太陽能電池在海洋石油平臺上的應用

魏春先 劉 琳 周 雷 徐建東

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

海上石油平臺遠離陸地，使用陸地電網供電需要使用長距離海纜，且受海纜電容影響，供電造價高，風險大。海上部分孤立生產設施人員操作少，用電負荷較小，配置發電機檢測、維護困難，使用太陽能電池并配合使用儲能電池，可解決部分供電問題。

本文基于某個海上生產設施使用太陽能電池的項目，說明太陽能電池和儲能電池的計算和選型設計方法，以利于以后類似項目的設計。

1 項目概述

經過“十二五”期間的建設，渤中區域設施能力已經得到一定提升，在“十三五”末、“十四五”期間，隨著區域內油田產量遞減，部分流程處理能力將閑置。鑒于此，油田生產部對區域內資源統籌優化利用進行了立項研究。

某油田區域，生產平臺生產物流經過海底管道輸送到FPSO的單點系泊，再輸送至FPSO進行處理并存儲，繼而將處理合格的原油通過拖輪船舶運回陸地處理廠，將處理合格的干氣通過海底管道外輸至陸地終端。

考慮到該區域FPSO服役期長，為降低操作風險，研究解脫FPSO的可行性，實現物流直接上岸，提高區域內生產設施的負荷率。FPSO解脫后，單點作為海底管道匯總設施將保留，將改造成無人值守平臺。

單點主要設施包括單點系泊系統裝置、單點工藝公用系統和系泊頭。單點系泊系統裝置包括導管架、系泊頭、導泊臂、系泊腿和系泊架等五部分；單點工藝公用系統包括油氣工藝系統管匯管線以及電氣、照明系統、導航系統、儀表控制系統等設施；系泊頭（FPSO解脫后將拆除）包括轉盤、轉動接頭和跨接軟管支架。

原單點上供電電源來自FPSO，FPSO解脫后單點將失去電源，但單點上用電設施還繼續保留，最終考慮使用蓄電池為其供電，利用太陽能電池為電池充電。

2 海上生產設施用電負荷統計

根據上述內容，各單點改造后用電負荷清單如表1所示。

表1 各單點改造后用電負荷清單

3 太陽能電池和儲能電池的使用條件

3.1 空氣溫度

年平均氣溫：11.1℃；極端最高氣溫：34.6℃；極端最低氣溫：-17.2℃。

3.2 空氣相對濕度

年平均相對濕度：72%；平均最高：90%；平均最低：32.2%；最低：24.2%。

3.3 年有效日照時間

根據海洋氣象局提供數據，渤海區域平均年日照時間為1 360 h。

3.4 電池使用條件

根據SY/T 6985—2014《海上石油設施聲光助航標志》要求，助航系統應急電源（蓄電池）應至少能滿足信號燈（包括障礙燈）和霧笛正常工作96 h；應急電源（蓄電池）應至少能滿足儀表、通信系統正常工作1 h；太陽能光電板需要滿足在有太陽光時給儲能蓄電池充電的需求。

4 太陽能電池和儲能電池的電壓選擇

根據項目中平臺用電設備導航系統為24 V DC，儀表專業、通信專業接受24 V DC系統，選定本平臺鎳鎘電池單元電壓為1.2 V/單元，按此計算本系統串接使用20塊鎳鉻電池。

5 電池容量計算

根據IEEE 1115電池計算要求，電池容量計算如表2所示。

表2 電池容量計算

注：數據來源于以往海上平臺設計積累資料。

式中，FS為工作周期S的容量需求；P為分析的時段；S為被分析的工作周期，從第一個工作周期開始計算；AP為P時段要求的電流；Kt為電池放電率系數；Tt為溫度系數。

考慮設計系數1.1，壽命系數1.2（數據來源于IEEE 1115）；同時考慮使用環境溫度最低為-17.2℃，溫度系數考慮為1.55（根據SAFT蓄電池廠家資料）；因本項目中電池放電為小電流放電，放電率系數為1；最終電池容量（24 V電壓下）計算為：741.9 Ah，選用鎳鎘電池SBLE800。

6 太陽能光電板的選擇

根據上述要求太陽能光電板需要在有陽光條件下滿足24 V DC/800 Ah電池充電；渤海區域平均年日照時間為1 360 h，即每天平均日照時間為3.8 h，太陽能光電板需要在3.8 h有太陽光的條件下充電800 Ah，充電電流計算如下：

式中，充電容量為800 Ah；電池充電效率為0.95；溫度系數為1.55。

充電功率=充電電流I×充電電壓U

=343.5×24

=8 244 W

查太陽能光電板廠家資料：Tideland 180 Wp光電板，1塊發電能力為24 V/180 W，尺寸為910 mm×1 660 mm。充電設計系數1.1，按此計算，選用光電板數量為51塊。

7 結論

本項目中為滿足供電需求，選用20塊SAFT SBLE800的鎳鎘電池，為平臺上用電設備供電，選用51塊Tideland 180 Wp（尺寸：910mm×1660mm）光電板（1塊發電能力：24V/180W）、1臺光伏匯流箱、1臺光伏逆變器、1臺控制器、1臺配電箱；太陽能光電板平行布置在甲板上。

8 檢查

鑒于太陽能光電板發電能力受天氣（陽光照射強度）影響較大，為避免電池充電不足而影響平臺供電，巡檢人員需要定期檢查蓄電池電壓，如發現電壓較低，需使用巡檢船舶電源為電池充電，建議巡檢周期不大于6天。

[1]海上石油設施聲光助航標志：SY/T 6985—2014[S].

[2]IEEE Recommended Practice for Sizing Nickel-Cadmium Batteries for StationaryApplications:Amendment 1:Additional Discussion on Sizing Margins:IEEE Std 1115aTM—2007[S].

[3]SAFT蓄電池產品樣本[Z].