太陽能光伏發(fā)電在大慶油田的有效應用

侯松偉(大慶油田有限責任公司第九采油廠，黑龍江 大慶 163511)

0 引言

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡稱光伏發(fā)電，是一種利用半導體材料進行光伏效應，將太陽光輻射能直接轉換為電能的新型發(fā)電系統(tǒng)。其除了日照之外，無需其他任何燃料，也沒有機械運轉部件，架設區(qū)域也十分靈活。

1 大慶油田太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀

大慶油田是我國最大的油田，位于松遼平原中部，由薩爾圖、杏樹崗等油氣田組成。進入新時期后，大慶油田堅持以科學發(fā)展觀為根本，向可持續(xù)發(fā)展方向努力，建設起太陽能光伏發(fā)電。大慶是我國太陽能資源二類地區(qū)，日照時間較長，空氣清潔良好，并且大慶油田采油作業(yè)都位于野外，地勢比較平坦，沒有高大遮擋物，非常適合太陽能光伏發(fā)電的架設?，F(xiàn)階段大慶油田已經建成較為完善的光伏發(fā)電矩陣以及企業(yè)供電網(wǎng)絡，油田共計有不同電壓等級的變電所300余座，為光伏發(fā)電的電量送出與消納提供了非常理想的條件[1]。通過將高耗能設備更換為光伏發(fā)電系統(tǒng)，以實現(xiàn)大幅節(jié)能減排的目標，1MW的光伏發(fā)電站每年可節(jié)省等價替代煤140噸，二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物排放皆有不同程度降低。

2 太陽能光伏發(fā)電在大慶油田中的應用

2.1 油氣管道閥室電源

隨著油田開發(fā)的增多，地面建設及設備也在不斷增加，而油氣田分布廣泛，處于外圍的油田閥室更是偏遠，分布范圍也比較零散，部分油氣管道閥室無法獲得可靠電源供應，如果建設供電系統(tǒng)其成本與用電量不成正比，并且遇到惡劣天氣時變壓器可能發(fā)生損壞。大慶油田選擇使用光伏發(fā)電為油氣管道閥室供應電力是有原因的，首先光伏組件體積小，質量輕，在運輸和安裝過程中簡單靈活，出現(xiàn)電力負荷的情況也能及時增加光伏電池陣列；其次光伏發(fā)電可以直接利用閥室建筑上方空余區(qū)域，不需要單獨占地；最后光伏發(fā)電的運行維護成本低，運轉可靠，無需人員值守，正常情況下僅要10塊太陽能電池板便可穩(wěn)定運行5至10年[2]。

2.2 油氣設施陰極保護電源

石油或天然氣在日常輸送過程中的油氣設施會受到電化學腐蝕的影響，現(xiàn)階段為了解決原油油罐和油氣管道電化學腐蝕的主要方法有加電流保護(強制陰極保護)和犧牲陽極保護兩種，都是為保護油氣設施而通以足夠的極化電流，是被保護金屬成為陰極，實現(xiàn)陰極極化，從而完成電化學保護。過往為實現(xiàn)陰極保護，需要占用部分土地建設電力站，導致供電電源不獨立，部分管理不具備斷電電位測試條件，斷電電位達不到保護準則要求[3]。而光伏發(fā)電可以不受空間限制，建設多方位的光伏電池陣列，斷電保護及電位都可以由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行孔，更容易為油氣設施提供電流，有效保護系統(tǒng)。

2.3 輸油管道電加熱

由于傳統(tǒng)的蒸汽加熱方式在經濟性和實用性方面都有很大的缺陷，目前大慶油田輸油管道多使用電熱絲進行加熱，不僅操作方便而且經濟。電能在眾多能源是容易與長距離傳輸?shù)哪芰啃问?，電源與加熱件之間簡單的導線聯(lián)接就可以實現(xiàn)能量的傳輸，并且電能傳輸過程中，自身損失較少。大慶油田原油黏度較大，年平均溫度在4℃左右，且冬季較長，需要較高的加熱溫度。使用太陽能光伏發(fā)電，可以為輸油管道提供輔助電源，減少對火力發(fā)電的依賴。

2.4 油氣管道自動測控系統(tǒng)

大慶油田的主要設備及油氣管道大都分布在野外，維護和管理較為繁雜。雖然石油，天然氣都是現(xiàn)代社會發(fā)展必不可少的能源，但是其易燃，易爆等特性注定油氣管道的安全管理馬虎不得。在油氣管道長年使用期間會受到天氣、腐蝕、漲縮等因素影響，而人員無法時刻監(jiān)視油氣管道狀況，也沒有人手能覆蓋到大量的管道之中。不過隨著信息化技術的不斷發(fā)展，油田油氣管道的監(jiān)控逐漸現(xiàn)代化，依靠無人機，電子眼等方式進行油氣管道的維護與檢查，相對的這些電子產品也需要充電使用，安設太陽能充電系統(tǒng)，便可在野外隨意使用。另外油氣管道自動測控系統(tǒng)正在建設之中，將油氣管道、光伏系統(tǒng)和自動測控系統(tǒng)結合在一起，實現(xiàn)對石油采集輸送等相關設備的監(jiān)測，不見能保證油氣管道能長時間處于監(jiān)控狀態(tài)下，還能節(jié)省大量的人力物力。

2.5 路燈照明及道路監(jiān)控

太陽能光伏發(fā)電的基本應用效果便是與路燈及道路之上，太陽能路燈不需鋪設電力管線，具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長等特點，除路燈外，在油田泵站閥室，生活方面都需要用到照明，油田本身就是一個生活區(qū)與工作區(qū)相結合的地點，利用太陽能光伏發(fā)電可以為工作和生活提供用電，減少因火力發(fā)電或購買電力出現(xiàn)的成本，在道路監(jiān)控方面也有使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，配合時間控制，在需要的時間段對油田道路進行監(jiān)控和調度，安排蓄電池的配合將能進一步延長光伏發(fā)電在實際生活中的應用效果。

2.6 邊遠油井供電系統(tǒng)

除了上文提到的閥室和油氣管道，邊遠油井更是處在整個油田區(qū)域的最外沿，并且因為油井的特殊性質，其附近不能建設較大規(guī)模的電力站，所以供電系統(tǒng)的選擇尤為重要，使用太陽能光伏系統(tǒng)與蓄電池配合，可以滿足油井的生產要求，在光伏電站架設電池板方陣，可使用并網(wǎng)或離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在白天為油井抽油機供電，并將多余電力輸送到電網(wǎng)或蓄電池中，在夜晚時，使用逆變器將蓄電池電力排出，為油井供電。太陽能光伏發(fā)電不只能節(jié)約火力發(fā)電資源，并且是屬于一次投入長時間使用的系統(tǒng)，不像煤炭、石頭還需要進行資源消耗量的計算，節(jié)約的成本簡單明了。

2.7 設備防盜電報警系統(tǒng)

由于大部分油井都在野外，這就給了不法分子盜竊電能，甚至偷盜油井設備的機會，比較常見的盜竊手段是繞越計量，私接公線，并且竊電人員的線路接觸電阻較高，在電流的熱效應下會發(fā)生跳火斷股甚至斷線的情況，為電力線路及油井作業(yè)帶來了嚴重危害。但使用太陽能光伏發(fā)電卻可以避免此種現(xiàn)象，太陽能發(fā)電集中于白天，大量職工在油井工作，而夜晚由蓄電池進行供電，竊電分子沒有電力線路可以私接，并且光伏發(fā)電時間長，電力供給平穩(wěn)，竊電情況的出現(xiàn)能立刻反應到防盜電報警系統(tǒng)上，提高油井安全性。

3 太陽能光伏發(fā)電在大慶油田的應用效益

3.1 節(jié)能減排

太陽能作為無公害，安全可靠，建設周期短的能源，在各國都有著巨大的吸引力。如今全球許多石油和天然氣生產地區(qū)政治和經濟局勢的不穩(wěn)定性，我國為減少對國外能源的依賴，解決日益突出的環(huán)境問題和與礦物燃料發(fā)電相關的氣候變化風險，大力推廣太陽能的使用。大慶油田響應由國家能源局印發(fā)的《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，為促進太陽能產業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，加快太陽能多元化應用提供助力。以2019年為例，全國光伏發(fā)電量達2243億kW·h，同比增長26.3%，其中大慶油田發(fā)電約90億kW·h，且大慶地區(qū)棄光率低至0.4%。為將傳統(tǒng)化石能源和煤電轉變?yōu)榍鍧嶋娏?，大慶油田新增裝機容量29萬kW，光伏電站22個，減排二氧化碳2.79t、二氧化硫91t。此外大慶油田2019年用電量為167億kW·h，其中依靠煤礦燃氣發(fā)電122億kW·h，風電21億kW·h，而光伏發(fā)電用量占比約為11.3%，其余電力皆用于城市居民，可以看出大慶油田發(fā)展新能源的空間巨大，前景良好，在未來不僅將減少火力發(fā)電造成的環(huán)境污染排放，也降低了煤炭，石油等有限資源的消耗。

3.2 資源利用

雖然光伏電站規(guī)規(guī)模大小不影響投資收益，但發(fā)電量會受到裝機容量，組件方位角度，轉化效率，天氣因素所影響。近日，國家發(fā)展改革委印發(fā)《關于2020年光伏發(fā)電上網(wǎng)電價政策有關事項的通知》，其中將繼續(xù)對集中式光伏發(fā)電制定指導價。將納入國家財政補貼范圍的I-III類資源區(qū)新增集中式光伏電站指導價，分別確定為每千瓦時0.35元、0.4元、0.49元(含稅)。納入2020年財政補貼規(guī)模，采用“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式的工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目，全發(fā)電量補貼標準調整為每千瓦時0.05元。大慶油田屬于二類資源區(qū)，集中式和分布式光伏發(fā)電都有涉及，不過油田本身用電的高峰低谷會有所不同，雖然可以達到資源利用的自發(fā)自用，但在部分用電峰值以及陰雨氣候時仍需電網(wǎng)供電，以每小時八十萬千瓦計算，每年用電成本仍有60多萬元，這其中還不包括油田發(fā)展建設的用電量。在資源利用方面雖然太陽能光伏發(fā)電還無法支撐大慶油田的整體發(fā)展，但光伏發(fā)電帶來的成效顯著。

4 新型光伏發(fā)電技術在大慶油田的應用前景

4.1 最大功率點跟蹤技術

光伏電池陣列的輸出功率受太陽輻射強度、工作溫度，以及負載匹配情況等因素影響，其輸出輸入功率呈非線性，當光伏電池陣列工作到一個特定輸出電壓值時，光伏發(fā)電會獲得最大的輸出功率。大慶油田的油井分布較廣，部分油田處于松嫩平原北部，松遼盆地中部，其地勢有明顯的不對稱性，地面波狀起伏，崗凹相間，心態(tài)復雜，在部分時期光照差異明顯。在不考慮光伏發(fā)電矩陣的溫度效應下，使用最大功率點跟蹤技術，使光伏發(fā)電隨著信號轉變，達到最大化太陽能利用。

4.2 槽式聚光太陽能技術

現(xiàn)階段我國光電轉換效率門檻為18%，理論上最高光電轉換效率為31%，利用成熟的聚光技術，將入射太陽能聚光到光伏電池陣列免表，在相同的電池材料用量下，光伏發(fā)電成本及輸出功率將會提高。不過大量聚光會導致光伏電池溫度升高，發(fā)電效率受到影響，并且出現(xiàn)光伏電池燒毀的情況[4]。從自然條件來看，大慶地區(qū)年平均溫度只有4℃左右，有利于光伏電池自然降溫，而聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的另一特點是光伏余熱集中，利用余熱回收系統(tǒng)不僅能提高太陽能利用率，而且可以作用與輸送管道的加熱上，或許在未來輸送管道不再埋入地下，而是與太陽能光伏發(fā)電結合到一起，一邊實現(xiàn)發(fā)電一邊完成加熱。

5 結語

充分利用油田區(qū)域內的空地，建設太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，將為大慶油田降低電力網(wǎng)絡的建設成本，同時在滿足生活區(qū)用電需求的前提下，可以將多余電量用于油井建設之中，或售賣給電網(wǎng)，具有良好的經濟效益。太陽能光伏發(fā)電屬于綠色能源，在未來的油田發(fā)展過程中，將會被大力推廣，政府也會進行資金補貼，應用情況及發(fā)展前景非?？捎^。