光伏發電系統在油田物聯網中的應用

Application ofPhotovoltaic Power Generation System in IOT of Oilfield

薛廣民¹ 趙世睿² 馬建華³

(1,3南方石油勘探開發有限責任公司  海南海口  570216

2 北京中油瑞飛信息技術有限責任公司 北京市 102206)

摘要：近年來，隨著國家“節能減排”、“開發利用可再生能源”等號召的提出，以及一系列相關政策和法規出臺，太陽能在國內得到了越來越廣泛的應用。光伏發電系統在油田油氣設施陰極保護、油氣管道自控測控系統、LED路燈綠色照明系統、邊遠油井供電系統、油區道路監控系統和油井生產設備防盜報警系統等方面的應用效果良好，具有很好的節能減排和綠色低碳效果。本文以福山油田為例，介紹了光伏發電系統在偏遠井場的應用。采用光伏發電系統可以擺脫山地、森林、河流、開闊地等特殊地理環境的限制，無須考慮電網線纜架設和施工問題，徹底解決線纜架設工程周期長，施工成本高昂，甚至根本無法實現的困難。 關鍵詞：光伏發電；油田；物聯網；

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，隨著國家“節能減排”、“開發利用可再生能源”等號召的提出，以及一系列相關政策和法規出臺，太陽能在國內得到了越來越廣泛的應用。太陽能供電技術作為一種高新技術，最早應用于航空探險等高端應用場合，隨著各國的積極推動，太陽能供電技術也得到了日新月異的發展，太陽能發電和太陽能供電技術日益走進民用應用的場合。在油田建設中，主要采取電網供電和電池供電方式，電池供電往往只能解決臨時的需要，適合功率負載小的設備單元，不能作為長期的供電電源；而采取電網供電方式存在諸多缺點：

（1）    供電方式為電纜輸送，工程施工困難，造價高昂；

（2）    系統維護不便，高壓輸送存在安全隱患，運營成本高；安裝、組網困難；

光伏發電系統是清潔、無污染的可再生能源，安裝維護簡單，使用壽命長，可以實現無人值守，是新能源的領頭羊。近年來，太陽能在油田應用越來越廣泛，特別是在野外領域，太陽能電源系統正逐步取代一些傳統的電源設備，得到越來越普遍的應用。

太陽電池方陣在晴朗的白天把太陽光能轉換為電能，給負載供電的同時，也給蓄電池組充電；在無光照時，由蓄電池給負載供電。太陽能供電系統由太陽電池組件構成的太陽電池方陣、太陽能充電控制裝置、逆變器、蓄電池組構成。

圖1 太陽能供電系統示意圖

油田開發屬于高能耗行業，開發利用可再生新能源、實施綠色低碳發展戰略，既是企業自身發展的客觀要求，也是更好地承擔起油田企業節能減排的社會責任。本文以海南福山油田光伏發電系統應用方案為列，介紹太陽能在油氣生產物聯網建設中的應用。

2.光伏發電系統應用方案

2.1應用現場環境

海南福山油田地處海南省西北部，屬于熱帶海洋性季風氣候。全年日照時間長，輻射能量大，年平均日照時數2000小時以上，太陽輻射量可達11到12萬卡，年平均氣溫23.8℃，最高平均氣溫28.6℃，最低平均氣溫17.7℃。為太陽能提供了良好的使用環境。福山油田物聯網建設涵蓋了數據采集子系統、數據傳輸子系統、生產管理子系統等三大系統。數據采集與傳輸子系統部署在井站前端野外環境，需要提供220V交流電源。對于偏遠井站，目前電網未能及時覆蓋。利用光伏太陽能供電構建的無線通信和視頻監控系統優點如下：

（1）    采用太陽能獨立供電，無線傳輸，徹底無線化；

（2）    組件靈活，小巧，方便安裝與組網；

（3）    交直流供電方式，滿足多種負載用電的需要；

（4）   安全性好，維護費用少，綜合造價低；

綜上所述，采用太陽能光伏發電系統可較好的解決偏遠井站的電源供電問題。

圖2無外電自噴井物聯網架構圖

2.2供電需求分析

海南福山油田物聯網建設涵蓋了油田90%生產區域的油氣井站及站場的物聯網建設，涉及到單井油套壓、油溫、載荷、位移、電力量等生產數據的采集和井站無線網絡通信的建設。針對偏遠井站，采用了單套太陽能供電系統，給物聯設備進行供電。單井場物聯設備配置及設備功率如下：

計算方法：

負載工作電壓為220V交流，平均為功率為100W，要求每天工作24h，最長連續陰雨天為3天，當碰到第一個連續陰雨天后蓄電池放空在每天正常使用前提下用多余發電量補充至下一次充滿的時間為3天，太陽能電池組件采用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，按此計算光伏方陣功率及蓄電池容量。

2.3 蓄電池組容量的計算

在同一年內的不同月份中，太陽能方陣發電量有很大差別。在發電量不能滿足用電需要的月份，要靠蓄電池的電能給以補足；在發電量超過用電需要的月份，蓄電池可將多余的電能儲存起來。綜上所述，方陣發電量的不足和過剩值，是確定蓄電池容量的依據之一。同樣，連續陰雨天期間的負載用電也必須由蓄電池供給。所以，連續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，取1.1～1.4之間；

QL為負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數；

NL為最長連續陰雨天數；

TO為溫度修正系數，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 太陽能電池方陣設計

（1）太陽能電池組件串聯數NS

將太陽能電池組件按一定數目串聯起來，就可獲得所需要的工作電壓，但是，太陽能電池組件的串聯數必須適當，太陽能電池組件公稱電壓要與蓄電池組的公稱電壓相匹配。

計算方法如下：

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

式中：US為系統直流工作電壓，UM為單塊太陽能電池組件公稱電壓。

（2）太陽能電池組件并聯數NP

要計算出太陽能電池組件并聯數NP，要按照以下步驟來計算。

①標準180Wp太陽能電池組件日發電量Qp

Qp=Ioc×H×CzAh(4)=5A×5.2h×0.9=23.4Ah

式中：Ioc為太陽能電池組件最佳工作電流；

H為太陽能平均日照小時數（5.2小時）；

Cz為修正系數，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失，一般取0.9。

②最長連續陰雨天之后至重新充滿的間隔天數Nw，此數據為本設計之獨特之處，主要考慮要在此段時間內將虧損的蓄電池電量補充起來，需補充的蓄電池容量Bcb為：

Bcb=A×QL×NLAh=1×100Ah×3d=300Ah

③太陽能電池組件并聯數Np的計算方法為：

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

式中：Bcb為蓄電池在連續3天陰雨天后需補充的容量；

Nw為兩組連續陰雨天之間的最短間隔天數，是蓄電池虧電后恢復時間，這里取3天；

QL為負載每天的耗電量。

QP為180W太陽能電池組件在海南市地區每天發電量。

式中的表達意為：并聯的太陽能電池組組數，在兩組連續陰雨天之間的最短間隔天數內所發電量，不僅供負載使用，還需補足蓄電池在最長連續陰雨天內所虧損電量。

(3) 太陽能電池方陣的功率計算

根據太陽能電池組件的串并聯數，即可得出所需太陽能電池方陣的功率P：

P=Po×Ns×Np  

Wp =180W×1×8.55 =1539Wp

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

(4) 計算結果

計算結果：該負載需太陽能電池方陣功率為1539Wp以上，蓄電池容量為24V440Ah以上。

設備選定：最后考慮逆變效率94%，得太陽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。

3.結束語

太陽能光伏技術的開發和規模化應用，是油田節能減排規劃的重要組成部分，也是油田實施綠色、低碳發展戰略的重要內容之一。

本文介紹的光伏發電系統在福山油田的偏遠井場取得了良好的實際應用效果，通過光伏發電系統可為無線通信設備和視頻監控設備及數據采集RTU控制器供電。在福山油田偏遠井場的建設中，該方案的實施有如下優勢：

（1）  單井口數據采集設備可全部采用無線儀器儀表，因此物聯網建設可以擺脫線纜的束縛，實現快速安裝，具有施工時間短，投入低，效果好的優點；

（2）  采用光伏發電系統可以擺脫山地、森林、河流、開闊地等特殊地理環境的限制，無須考慮電源線及通信光纜的布線和施工問題；

（3）  縮短布線工程周期，降低施工成本。

未來，福山油田將與光伏太陽能技術相關企業合作，利用國內領先的光伏技術、生產工藝和系統集成經驗，在油氣田開發及油氣管道工程中將可再生新能源科技成果轉化為現實生產力，在共同合作研究開發應用的產業項目中獲得良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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