太陽能發(fā)電在天然氣管道項目中的應用

高 敬 王 亮 彭 俊 黃朝平

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西 西安710000）

隨著能源危機問題的出現，發(fā)展清潔能源已成為各國尋求可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。近年來，風能和太陽能的利用得到加強。然而，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電具有較強的隨機性，對電力系統的靈活性要求較高。而燃氣機組可以快速響應新能源輸出的波動，且具有低環(huán)境污染的特點。另一方面，隨著電力燃氣技術的產生和發(fā)展，多余的清潔電力可以轉化為天然氣并泵入天然氣管道網絡，天然氣系統和電力系統之間的耦合程度得到了進一步加強。

1 太陽能發(fā)電系統概述

太陽能發(fā)電系統可分為離網發(fā)電系統、并網發(fā)電系統和分布式發(fā)電系統。其中，離網發(fā)電系統主要由太陽能電池組件進行控制；并網發(fā)電系統是指將太陽能電池組件產生的直流電通過逆變器轉換為滿足電網要求的交流電后，直接與公共電網連接，其主要特點是發(fā)電可以直接傳遞到電網，并且可以統一部署電網為用戶供電，但是具有建設周期長、占地面積大的劣勢；分布式小規(guī)模并網發(fā)電系統具有投資少、建設速度快、占地面積等優(yōu)點，是當前并網發(fā)電領域的主流發(fā)展趨勢。分布式發(fā)電系統是指在用戶現場或附近安裝小型光伏發(fā)電系統，以滿足特定用戶的需求。分布式光伏發(fā)電系統的基本設備包括光伏電池組件、光伏陣列支架、直流配電柜、交流配電柜等，其太陽能電池模塊陣列通過直流匯流箱將由太陽能轉換后的電能轉換為直流配電柜，并通過電網反轉將逆變器連接到交流電源。

2 閥室的功能及特點

RTU 閥室是沿管道安裝可遠程獲取的管線信息的控制樞紐，其能夠借助系統內設置的遠程數據采集以及通訊設備對管道的整個運行狀態(tài)進行檢測，進而可以在管道運行過程中發(fā)生故障時及時地給出預警信息，最大限度地防止管道發(fā)生事故?？梢哉f，RTU閥室的運行質量直接關系著整個運輸管道的運行安全。結合RTU閥室的功能要求，將RTU閥室設置為與管道有一定距離的重要交叉控制點，在環(huán)境偏遠的地區(qū)，道路交通支持和公共資源對能源的依賴較少，使得管路閥室的作用顯得更加重要。閥室在基本運行時要具有可靠性、穩(wěn)定性及可操作性，且能夠在管道故障發(fā)生時緊急投入使用，因此，對于RTU閥室的電源提出了很高的要求。

3 天然氣管道閥門供電方案

RTU閥室的電氣設備屬于負荷較小的電子設備，因此，在實際應用中，對于RTU 閥室內部的供電電流穩(wěn)定性要求較高，同時，結合RTU閥室對整個運輸管道的運行安全的重要程度來看，必須確保RTU閥室在運行的過程中具備較為穩(wěn)定的供電系統。本文中所研究的RTU 閥室是沿線經濟發(fā)達、人口密集、太陽能資源充沛、外部供電條件良好的項目，因此可采用太陽能電源、小型燃氣發(fā)電以及外結入電源三種供電方案。

3.1 太陽能電源。太陽能電源是太陽能電池板和電池的組合的電力系統。當有陽光時，太陽能電池板發(fā)電以為負載供電，同時為電池充電。沒有陽光時，電池會放電至負載。太陽能發(fā)電系統利用的是可再生資源，因此不需要燃料，無任何污染，且基本上不需要任何操作和維護，使用壽命長。但是太陽能源會受到自然氣候條件的限制，如太陽輻射強度、日照時間等。在國內管道工程中，太陽能發(fā)電在油氣管道工程中有著大量的應用實例，如大鵬液化天然氣管道、西氣東輸工程等。經計算，本項目RTU閥室太陽能發(fā)電方案配置如下：項目沿線地區(qū)最長的連續(xù)陰雨天氣超過30 天，太陽能電池板配置為5054 Wp，電池配置為7500A·h。

3.2 小型燃氣發(fā)電機電源。小型氣體發(fā)生器電源有兩種類型，即TEG和CCVT。熱電發(fā)電裝置利用熱電偶原理發(fā)電，并通過將熱能直接轉換為電能來發(fā)電，核心組件是熱電偶，燃料是天然氣。該種形式的發(fā)電模式基本上不受環(huán)境條件的影響，且結構簡單、維護工作量少，但適合數百至幾千瓦的負載情況下的供電。結合該項目中的供電需求，TEG 功率方案配置如下：每個站點TEG 使用176WTEG設備，并且是一主用與一備用。閉環(huán)蒸汽輪機發(fā)電裝置中的有機工作介質被燃燒器加熱，并引入到渦輪機中，且渦輪機旋轉以驅動同軸發(fā)電機以產生交流電，然后有機流體進入冷凝器進行冷卻，變成液體回流冷卻渦輪發(fā)電機，并對軸承進行潤滑，最終返回到蒸汽發(fā)生器進行完整的循環(huán)。只要蒸汽發(fā)生器不斷被加熱，所需的電流就會持續(xù)產生。CCVT之所以與眾不同，是因為該系統的核心組件可真正做到在無需維護條件下持續(xù)工作25 年。此項目中的CCVT 電源方案配置為：每個站點CCVT 使用兩臺400W CCVT設備，分別為一主用、一備用。

3.3 外電源。外部電源是來自公共電網的10kV電源。當在閥室周邊適當距離內有可靠的外部電源時，通常選擇外部電源作為閥室電源。從10kV公共電網連接電源，經變壓器改變電壓后，將低壓電源引入閥室設備，然后通過UPS 分配給每個負載，同時，UPS的備用電池時間取決于電源。根據系統運行的可靠性，通常不少于72 小時。該方案具有經濟、可靠、維護量少的優(yōu)點。本項目的外部電源方案配置為：外部電源電路、變壓器和UPS。根據最大適用條件，將外部電路選擇為3km，將變壓器選擇為5kV·A，將UPS選擇為3kV·A。

4 方案的對比

4.1 技術對比。相比小型燃氣發(fā)電機電源供電方案與外部電源供電方案，太陽能供電方案最大的優(yōu)點在于其環(huán)保性，但太陽能方案的布設會受到地理位置、天氣等條件的限制。小型燃氣發(fā)電機電源供電方案環(huán)境適應性強于太陽能供電方案，但其最大的缺點在于在供電過程中需要消耗管道內的燃氣，安全性以及環(huán)保性較弱。外部電源解決方案具有功能簡捷等優(yōu)勢，但缺點是由于RTU 閥室對供電系統的供電穩(wěn)定性要求較強，難以確保RTU 閥室附近具有較強穩(wěn)定性的可接入外部電源，此外，外部電源需要進行定期的維護與保養(yǎng)，后期維護保養(yǎng)成本較高。

4.2 經濟性對比。適應性：就本項目而言，太陽能供電方案受自然采光條件的影響很大，其可靠性在雨季會受到影響。小型燃氣發(fā)電機電源供電方案需要根據閥室的地理位置進行布設，因此，其供電方案的適應性不強。同樣，對于外部電源供電方案來說依然要結合需求來定，其適應性同樣存在不足。安全性：相比其它兩種供電方案而言，太陽能供電方案更加的安全可靠，小型燃氣發(fā)電機電源供電方案中由于需要使用管道內的燃氣，因此在使用過程中存在天然氣泄漏引起保障的危險，供電安全性不高。外部電源供應由于供電方案的電壓為380/220V，所以在供電過程中存在因人員操作不規(guī)范而引起的觸電事故，故外部電源供電方案安全性同樣要低于太陽能供電方案。維護要求：太陽能供電方案雖說一次性投入較大，但后期并不需要進行較大的維護，即太陽能電池消耗殆盡前并不需要進行維護，而小型燃氣發(fā)電機電源供電方案則在日常維護中需要定期地進行零部件的更換、維護以及檢修，保養(yǎng)要求高，外部接入電源供電系統要求定期檢查和維護外部電源線。環(huán)保性能：對比三種供電方案，太陽能供電方案相比小型燃氣發(fā)電機電源供電以及外電源供電方案具有明顯的環(huán)保性，首先，太陽能供電方案不需要額外的化石然燃料，且在供電過程中并無廢氣產生，而小型燃氣發(fā)電機電源供電方案不僅需要消耗大量管道內的燃氣，且在供電過程中會產生大量的CO2，因此，小型燃氣發(fā)電機電源供電方案環(huán)保性能相對較差；外部電源無排放，具有較高的環(huán)保性，如下表所示。

節(jié)能減排數據

經過整體分析，隨著負荷的增加，太陽能供電方案的投資會逐漸增加，TEG和CCVT方案的投資也同樣呈現出增加趨勢，但是外部電源方案的投資幾乎沒有變化。當負載小于600W時，與其他供電方案相比，太陽能供電方案的現值較小，具有明顯的優(yōu)勢；當負載大于600W且小于1000W時，太陽能方案比其他方案費用稍高，但如果考慮供電量增加等因素，太陽能供電方案成本基本上等同于其他方案；當負載大于1000W時，由于一次性投資過多，太陽能方案不適合該項目，且TEG和CCVT供電方案由于燃料氣體消耗的迅速增加，會造成成本的增加，此時應嘗試選擇外部電源方案。

5 結論

隨著我國大力發(fā)展資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，環(huán)境保護問題受到更多關注，在所有可再生資源中，太陽能以其清潔和方便而被廣泛接受和認可。眾所周知，太陽能發(fā)電系統在社會的生產和生活中被廣泛用作綠色能源，而太陽能發(fā)電系統在天然氣管道閥室內的工業(yè)應用，不僅可以有效、可靠地為無人值守的閥門室提供電源，而且可以保護管道周圍的環(huán)境。相信在不久的將來，隨著各種智能設備的出現和應用，太陽能發(fā)電在天然氣管道項目中的應用將更加地廣泛。