电池容量需求为286.8kWh。

表1  典型阀室的用电负荷计算

3 阀室独立光储系统工作原理

太阳能板选用405W单晶硅太阳能板，具有发电效率高、发电稳定等优点。太阳能板10块串联为1组，2组汇总后为一台8 kW的光伏充电控制器提供光伏电能。光伏充电控制器具有最大功率跟踪功能，能够根据当前光照以及太阳能板的光伏特性，进行最大功率跟踪，保证当前光照条件下光电的转换效率最高。光伏充电部分由1台8 kW光伏充电控制器组成，完成整个光储系统的充电功能。光伏充电控制器的输出接储能阵列柜，为储能柜中的锂电池提供电能。

4 阀室光伏阵列的布置

阀室光伏阵列的布置需要根据阀室的总体布局，确定可排布光伏阵列的区域，在选定安装区域时注意以下几点：周边物体对光伏阵列产生的阴影区域要排除；布置区域要避开有爆炸危险的工艺装置区、放空区以及其它障碍物；在可利用区域内尽量提高光伏阵列的总体面积，以满足阀室内设备的用电需求。

以上述典型阀室为例，经计算该阀室光伏太阳能板安装总功率需求为8.1 kWp，需安装405Wp单晶硅太阳能电池板20块，需占地面积约40m2，考虑到需避开爆炸危险区以及遮挡阴影区，故可采用金属支架将太阳能板支起，整体安装于撬装小屋上方，既提高了太阳能板安装总功率，又合理避开设备、围墙等产生的阴影区。

5 经济对比分析

以管道设计寿命25 年为周期，从建设成本、维护费用、节能效益等方面对比10 kV变压器供电方式与光伏储能供电系统。

10 kV变压器供电方式的建设成本主要包括10 kV架空线路（以2 km计，1km费用15万元）、箱式变电站（6万元/台）、征地费（5万元/项）、安装费（5万元/项）等，合计约46万元。运行维护费用主要包括：电费（约1.2万元/年）、维护费用约0.5万元/年。25 年建设成本及运行维护费用合计88.5万元。

光伏储能供电系统的建设成本主要包括单晶硅太阳能电池板（5元/W）、光伏支架（0.2元/W）、逆变控制柜（2万元/台）、储能电池柜（6万元/台）等，合计约13.6万元，每五年更换一次储能蓄电池，投资约24万元。维护费用约0.5万元/年。25年建设成本及运行维护费用合计50.1万元。

在25年周期内，光伏储能供电系统的建设成本及运行维护费用合计比10 kV变压器供电方式节省约38.4万元。

另外在节能效益方面，以太阳能资源B类地区为例，光伏储能供电系统25 年累计发电量约20.55×104kWh。与燃煤电厂相比，折合节约标准煤约25.3t，可相应减少多种大气污染物的排放，其中减排碳粉尘为CO2为167.3 t、SO2为1.3 t。

6 结束语

太阳能是一种清洁的可再生能源，提高太阳能的利用率有利于保护环境。当天然气管道阀室位于偏远地区，外引电源困难时，采用光伏储能供电系统是一种安全可靠解决方案。光伏储能供电系统与传统的10 kV变压器供电方式相比建设成本和运行维护费用更低，节能减排效果更好。近年来光伏储能供电系统在天然气管道阀室中应用越来越广泛。

参考文献：

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