西气东输二线江西段监视阀室太阳能供电系统升级改造

胡天明，贾彦琨，李小龙

（中石油管道有限责任公司西气东输分公司南昌管理处，江西 南昌 330038）

随着国家管网成立，国内天然气长输管道已逐步形成全国一张网，作为国家能源大动脉，长输管道安全运行至关重要。监视阀室是长输管道重要设施，阀室远程监控系统由太阳能系统供电，近年来，在冬春季连续阴雨天气，监控系统经常断电，调控中心无法实时监控阀室。经过严格计算，发现原太阳能供电系统容量不足，需要进行升级改造，确保阀室安全可控。

1 项目概况

西气东输二线江西段共有35个监视阀室，阀室太阳能系统现由2块155WP太阳能板、12块 200Ah/2V蓄电池和太阳能控制器组成。太阳能系统所带负载为远程监视终端系统，平常负载电流大概0.4A。冬春季连续阴雨天气时，太阳能供电系统经常因电量耗尽而断电。现对断电现象进行分析，需要对太阳能供电系统进行改造。

2 系统分析

2.1 蓄电池容量分析

蓄电池容量计算原则，建议依据中国石油天然气股份有限公司天然气与管道分公司发布的《CDP-S-GUP-EL-012-2015-2油气储运工程太阳能电源系统技术规格书》中要求的公式计算：

式中，C为蓄电池额定需求容量（Ah）。P为负荷容量：10W。T为蓄电池后备时间（h）：以南昌为例，连续阴雨天数据如表1，最长时间达到了12.7天，为保证用电稳定建议至少依据15天进行设计，即360h。

fV为温度折算系数：考虑温度对蓄电池容量的影响，温度越高，蓄电池放电能力越强，温度降低，放电能力相应减弱。本项目安装于江西省，考虑环境温度及蓄电池自身发热、电池箱保温、剩余功率加热，建议依据0℃进行设计，即温度折算系数1.25。

fC为容量补偿系数：考虑充放电运行时容量损失，根据铅酸蓄电池特性，容量补偿系数取值为1.05。

fL为寿命折算系数：本系数为系统长期运行后的自然损耗，为保证寿命终期放电能力，取值为1.1。

fE为放电深度；为蓄电池寿命考虑，铅酸蓄电池不应完全放空，电池应具有20%的备用容量。建议取值：0.8。

表1

Fm为活化系数；蓄电池长时间放电系数，本项目活化系数取值为1。

Ka为线缆损耗；本项目太阳能系统的线损，取值为0.99。

UN为系统电压：考虑本项目负荷为24V，因此，本项目系统电压为24V。

将上述所确定的系数代入公式，即可得出相应的蓄电池额定容量：

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

2.2 太阳能极板容量计算

在太阳能电源技术的光伏极板容量计算中，我们依据《油气储运工程太阳能电源系统技术规格书》中的公式要求进行计算：

表2 不同角度倾斜面上的各月日总太阳辐射月均值的辐射数据 (kWh/m2/day)

式中，P为太阳能电池组件的总容量(W)。Ns为太阳能电池组件的串联块数（块）。Np为太阳能电池组件的并联数（块）。Wp为单块太阳能电池组件的峰值功率（Wp）：320W，320Wp太阳能组件，组件峰值功率320Wp。U为系统额定电压（V）：24V。Upv为太阳电池组件额定电压（V）：37.3V。Io为单块太阳能电池组件的峰值电流（A）：8.6A。Pwh为负载日耗电量（Wh）：Pwh=负载容量×24h=10×24=240Wh。Cwh为在连续阴雨天期间，蓄电池放电的总容量（Wh）：Cwh=Pwh（负载日耗电量）×15天（连续阴雨天）=240×15=3600Wh；Td为日照最差季节每天的等效日照时间（h）：2.57。

选取南昌（东经115.89°、北纬28.68°）作为设计参考点，该地点不同角度的日照强度如表2（依据NASA气象数据）。

选取28°作为板阵倾角，取日照最低月2月的2.57小时。

η为太阳能电池组件发电量的修正系数，考虑效率、温度、污垢等对组件发电量的影响。修正系数=控制系统效率×线损系数×衰减系数×污垢系数×温度系数。

其中：

控制系统效率：不小于96%。

线损系数：按98%取值。

组件衰减系数：运行10年后组件输出功率的降效不超过10%，因此，按90%取值。

污垢系数：根据当地的空气清洁度和风速，建议按95%取值。

温度系数：选1。

根据上述取值原则：

修正系数 =96%×98%×90%×95%×1=80.4%，按照 80%进行计算。

D为蓄电池深放电恢复周期（天）：考虑蓄电池深度放电后需要尽快回充，按30天恢复周期计算。

将上述系数代入公式，可得出相应的极板容量：

2.3 结论

（1）200Ah蓄电池容量不足，已经不能满足系统可靠运行。换成1组400Ah光伏专用管桩正极板铅酸胶体蓄电池。

（2）155W极板容量配置不足，致使电池长期处于亏电状况，对蓄电池性能及寿命有损。换成2块320Wp极板，总容量640Wp。

3 改造原则

（1）解决配置不足，容易断电问题。增大太阳能板容量，提高蓄电池的回充能力。35个阀室共有70块旧极板，本着节省成本原则，6块旧极板利旧安装到一个阀室，共组装11个阀室。剩余24个阀室采用新极板，安装2块320W极板。增加蓄电池组，提高蓄电池储能能力，更换成12块400Ah蓄电池。

（2）解决冬季低温情况下，蓄电池容量下降问题。选用管桩正极板胶体太阳能专用电池，充放电循环次数更高、寿命长，具有更好的温度特性，且更加适应太阳能每天浅充浅放的应用特征。更换蓄电池箱，增加保温功能。

（3）更换工业级控制器，充放电更符合蓄电池的性能要求，延长蓄电池寿命。

（4）解决夏季蓄电池温度高，影响蓄电池寿命的问题。对蓄电池箱加装遮阳棚，减少高温对蓄电池寿命的影响。

4 改造后拓扑图（如图1）

图1

5 改造效果

2019年8月，江西段35座阀室全部改造完毕，运行至今，未发生因连续阴雨天气导致停电问题。

6 结语

通过太阳能供电系统结构、电池容量计算、极板容量计算分析，进一步了解了太阳能的结构和工作原理，为以后设备的维护、维修提供了理论依据。及时处理设备出现的问题，快速找出故障症结，从源头解决监视阀室太阳能供电不足问题，确保长输管道安全。