張慶霞

中國石油集團電能有限公司供電公司

近年來我國實施了一系列政策和舉措，進行了非化石能源替代化石能源、低碳能源替代高碳能源，新型燃料和工業(yè)原料替代石油、天然氣的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用[1]?！笆奈濉逼陂g，中石油將啟動新能源專項規(guī)劃制定工作，積極推進化石能源與新能源全面融合發(fā)展的低碳能源生物圈建設(shè)，為打造有國際競爭力的綜合性能源公司奠定堅實基礎(chǔ)[2]。大慶地區(qū)光照充足，太陽能資源較為豐富。油田開發(fā)屬于高能耗行業(yè)，開發(fā)利用太陽能資源、實施綠色低碳發(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)能減排的社會責(zé)任[3]。大慶油田分布式光伏新能源系統(tǒng)按照建設(shè)規(guī)模及利用土地形式大致分為5 種類型：①利用廢棄井場及井間土地建設(shè)固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)；②圍墻光伏發(fā)電系統(tǒng)；③屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)；④零散小負荷自立式光伏發(fā)電系統(tǒng)；⑤利用井場空地建設(shè)橇裝式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1 固定安裝式光伏發(fā)電系統(tǒng)

利用廢棄井場及井間土地建設(shè)光伏電站模式與社會企業(yè)開發(fā)分布式或集中式電站建設(shè)模式基本相同，項目投資由光伏組件、支架、基礎(chǔ)、場地處理、接入系統(tǒng)等幾部分組成。其中光伏組件、支架部分社會企業(yè)開發(fā)已經(jīng)有比較成熟的經(jīng)驗可供借鑒，接入系統(tǒng)部分需根據(jù)周邊電力系統(tǒng)情況確定方案；基礎(chǔ)、場地處理在規(guī)范中要求較高，但實際各開發(fā)企業(yè)均根據(jù)自身實際情況進行一定簡化以節(jié)省投資。由于油田的中區(qū)開發(fā)光伏發(fā)電采用的土地是位于井站之間，現(xiàn)行規(guī)范對安全距離及相互避讓的方式?jīng)]有統(tǒng)一規(guī)定，社會企業(yè)開發(fā)的光伏發(fā)電項目也沒有經(jīng)驗可供借鑒。針對上述兩個問題，在項目設(shè)計過程中與采油單位進行了溝通，并對社會企業(yè)開發(fā)的分布式項目現(xiàn)場進行了調(diào)研，總結(jié)出大慶油田的光伏發(fā)電設(shè)計方案。

1.1 地基及場地處理

土建樁基礎(chǔ)以4 m 長管樁為主，場地條件較好時采用4 m 長管樁（樁基埋深不少小2.5 m，地面1.5 m）?；鶚哆x用C60 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁PC300(70)B 型（直徑300 mm，下同）[4-6]。地下水位較高的低洼地，可采用6 m 長管樁，埋深4～4.5 m，露出地面1.5～2 m。對于蘆葦蕩等比較嚴重的低洼地，可根據(jù)水深采用6 m 以上管樁，并適當(dāng)增大樁基間距。光伏電站原則上不做豎向設(shè)計，大、中型電站可建設(shè)站內(nèi)道路，小型電站暫時不建設(shè)站內(nèi)道路，根據(jù)具體工程情況可與附近通井路相連修建進站路，施工原則上按照現(xiàn)有場地情況擇機進行施工。

1.2 光伏組件與建、構(gòu)筑物間距

光伏發(fā)電組件與建、構(gòu)筑物的間距需綜合考慮防火間距、作業(yè)間距及固定遮擋等因素[7]。

（1）光伏組件與工藝管線（包括地下管線）安全距離應(yīng)滿足：①施工作業(yè)（開挖）需避讓工藝管線，組件基礎(chǔ)與管線外壁間距按4 m 考慮；②工藝管線外壁與光伏組件基礎(chǔ)樁距離大于1.5 m；③光伏組件接地裝置距埋地管線大于5 m（管線采取故障屏蔽、接地、隔離防護等措施后，間距可適當(dāng)減?。?。

（2）如光伏組件傾倒會影響油田生產(chǎn)或造成重大危害，光伏組件與油井，閥組間及站場內(nèi)外重要建、構(gòu)筑物的安全距離為光伏組件高度的1.5 倍。

（3）經(jīng)與運行單位溝通，已建油井作業(yè)面（單側(cè)即可）為25 m，已建水井作業(yè)面（單側(cè)即可）為18 m，規(guī)劃油水井作業(yè)面為40 m。故光伏組件與已建油井間距大于25 m、距離已建水井間距大于18 m（單側(cè)即可，另一側(cè)滿足防火間距），距離規(guī)劃油水井大于40 m。

（4）光伏組件距離南側(cè)桿狀物體（主要指線路電桿）距離：原則上為春分、秋分陰影遮擋導(dǎo)致發(fā)電量損失應(yīng)小于0.3%，夏至陰影遮擋導(dǎo)致發(fā)電量損失應(yīng)小于8%，且全年遮擋不會引起光伏組件光斑效應(yīng)。經(jīng)PVsyst 軟件仿真計算得出，光伏組件距離桿體間距宜大于1 倍桿高，最小間距不應(yīng)小于40%桿高。

（5）光伏組件距離南側(cè)固定遮擋物體距離：原則是冬至日當(dāng)天早晨9:00～15:00（當(dāng)?shù)卣嫣枙r）的時間段內(nèi)，光伏陣列不應(yīng)被遮擋，由公式（1）、圖1 可知，大慶地區(qū)緯度范圍內(nèi)避讓距離為4.5 倍遮擋物高度。

圖1 光伏陣列遮擋計算Fig.1 Photovoltaic array shielding calculation

式中：L為陣列傾斜面長度，m；D為兩排陣列間距離，m；β為陣列傾角，°；φ為當(dāng)?shù)鼐暥?，°；α為太陽高度角，°?/p>

2 圍墻光伏發(fā)電系統(tǒng)

利用油田站場圍墻布置太陽能電池板，充分利用站場圍墻空間，有效利用太陽能資源，接入站場0.4 kV 供電系統(tǒng)，就地消納。

2.1 安裝方案

南北側(cè)圍墻各立柱支架采用橫向支架相連，在支架上密鋪光伏組件；東西側(cè)每個圍墻立柱上并列安裝2 塊光伏組件。光伏組件傾角42°，底部距地面1.8 m。通過4 支鋁合金連接件與橫向檁條連接；橫向檁條通過螺栓固定在斜梁上，斜梁通過螺栓及抱箍與圍墻立柱卡緊。圍墻光伏組件安裝如圖2、圖3 所示。

圖2 光伏板支架平面布置Fig.2 Plan layout of PV panel support

圖3 光伏板支架立面布置Fig.3 Elevation layout of PV panel support

2.2 工程案例

以某配置站為例，利用站場圍墻，設(shè)計圍墻光伏發(fā)電系統(tǒng)。站內(nèi)北面圍墻可利用長度為180 m，南面圍墻可利用長度為138 m，東西圍墻可利用長度共204 m。圍墻光伏發(fā)電系統(tǒng)組件總數(shù)為324片，總裝機功率174.96 kWp?？傇靸r79.76 萬元，折合單位裝機容量造價4 559 元/kWp。年發(fā)電量26.71×104kWh，折合單位裝機容量的年發(fā)電量1 526.6 kWh[8]。

3 屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)

利用油田站場非爆炸危險性廠房朝陽屋面布置太陽能電池板，充分利用站場廠房屋面空間，有效利用太陽能資源，接入站場0.4kV 供電系統(tǒng)，就地消納。

3.1 安裝方案

屋面為坡面時，光伏組件平鋪在朝南屋面。屋面結(jié)構(gòu)主要分為2 種，一種是砌體鋼屋架結(jié)構(gòu)，屋面傾斜度1∶3，傾斜角度18.43°；另一種是門剛結(jié)構(gòu)，屋面傾斜度1∶10，傾斜角5.71°。每塊光伏板由4 支鋁合金連接件與U 型導(dǎo)軌相連；光伏板下橫向U 型導(dǎo)軌采用單面卷邊槽鋼；橫向U 型導(dǎo)軌與屋面冷彎薄壁Z 型附檁在屋面彩板波峰處通過自攻螺釘固定連接（圖4）。

圖4 屋面光伏組件導(dǎo)軌安裝圖Fig.4 Installation diagram of roof photovoltaic module guide rail

3.2 工程案例

（1）屋面為砌體鋼屋架結(jié)構(gòu)。站內(nèi)南北向廠房建筑面積1 192.5 m2，屋面采用0.6 mm 厚彩色壓型鋼板，坡度1∶3。屋面面積約1 416.8 m2，其中南坡面積708.4 m2。屋面坡度18.43°。屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)組件總數(shù)為192 片，總裝機功率103.68 kWp?？傇靸r41.76 萬元，折合單位裝機容量造價4 028 元/kWp。年發(fā)電量13.92×104kWh，折合單位裝置容量的年發(fā)電量為1 342 kWh。若廠房朝向為東西方向，則折合單位裝機容量的年發(fā)電量為1 118 kWh 。

（2）屋面為門鋼結(jié)構(gòu)。屋面面積與砌體鋼屋架結(jié)構(gòu)的面積相同，傾角為5.71°時，屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)組件總數(shù)為192 片，總裝機功率103.68 kWp。總造價41.80 萬元，折合單位裝機容量造價4 032元/kWp。年發(fā)電量12.52×104kWh，折合單位裝機容量的年發(fā)電量1 207 kWh。若廠房朝向為東西方向，則折合單位裝機容量的年發(fā)電量為1 133 kWh。

3.3 存在的問題

屋面安裝光伏組件只能在注水、污水、聚合物等非防爆廠房的屋面安裝，且北面屋面發(fā)電效率低，東西屋面發(fā)電效率較低。屋面光伏板冬季清雪較困難，可采用車載式升降機載人上屋面進行人工清掃。

4 零散小負荷光伏發(fā)電系統(tǒng)

油田零散小負荷光伏發(fā)電系統(tǒng)主要為中、大型站場內(nèi)非防爆區(qū)域室外監(jiān)控用攝像機，道路照明以及偏遠位置的數(shù)字化水井供電。

4.1 工程方案

零散小負荷采用光伏儲能供電方式，新建1 套自立式光伏儲能裝置。系統(tǒng)主要由太陽能電池板、智能充放電控制器、蓄電池三部分組成[9]，其安裝示意圖如圖5 所示。太陽能電池板立桿安裝，與攝像頭、路燈共桿，朝向正南方向，傾角為42°。蓄電池裝于電池箱內(nèi)，電池箱埋至凍土層以下。

圖5 零散小負荷采用光伏儲能安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of photovoltaic energy storage for scattered small loads

4.2 與常規(guī)供電方式對比分析

（1）投資效益對比。零散小負荷采用光伏儲能供電方式與常規(guī)供電方式一次投資及效益對比見表1。室外攝像機和路燈采用光伏儲能供電方式比采用常規(guī)供電方式投資少，且耗電方面也有較大節(jié)約，而數(shù)字化水井采用光伏儲能供電方式投資費用有增加，節(jié)約電費也較少。

表1 油田零散小負荷單臺供電系統(tǒng)一次投資對比Tab.1 Comparison of primary investment of single power supply system with scattered small loads in oilfield

（2）設(shè)備維護。常規(guī)配電方式電纜及架空線路在場區(qū)內(nèi)敷設(shè)量大、距離長，當(dāng)出現(xiàn)線路故障時極難查找故障點；光儲裝置維護量較小，易查找故障點，施工時無需敷設(shè)電纜，減少施工開挖面積，施工方便。

5 井場小型光伏發(fā)電系統(tǒng)

站外油井井場主要分單井及平臺井，隨著井?dāng)?shù)增加，站地面積隨著增加。經(jīng)與總圖專業(yè)落實，單井井場征地面積為30 m×40 m，施工結(jié)束后，井場墊土占地為7 m×15 m?？衫镁畧霾糠挚盏亟ㄔO(shè)小型光伏電站，就近接入油井0.4 kV 供電系統(tǒng)，就地消納[10]。

5.1 工程方案

在井場朝南方向設(shè)置“一”字形雙面光伏板，采用橇裝形式，8 個組件組成一個橇(單橇尺寸9.3 m×1.7 m×2.0 m)，整體橇可搬遷，為了防止牲畜破壞，井場周圍設(shè)1.8 m 高刺絲網(wǎng)圍欄（圖6）。底座采用螺栓連接至樁基，連接法蘭設(shè)置在地面下0.1 m 處，保障橇體臨時拆卸后樁基不會被作業(yè)車輛碾壓變形。橇座上設(shè)立柱支架，立柱之間采用橫向支架相連，光伏板傾角42°（圖7）。每個橇裝安裝組件總數(shù)為8 片，總功率4.32 kWp。每個井場安裝組件總數(shù)為64 片，總裝機功率34.56 kWp。年發(fā)電量5.27×104kWh，折合單位裝機容量的年發(fā)電量1 524.9 kWh。

圖6 井場光伏板布置圖Fig.6 Layout of well pad photovoltaic panel

圖7 橇裝光伏電站安裝示意圖Fig.7 Installation diagram of skid-mounted photovoltaic power station

5.2 存在的問題及建議

橇座基礎(chǔ)占地較大。光伏組件占空間較大，拉運困難?？蓪⑶磷?、光伏組件及支架采用分體設(shè)計，便于運輸。組裝后，光伏組件與支架采用上下可旋轉(zhuǎn)安裝。如橇裝光伏需移動位置，可只拆卸橇座，光伏組件與支架可折疊，方便運輸及二次安裝。新建井場進場路盡量布置在北側(cè)區(qū)域?；牡鼐畧霰M量正南正北布置，對地形影響較大的井場布置時可根據(jù)土地情況盡量與南向偏移25°以內(nèi)。

6 結(jié)語

大慶油田光伏新能源按建設(shè)規(guī)模及利用土地的形式，制定了廢棄井場及井間土地、站場圍墻、廠房屋面和抽油機井場零散空地布局光伏發(fā)電系統(tǒng)的方案。廢棄井場及井間土地可建設(shè)集中式光伏電站，光伏組件土建樁基礎(chǔ)基樁選用C60 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁PC300(70)B 型基裝，根據(jù)場地條件選擇4～6 m 不同長度；圍墻光伏發(fā)電利用油田站場圍墻布置太陽能電池板，將光伏組件傾斜42°角安裝在圍墻頂部，通過支架及檁條固定在圍墻立柱上，光伏發(fā)電系統(tǒng)單位裝機容量的年發(fā)電量可達1 526.6 kWh；屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)利用油田站場非爆炸危險性廠房朝陽屋面布置太陽能電池板，光伏組件平鋪在屋面，傾斜角度與屋面坡度一致，光伏發(fā)電系統(tǒng)單位裝機容量的年發(fā)電量可達1 133 kWh；零散小負荷采用光伏儲能供電方式，新建1 套自立式光伏儲能裝置；井場小型光伏發(fā)電系統(tǒng)在井場朝南方向設(shè)置“一”字形雙面光伏板，采用橇裝形式，在修井作業(yè)時可整體橇進行搬遷，光伏單位裝機容量的年發(fā)電量可達1 524.9 kWh。通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)的5 種安裝方案進行了技術(shù)探討，分散式的小光伏發(fā)電效率達到了預(yù)期，可以作為適合大慶油田的光伏發(fā)電建設(shè)設(shè)計方案，明確了今后大慶油田光伏發(fā)電工程項目的設(shè)計路線。