胡天明，賈彥琨，李小龍

（中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司南昌管理處，江西 南昌 330038）

隨著國(guó)家管網(wǎng)成立，國(guó)內(nèi)天然氣長(zhǎng)輸管道已逐步形成全國(guó)一張網(wǎng)，作為國(guó)家能源大動(dòng)脈，長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)行至關(guān)重要。監(jiān)視閥室是長(zhǎng)輸管道重要設(shè)施，閥室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由太陽(yáng)能系統(tǒng)供電，近年來(lái)，在冬春季連續(xù)陰雨天氣，監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)常斷電，調(diào)控中心無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控閥室。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算，發(fā)現(xiàn)原太陽(yáng)能供電系統(tǒng)容量不足，需要進(jìn)行升級(jí)改造，確保閥室安全可控。

1 項(xiàng)目概況

西氣東輸二線(xiàn)江西段共有35個(gè)監(jiān)視閥室，閥室太陽(yáng)能系統(tǒng)現(xiàn)由2塊155WP太陽(yáng)能板、12塊 200Ah/2V蓄電池和太陽(yáng)能控制器組成。太陽(yáng)能系統(tǒng)所帶負(fù)載為遠(yuǎn)程監(jiān)視終端系統(tǒng)，平常負(fù)載電流大概0.4A。冬春季連續(xù)陰雨天氣時(shí)，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)經(jīng)常因電量耗盡而斷電。現(xiàn)對(duì)斷電現(xiàn)象進(jìn)行分析，需要對(duì)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 系統(tǒng)分析

2.1 蓄電池容量分析

蓄電池容量計(jì)算原則，建議依據(jù)中國(guó)石油天然氣股份有限公司天然氣與管道分公司發(fā)布的《CDP-S-GUP-EL-012-2015-2油氣儲(chǔ)運(yùn)工程太陽(yáng)能電源系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書(shū)》中要求的公式計(jì)算：

式中，C為蓄電池額定需求容量（Ah）。P為負(fù)荷容量：10W。T為蓄電池后備時(shí)間（h）：以南昌為例，連續(xù)陰雨天數(shù)據(jù)如表1，最長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到了12.7天，為保證用電穩(wěn)定建議至少依據(jù)15天進(jìn)行設(shè)計(jì)，即360h。

fV為溫度折算系數(shù)：考慮溫度對(duì)蓄電池容量的影響，溫度越高，蓄電池放電能力越強(qiáng)，溫度降低，放電能力相應(yīng)減弱。本項(xiàng)目安裝于江西省，考慮環(huán)境溫度及蓄電池自身發(fā)熱、電池箱保溫、剩余功率加熱，建議依據(jù)0℃進(jìn)行設(shè)計(jì)，即溫度折算系數(shù)1.25。

fC為容量補(bǔ)償系數(shù)：考慮充放電運(yùn)行時(shí)容量損失，根據(jù)鉛酸蓄電池特性，容量補(bǔ)償系數(shù)取值為1.05。

fL為壽命折算系數(shù)：本系數(shù)為系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行后的自然損耗，為保證壽命終期放電能力，取值為1.1。

fE為放電深度；為蓄電池壽命考慮，鉛酸蓄電池不應(yīng)完全放空，電池應(yīng)具有20%的備用容量。建議取值：0.8。

表1

Fm為活化系數(shù)；蓄電池長(zhǎng)時(shí)間放電系數(shù)，本項(xiàng)目活化系數(shù)取值為1。

Ka為線(xiàn)纜損耗；本項(xiàng)目太陽(yáng)能系統(tǒng)的線(xiàn)損，取值為0.99。

UN為系統(tǒng)電壓：考慮本項(xiàng)目負(fù)荷為24V，因此，本項(xiàng)目系統(tǒng)電壓為24V。

將上述所確定的系數(shù)代入公式，即可得出相應(yīng)的蓄電池額定容量：

C=10×360×1.25×1.05×1.1/24/0.8/1/0.99=273Ah

2.2 太陽(yáng)能極板容量計(jì)算

在太陽(yáng)能電源技術(shù)的光伏極板容量計(jì)算中，我們依據(jù)《油氣儲(chǔ)運(yùn)工程太陽(yáng)能電源系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書(shū)》中的公式要求進(jìn)行計(jì)算：

表2 不同角度傾斜面上的各月日總太陽(yáng)輻射月均值的輻射數(shù)據(jù) (kWh/m2/day)

式中，P為太陽(yáng)能電池組件的總?cè)萘?W)。Ns為太陽(yáng)能電池組件的串聯(lián)塊數(shù)（塊）。Np為太陽(yáng)能電池組件的并聯(lián)數(shù)（塊）。Wp為單塊太陽(yáng)能電池組件的峰值功率（Wp）：320W，320Wp太陽(yáng)能組件，組件峰值功率320Wp。U為系統(tǒng)額定電壓（V）：24V。Upv為太陽(yáng)電池組件額定電壓（V）：37.3V。Io為單塊太陽(yáng)能電池組件的峰值電流（A）：8.6A。Pwh為負(fù)載日耗電量（Wh）：Pwh=負(fù)載容量×24h=10×24=240Wh。Cwh為在連續(xù)陰雨天期間，蓄電池放電的總?cè)萘浚╓h）：Cwh=Pwh（負(fù)載日耗電量）×15天（連續(xù)陰雨天）=240×15=3600Wh；Td為日照最差季節(jié)每天的等效日照時(shí)間（h）：2.57。

選取南昌（東經(jīng)115.89°、北緯28.68°）作為設(shè)計(jì)參考點(diǎn)，該地點(diǎn)不同角度的日照強(qiáng)度如表2（依據(jù)NASA氣象數(shù)據(jù)）。

選取28°作為板陣傾角，取日照最低月2月的2.57小時(shí)。

η為太陽(yáng)能電池組件發(fā)電量的修正系數(shù)，考慮效率、溫度、污垢等對(duì)組件發(fā)電量的影響。修正系數(shù)=控制系統(tǒng)效率×線(xiàn)損系數(shù)×衰減系數(shù)×污垢系數(shù)×溫度系數(shù)。

其中：

控制系統(tǒng)效率：不小于96%。

線(xiàn)損系數(shù)：按98%取值。

組件衰減系數(shù)：運(yùn)行10年后組件輸出功率的降效不超過(guò)10%，因此，按90%取值。

污垢系數(shù)：根據(jù)當(dāng)?shù)氐目諝馇鍧嵍群惋L(fēng)速，建議按95%取值。

溫度系數(shù)：選1。

根據(jù)上述取值原則：

修正系數(shù) =96%×98%×90%×95%×1=80.4%，按照 80%進(jìn)行計(jì)算。

D為蓄電池深放電恢復(fù)周期（天）：考慮蓄電池深度放電后需要盡快回充，按30天恢復(fù)周期計(jì)算。

將上述系數(shù)代入公式，可得出相應(yīng)的極板容量：

2.3 結(jié)論

（1）200Ah蓄電池容量不足，已經(jīng)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)可靠運(yùn)行。換成1組400Ah光伏專(zhuān)用管樁正極板鉛酸膠體蓄電池。

（2）155W極板容量配置不足，致使電池長(zhǎng)期處于虧電狀況，對(duì)蓄電池性能及壽命有損。換成2塊320Wp極板，總?cè)萘?40Wp。

3 改造原則

（1）解決配置不足，容易斷電問(wèn)題。增大太陽(yáng)能板容量，提高蓄電池的回充能力。35個(gè)閥室共有70塊舊極板，本著節(jié)省成本原則，6塊舊極板利舊安裝到一個(gè)閥室，共組裝11個(gè)閥室。剩余24個(gè)閥室采用新極板，安裝2塊320W極板。增加蓄電池組，提高蓄電池儲(chǔ)能能力，更換成12塊400Ah蓄電池。

（2）解決冬季低溫情況下，蓄電池容量下降問(wèn)題。選用管樁正極板膠體太陽(yáng)能專(zhuān)用電池，充放電循環(huán)次數(shù)更高、壽命長(zhǎng)，具有更好的溫度特性，且更加適應(yīng)太陽(yáng)能每天淺充淺放的應(yīng)用特征。更換蓄電池箱，增加保溫功能。

（3）更換工業(yè)級(jí)控制器，充放電更符合蓄電池的性能要求，延長(zhǎng)蓄電池壽命。

（4）解決夏季蓄電池溫度高，影響蓄電池壽命的問(wèn)題。對(duì)蓄電池箱加裝遮陽(yáng)棚，減少高溫對(duì)蓄電池壽命的影響。

4 改造后拓?fù)鋱D（如圖1）

圖1

5 改造效果

2019年8月，江西段35座閥室全部改造完畢，運(yùn)行至今，未發(fā)生因連續(xù)陰雨天氣導(dǎo)致停電問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電池容量計(jì)算、極板容量計(jì)算分析，進(jìn)一步了解了太陽(yáng)能的結(jié)構(gòu)和工作原理，為以后設(shè)備的維護(hù)、維修提供了理論依據(jù)。及時(shí)處理設(shè)備出現(xiàn)的問(wèn)題，快速找出故障癥結(jié)，從源頭解決監(jiān)視閥室太陽(yáng)能供電不足問(wèn)題，確保長(zhǎng)輸管道安全。