光伏發(fā)電系統(tǒng)在油田物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

Application ofPhotovoltaic Power Generation System in IOT of Oilfield

薛廣民¹ 趙世睿² 馬建華³

(1,3南方石油勘探開發(fā)有限責(zé)任公司  海南海口  570216

2 北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司 北京市 102206)

摘要：近年來(lái)，隨著國(guó)家“節(jié)能減排”、“開發(fā)利用可再生能源”等號(hào)召的提出，以及一系列相關(guān)政策和法規(guī)出臺(tái)，太陽(yáng)能在國(guó)內(nèi)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。光伏發(fā)電系統(tǒng)在油田油氣設(shè)施陰極保護(hù)、油氣管道自控測(cè)控系統(tǒng)、LED路燈綠色照明系統(tǒng)、邊遠(yuǎn)油井供電系統(tǒng)、油區(qū)道路監(jiān)控系統(tǒng)和油井生產(chǎn)設(shè)備防盜報(bào)警系統(tǒng)等方面的應(yīng)用效果良好，具有很好的節(jié)能減排和綠色低碳效果。本文以福山油田為例，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)井場(chǎng)的應(yīng)用。采用光伏發(fā)電系統(tǒng)可以擺脫山地、森林、河流、開闊地等特殊地理環(huán)境的限制，無(wú)須考慮電網(wǎng)線纜架設(shè)和施工問(wèn)題，徹底解決線纜架設(shè)工程周期長(zhǎng)，施工成本高昂，甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的困難。 關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；油田；物聯(lián)網(wǎng)；

Abstract:In recent years, after the propositions of national "energy saving", “developmentand utilization of renewable energy" and a series of related policies andregulations are published, solar energy has been more widely used in domestic. Photovoltaicpowergenerationsystemhas a good effect in these areas, such as Oilfield and oil gas facilitiescathodic protection, auto control and measurementcontrolsystemof oil and gas pipeline, green lighting system of LED lights, Remote oil wellpower supply system, oil region road monitoring system and oil well productionequipment anti-theft alarm system. And Photovoltaicpowergenerationsystemalso has a good role in energy conservation and green carbon field. This paperintroduce an application of photovoltaicpowergenerationsystemin well site of Fushan oilfield. The system gets rid of the restrictions of mountains,forests, rivers, open space and other special geographical environment, andcompletely solves the problems of power cable erection, long period of wiringworks and high cost of construction.

Keywords: Photovoltaicpower;Oilfield; IOT

1.引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家“節(jié)能減排”、“開發(fā)利用可再生能源”等號(hào)召的提出，以及一系列相關(guān)政策和法規(guī)出臺(tái)，太陽(yáng)能在國(guó)內(nèi)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。太陽(yáng)能供電技術(shù)作為一種高新技術(shù)，最早應(yīng)用于航空探險(xiǎn)等高端應(yīng)用場(chǎng)合，隨著各國(guó)的積極推動(dòng)，太陽(yáng)能供電技術(shù)也得到了日新月異的發(fā)展，太陽(yáng)能發(fā)電和太陽(yáng)能供電技術(shù)日益走進(jìn)民用應(yīng)用的場(chǎng)合。在油田建設(shè)中，主要采取電網(wǎng)供電和電池供電方式，電池供電往往只能解決臨時(shí)的需要，適合功率負(fù)載小的設(shè)備單元，不能作為長(zhǎng)期的供電電源；而采取電網(wǎng)供電方式存在諸多缺點(diǎn)：

（1）    供電方式為電纜輸送，工程施工困難，造價(jià)高昂；

（2）    系統(tǒng)維護(hù)不便，高壓輸送存在安全隱患，運(yùn)營(yíng)成本高；安裝、組網(wǎng)困難；

光伏發(fā)電系統(tǒng)是清潔、無(wú)污染的可再生能源，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，是新能源的領(lǐng)頭羊。近年來(lái)，太陽(yáng)能在油田應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在野外領(lǐng)域，太陽(yáng)能電源系統(tǒng)正逐步取代一些傳統(tǒng)的電源設(shè)備，得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用。

太陽(yáng)電池方陣在晴朗的白天把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能，給負(fù)載供電的同時(shí)，也給蓄電池組充電；在無(wú)光照時(shí)，由蓄電池給負(fù)載供電。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)電池組件構(gòu)成的太陽(yáng)電池方陣、太陽(yáng)能充電控制裝置、逆變器、蓄電池組構(gòu)成。

圖1 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)示意圖

油田開發(fā)屬于高能耗行業(yè)，開發(fā)利用可再生新能源、實(shí)施綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，既是企業(yè)自身發(fā)展的客觀要求，也是更好地承擔(dān)起油田企業(yè)節(jié)能減排的社會(huì)責(zé)任。本文以海南福山油田光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用方案為列，介紹太陽(yáng)能在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用。

2.光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用方案

2.1應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

海南福山油田地處海南省西北部，屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候。全年日照時(shí)間長(zhǎng)，輻射能量大，年平均日照時(shí)數(shù)2000小時(shí)以上，太陽(yáng)輻射量可達(dá)11到12萬(wàn)卡，年平均氣溫23.8℃，最高平均氣溫28.6℃，最低平均氣溫17.7℃。為太陽(yáng)能提供了良好的使用環(huán)境。福山油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)涵蓋了數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)等三大系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)部署在井站前端野外環(huán)境，需要提供220V交流電源。對(duì)于偏遠(yuǎn)井站，目前電網(wǎng)未能及時(shí)覆蓋。利用光伏太陽(yáng)能供電構(gòu)建的無(wú)線通信和視頻監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）    采用太陽(yáng)能獨(dú)立供電，無(wú)線傳輸，徹底無(wú)線化；

（2）    組件靈活，小巧，方便安裝與組網(wǎng)；

（3）    交直流供電方式，滿足多種負(fù)載用電的需要；

（4）   安全性好，維護(hù)費(fèi)用少，綜合造價(jià)低；

綜上所述，采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)可較好的解決偏遠(yuǎn)井站的電源供電問(wèn)題。

圖2無(wú)外電自噴井物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖

2.2供電需求分析

海南福山油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)涵蓋了油田90%生產(chǎn)區(qū)域的油氣井站及站場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，涉及到單井油套壓、油溫、載荷、位移、電力量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和井站無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的建設(shè)。針對(duì)偏遠(yuǎn)井站，采用了單套太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，給物聯(lián)設(shè)備進(jìn)行供電。單井場(chǎng)物聯(lián)設(shè)備配置及設(shè)備功率如下：

計(jì)算方法：

負(fù)載工作電壓為220V交流，平均為功率為100W，要求每天工作24h，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天為3天，當(dāng)碰到第一個(gè)連續(xù)陰雨天后蓄電池放空在每天正常使用前提下用多余發(fā)電量補(bǔ)充至下一次充滿的時(shí)間為3天，太陽(yáng)能電池組件采用Oasis高效率單晶硅。在海南35?度斜面安裝，年平均日接受日照為5.2小時(shí)，按此計(jì)算光伏方陣功率及蓄電池容量。

2.3 蓄電池組容量的計(jì)算

在同一年內(nèi)的不同月份中，太陽(yáng)能方陣發(fā)電量有很大差別。在發(fā)電量不能滿足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補(bǔ)足；在發(fā)電量超過(guò)用電需要的月份，蓄電池可將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)。綜上所述，方陣發(fā)電量的不足和過(guò)剩值，是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。同樣，連續(xù)陰雨天期間的負(fù)載用電也必須由蓄電池供給。所以，連續(xù)陰雨天期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。

蓄電池的容量BC計(jì)算公式為：

（1）蓄電池容量BC：

BC=A×QL×NL×To/DOD=1.1×100Ah×3d×1/0.75=440Ah

式中：A為安全系數(shù)，取1.1～1.4之間；

QL為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；

NL為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)；

TO為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；

DOD為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.7~0.8，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。

2.4 太陽(yáng)能電池方陣設(shè)計(jì)

（1）太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)數(shù)NS

將太陽(yáng)能電池組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來(lái)，就可獲得所需要的工作電壓，但是，太陽(yáng)能電池組件的串聯(lián)數(shù)必須適當(dāng)，太陽(yáng)能電池組件公稱電壓要與蓄電池組的公稱電壓相匹配。

計(jì)算方法如下：

NS=US/UM=24V/24V=2

式中：US為系統(tǒng)直流工作電壓，UM為單塊太陽(yáng)能電池組件公稱電壓。

（2）太陽(yáng)能電池組件并聯(lián)數(shù)NP

要計(jì)算出太陽(yáng)能電池組件并聯(lián)數(shù)NP，要按照以下步驟來(lái)計(jì)算。

①標(biāo)準(zhǔn)180Wp太陽(yáng)能電池組件日發(fā)電量Qp

Qp=Ioc×H×CzAh(4)=5A×5.2h×0.9=23.4Ah

式中：Ioc為太陽(yáng)能電池組件最佳工作電流；

H為太陽(yáng)能平均日照小時(shí)數(shù)（5.2小時(shí)）；

Cz為修正系數(shù)，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失，一般取0.9。

②最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天之后至重新充滿的間隔天數(shù)Nw，此數(shù)據(jù)為本設(shè)計(jì)之獨(dú)特之處，主要考慮要在此段時(shí)間內(nèi)將虧損的蓄電池電量補(bǔ)充起來(lái)，需補(bǔ)充的蓄電池容量Bcb為：

Bcb=A×QL×NLAh=1×100Ah×3d=300Ah

③太陽(yáng)能電池組件并聯(lián)數(shù)Np的計(jì)算方法為：

Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）=（300Ah+3d×100Ah）/(23.4×3d)=8.55

式中：Bcb為蓄電池在連續(xù)3天陰雨天后需補(bǔ)充的容量；

Nw為兩組連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)，是蓄電池虧電后恢復(fù)時(shí)間，這里取3天；

QL為負(fù)載每天的耗電量。

QP為180W太陽(yáng)能電池組件在海南市地區(qū)每天發(fā)電量。

式中的表達(dá)意為：并聯(lián)的太陽(yáng)能電池組組數(shù)，在兩組連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)內(nèi)所發(fā)電量，不僅供負(fù)載使用，還需補(bǔ)足蓄電池在最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天內(nèi)所虧損電量。

(3) 太陽(yáng)能電池方陣的功率計(jì)算

根據(jù)太陽(yáng)能電池組件的串并聯(lián)數(shù)，即可得出所需太陽(yáng)能電池方陣的功率P：

P=Po×Ns×Np  

Wp =180W×1×8.55 =1539Wp

式中：Po為太陽(yáng)能電池組件的額定功率， 這里是采用180Wp太陽(yáng)能電池組件。

(4) 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果：該負(fù)載需太陽(yáng)能電池方陣功率為1539Wp以上，蓄電池容量為24V440Ah以上。

設(shè)備選定：最后考慮逆變效率94%，得太陽(yáng)能電池方陣功率選用1800Wp（180Wp×6塊），蓄電池組采用2V、800Ah×24塊串聯(lián)。

3.結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能光伏技術(shù)的開發(fā)和規(guī)?；瘧?yīng)用，是油田節(jié)能減排規(guī)劃的重要組成部分，也是油田實(shí)施綠色、低碳發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。

本文介紹的光伏發(fā)電系統(tǒng)在福山油田的偏遠(yuǎn)井場(chǎng)取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果，通過(guò)光伏發(fā)電系統(tǒng)可為無(wú)線通信設(shè)備和視頻監(jiān)控設(shè)備及數(shù)據(jù)采集RTU控制器供電。在福山油田偏遠(yuǎn)井場(chǎng)的建設(shè)中，該方案的實(shí)施有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）  單井口數(shù)據(jù)采集設(shè)備可全部采用無(wú)線儀器儀表，因此物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)可以擺脫線纜的束縛，實(shí)現(xiàn)快速安裝，具有施工時(shí)間短，投入低，效果好的優(yōu)點(diǎn)；

（2）  采用光伏發(fā)電系統(tǒng)可以擺脫山地、森林、河流、開闊地等特殊地理環(huán)境的限制，無(wú)須考慮電源線及通信光纜的布線和施工問(wèn)題；

（3）  縮短布線工程周期，降低施工成本。

未來(lái)，福山油田將與光伏太陽(yáng)能技術(shù)相關(guān)企業(yè)合作，利用國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的光伏技術(shù)、生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)集成經(jīng)驗(yàn)，在油氣田開發(fā)及油氣管道工程中將可再生新能源科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，在共同合作研究開發(fā)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目中獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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