風(fēng)光互補供電技術(shù)在城市燃氣閥井監(jiān)控中的應(yīng)用研究

張國城 王斌 徐明 張瑞

摘 要：城市燃氣近年來發(fā)展迅速，但是在信息化方面卻步伐緩慢，尤其是干線閥井監(jiān)測控制領(lǐng)域，究其原因主要是缺少供電措施。文章從理論以及實踐方面詳細闡述了風(fēng)光互補供電技術(shù)在城市燃氣閥井監(jiān)測與閥門控制方面的應(yīng)用，對應(yīng)用中的問題和效果進行了系統(tǒng)的分析，為今后風(fēng)光互補供電技術(shù)在城市燃氣閥井監(jiān)控領(lǐng)域的運用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市燃氣；閥井監(jiān)測控制；風(fēng)光互補發(fā)電

中圖分類號：TU996 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0030-04

Abstract： Urban gas has developed rapidly in recent years， but the pace of informatization is slow， especially in the field of monitoring and control of trunk valve wells， the main reason is the lack of power supply measures. This paper expounds in detail the application of wind-solar hybrid generation technology in monitoring and valve control of city gas valve wells from the aspects of theory and practice， and makes a systematic analysis of the problems and effects in application. It provides a basis for the application of wind-solar hybrid generation technology in the monitoring field of gas valve wells in the future.

Keywords： urban gas； valve well monitoring and control； wind-solar hybrid generation

前言

近幾年來，我國能源領(lǐng)域中天然氣的應(yīng)用越來越廣泛，其中城市天然氣呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢。隨著城市天然氣普及速度的加快，越來越多的城鄉(xiāng)居民用上了方便、潔凈的管道天然氣。這些便利措施的背后，是由復(fù)雜的城市輸氣管網(wǎng)來支撐，在這么龐大的輸氣管網(wǎng)中，由于種種原因造成的燃氣管道破損、泄漏事故層出不群，導(dǎo)致的財產(chǎn)損失、人員傷亡等情況也經(jīng)常見諸報端，對城市燃氣干線管道節(jié)點閥門井的各項數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，并且能夠在出現(xiàn)緊急險情時對相應(yīng)閥門進行應(yīng)急截斷，是城市燃氣從業(yè)者的心愿，但是這些技術(shù)手段的實現(xiàn)卻面臨著一個尷尬的問題——缺少供電條件。

1 風(fēng)光互補供電技術(shù)

太陽能和風(fēng)能都是清潔、無污染、方便易得的可再生能源，通過光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以把這兩種自然清潔能源轉(zhuǎn)換成我們需要的電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，它的優(yōu)點是可靠性高、運行維護成本低，缺點是對日照要求高，在夜間和陰雨天無法有效工作。風(fēng)電系統(tǒng)是利用風(fēng)力發(fā)電機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，它的優(yōu)點是日發(fā)電量大，系統(tǒng)造價及維護成本低，缺點是常規(guī)水平軸風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)速有苛刻要求，四級風(fēng)以下基本上不發(fā)電。兩種發(fā)電技術(shù)單獨來看優(yōu)缺點都是非常明顯，然而這兩種技術(shù)結(jié)合起來卻擁有很好的互補性，能夠發(fā)揮優(yōu)勢抑制缺點，因為白天光照強時風(fēng)弱，夜間或陰天光弱時風(fēng)強，時間和資源上的互補性為風(fēng)光互補供電系統(tǒng)提供了可靠的能源保障[1]。所以風(fēng)光互補供電技術(shù)對于城市燃氣閥井監(jiān)控應(yīng)用來說，是一種合理的離網(wǎng)型供電方案。

1.1 系統(tǒng)組成

一套完善的風(fēng)光互補電源系統(tǒng)主要包括發(fā)電部分（太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機）、控制部分、儲能部分（蓄電池）和負載部分[2]。

1.2 技術(shù)闡述及選型原則

1.2.1 發(fā)電部分

太陽能電池板產(chǎn)生直流電，可選用單晶硅或多晶硅太陽能電池組件，使用高透光率低鐵鋼化玻璃，外部使用陽極化優(yōu)質(zhì)鋁合金邊框。選型要求發(fā)電效率高、壽命長、安裝便利、抗風(fēng)抗冰雹能力強[3]。

風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生交流電，選用低速型風(fēng)機。選型要求發(fā)電效率高、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量穩(wěn)定、在惡劣天氣情況下能自動偏航保護和自動剎車。

1.2.2 控制部分

風(fēng)光互補控制器為系統(tǒng)的核心部件。其工作原理是，單片機系統(tǒng)對光伏電池輸出電壓、風(fēng)機輸出電壓、蓄電池電壓、負載電流等完成采樣，并進行負載控制和譯碼顯示，通訊接口電路負責(zé)各種功能設(shè)定（如圖2）。

1.2.3 儲能部分

根據(jù)負載選擇合適功率的蓄電池。要求放電功率大、充電迅速、循環(huán)壽命長。充電模式采用階段充電法，綜合恒壓充電和恒流充電的優(yōu)勢，最大限度保護蓄電池，延長使用壽命。

1.2.4 負載部分

負載部分主要是閥井監(jiān)測設(shè)備（如壓力變送器、可燃氣體濃度探測器、液位計，數(shù)據(jù)采集單元、無線數(shù)據(jù)傳輸單元等）和閥門控制設(shè)備（電動執(zhí)行器、逆變器、控制電路）。

閥井監(jiān)測設(shè)備工作電壓為直流12-24V，工作電流為毫安級。

閥門控制設(shè)備工作電壓為直流24-48V、交流單相220V或交流三相380V，工作電流0.5-15A。

2 風(fēng)光互補供電技術(shù)在城市燃氣閥井監(jiān)控中的實際應(yīng)用

基于風(fēng)光互補供電技術(shù)、燃氣相關(guān)監(jiān)測技術(shù)以及閥門控制技術(shù)的成熟度，我們選擇在江蘇省昆山市進行相關(guān)系統(tǒng)的實驗性部署，以便檢測整體系統(tǒng)的實用性效果。

2.1 基本需求情況

選定昆山地區(qū)GXXX和GYYY兩口DN250次高壓閥井，進行風(fēng)光互補供電閥井監(jiān)測與閥門控制信息化改造。

負載耗電量估算：系統(tǒng)總功率為204.36W，其中處于長期工作狀態(tài)的弱電系統(tǒng)總功率為4.36W，具體分項數(shù)值詳見表1。

2.2 項目所在地發(fā)電相關(guān)自然條件

2.2.1 昆山市太陽能資源情況

昆山市的太陽能資源屬于三、四類，不算豐富但是也有一定的利用價值。年均日照時數(shù)為2014.7Hr，年均太陽總輻射量為4650MJ/m2，總體氣溫高、云量大、陰雨天較多、日照時數(shù)少，資源情況一般。

2.2.2 昆山市風(fēng)能資源情況

昆山市的風(fēng)能資源屬于風(fēng)能可利用區(qū)，年平均有效風(fēng)能密度在50-80W/m2，累積小時數(shù)在4000-5000小時，具體數(shù)據(jù)詳見表2。

2.2.3 加裝風(fēng)光互補供電系統(tǒng)，實現(xiàn)對井端監(jiān)測控制設(shè)備的供電保障。

風(fēng)光互補供電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)組成，其基本設(shè)備包括風(fēng)力發(fā)電機，太陽能電池組件，風(fēng)光互補控制器，直流匯流箱、風(fēng)光立桿等設(shè)備。

（1）風(fēng)力發(fā)電機

風(fēng)力發(fā)電機組由兩大部分組成，其一是風(fēng)力機，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能；其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換成電能。小型直流發(fā)電系統(tǒng)一般和蓄電池匹配使用。這種直流發(fā)電機相比結(jié)構(gòu)簡單，其輸出電壓隨風(fēng)速變化，需在發(fā)電機和負載間增加蓄電池和控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。

（2）太陽能光伏電池

當(dāng)太陽光輻射到光伏電池的表面時，光子會沖擊光伏電池內(nèi)部的價電子，當(dāng)價電子獲得大于禁帶寬度eg的能量，價電子就會沖出共價鍵的約束從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生大量非平衡狀態(tài)的電子-空穴對。被激發(fā)的電子和空穴經(jīng)自由碰撞后，在光伏電池半導(dǎo)體中復(fù)合達到平衡，實現(xiàn)發(fā)電的效能。

（3）風(fēng)光互補控制器

風(fēng)光互補控制器是集風(fēng)能、太陽能控制于一體的智能型控制器，能夠高效率地轉(zhuǎn)化風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池板所發(fā)出的電能，可對蓄電池進行充電。由于蓄電池只能承受一定的充電電流和浮充電壓，過電流和過電壓充電都會對蓄電池造成嚴(yán)重的損害。因此，風(fēng)光互補控制器通過單片機實時檢測蓄電池的充電電壓和充電電流，并通過控制風(fēng)機充電電流和光伏充電電流來限制蓄電池的充電電壓和充電電流，確保蓄電池既可以充滿，又不會損壞。從而確保蓄電池的使用壽命。

（4）蓄電池

在風(fēng)力、光照過剩的情況下，存儲負載供電多余的電能，在風(fēng)力、光照欠佳時，儲能蓄電池可以作為負載的供電電源；其次，蓄電池具有濾波作用，能使發(fā)電系統(tǒng)更加平穩(wěn)的輸出電能給負載；另外，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電很容易受到氣候、環(huán)境的影響，發(fā)出的電量在不同時刻有很大差別，蓄電池可以把它們很好的連接起來，將太陽能和風(fēng)能綜合起來，實現(xiàn)二者之間的互補作用。

（5）系統(tǒng)拓撲圖

（6）風(fēng)光互補系統(tǒng)調(diào)試

用萬用表測量各個部分的電壓數(shù)值是否正常，確認無誤后開始控制器功能設(shè)定，控制器通電后，系統(tǒng)處于瀏覽狀態(tài)，此時LCD屏幕顯示內(nèi)容如下：

當(dāng)確認屏幕顯示蓄電池電壓Ub與蓄電池實際電壓一致后，進入設(shè)置選項，進行一路、二路功率輸出設(shè)置（如圖7）。

功率輸出設(shè)定完畢后，進入使用模式框設(shè)置選項，設(shè)定負載工作模式（如圖8）。

負載工作模式有兩種狀態(tài)選項：

Lamp：代表半時輸出工作模式（此工作模式下，白天輸出電壓為零）；

Home：代表全時工作模式（此作模式下，全天24小時輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)電壓）。

負載工作模式全部設(shè)置完成后，退出設(shè)置選項狀態(tài)，此時LCD屏幕顯示內(nèi)容為蓄電池電壓狀態(tài)顯示，此時風(fēng)光互補控制器參數(shù)設(shè)定完畢。

檢測風(fēng)光互補供電系統(tǒng)各個設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常，在控制平臺檢查整體監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)是否正常，在上位機查看上傳電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場系統(tǒng)工作電壓比較，數(shù)值比對吻合后，系統(tǒng)安裝完畢。

3 風(fēng)光互補供電技術(shù)在城市燃氣閥井監(jiān)控中的測試效果

在昆山地區(qū)燃氣閥井GXXX和GYYY號閥井設(shè)備安裝完畢后，選擇GXXX號井為樣本，截取2017年11月28日0時-24時的上位機數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)采集間隔為4S，選取30分鐘間隔數(shù)據(jù)），可觀測到系統(tǒng)電池電壓在25.21V-27.76V之間波動。結(jié)合2017年11月28日昆山當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r，陣雨，西南風(fēng)3-4級，氣溫12-18℃，可以看出GXXX閥井風(fēng)光互補供電系統(tǒng)于9：30-17：00之間發(fā)電性能良好，整體電壓波動符合設(shè)計目標(biāo)，充分證明風(fēng)光互補供電技術(shù)在城市燃氣閥井監(jiān)控工作中可以有效的工作。

分析GXXX閥井上位機監(jiān)測數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)之后可以得到以下結(jié)論：

（1）在一個完整工作周期內(nèi)，分光互補發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)歷了以下四種工作模式：

a. 混合功率模式：光伏陣列與風(fēng)力發(fā)電機同時提供能量；

b. 無風(fēng)模式：白天情況下，風(fēng)速不足風(fēng)力發(fā)電機未啟動，僅光伏陣列提供負荷與電池組所需能量；

c. 無光模式：夜晚情況下，僅風(fēng)力發(fā)電機工作，光伏陣列不工作；

d. 電池放電模式：風(fēng)力發(fā)電機與光伏陣列均不工作，由備用電池組提供負荷所需能量。

（2）在各種工作模式狀態(tài)下，昆山地區(qū)GXXX號城市燃氣閥井監(jiān)控系統(tǒng)工作正常，供電電壓輸出穩(wěn)定、可靠，可以判定風(fēng)光互補供電系統(tǒng)工作狀態(tài)好。

（3）各個工作模式之間可以進行高效的互補，能夠適應(yīng)各種天氣情況，大大提高了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，可以向負載系統(tǒng)穩(wěn)定的提供電源供應(yīng)，完全滿足城市燃氣閥井監(jiān)控系統(tǒng)的供電需求。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)、閥井監(jiān)測技術(shù)、閥門控制技術(shù)、風(fēng)光資源調(diào)查方式等理論情況的充分分析，和對測試地點環(huán)境因素的充分調(diào)查，再結(jié)合昆山地區(qū)GXXX、GYYY兩口閥井信息化改造的結(jié)果，我們可以得出結(jié)論：風(fēng)光互補供電技術(shù)在城市燃氣閥井監(jiān)測和控制中可以提供所需電能，穩(wěn)定性和實用性完全滿足燃氣公司的實際需要，對比安裝市電的模式，在經(jīng)濟性和便利性上也有巨大的優(yōu)勢。風(fēng)光互補供電技術(shù)可以解決長期以來困擾燃氣公司信息化發(fā)展的難題，在城市燃氣閥井監(jiān)測和控制領(lǐng)域內(nèi)將大有作為！

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