橇装光伏浅基础在大庆油田的应用与分析.pdf

第 42卷第 08期（2023-08）油气田地面工程 https:/电力电信橇装光伏浅基础在大庆油田的应用与分析李莹中国石油集团电能有限公司电力研究设计院摘要：从国家提出实现“双碳”目标以来，国内新能源业务爆发式增长，中国石油也成为了新能源业务发展的排头兵，根据国家“双碳”战略的总体要求，制定了“清洁替代、战略接替、绿色转型”三步走战略，最终要实现从单一的以石油生产为主的能源公司转变为向社会提供油、气、热、电、氢等多种能源的综合型新能源公司。大庆油田的新能源发展经过 60多年的开发建设，具有井网密度大、地下管线错综复杂的特点，但常规桩基础在光伏建设过程中存在破坏管线的风险。电站建成后，管线穿孔维修又存在光伏设施拆建困难等问题，因此开展了橇装光伏浅基础研究，实现光伏组件和橇装支架一体化集成，便于安装和移运，可降低光伏项目建设成本和施工难度。关键词：大庆油田；光伏发电；独立浅基础；橇装光伏Application and Analysis of Skid-mounted Photovoltaic Shallow Foundation in DaqingOilfieldLI YingElectric Power Research and Design Institute of China Petroleum Electricity Supply CompanyAbstract：Since China proposed to achieve the dual carbon goal，the domestic new energy businesshas experienced explosive growth，and CNPC has also become a leader in the development of new en-ergy business.According to the overall requirements of the national dual carbon strategy，CNPC hasformulated a three-step strategy of clean substitution，strategic succession，and green transforma-tion，ultimately to achieve the transformation from a single energy company focused on oil productionto a comprehensive new energy company that provides multiple energy sources such as oil，gas，heat，electricity，and hydrogen to society.After more than 60 years of development and construction，thenew energy development of Daqing Oilfield has the characteristics of large well network density andcomplicated underground pipelines.Conventional pile foundation has the risk of damaging pipelinesduring photovoltaic construction.After the construction of the power station，there are difficulties inrepairing and dismantling photovoltaic facilities when maintaining pipeline perforation.Therefore，re-search on the shallow foundation of skid-mounted photovoltaic technology is carried out to achieve theintegration of photovoltaic modules and skid-mounted supports，facilitate installation and transporta-tion，and reduce the construction cost and difficulty of photovoltaic projects.Keywords：Daqing Oilfield；photovoltaic power generation；independent shallow foundation；skid-mounted photovoltaic大庆油田“十四五”新能源规划中，要大规模开发光伏项目，自消纳部分的光伏项目建设主要利用油田自有土地。油田内闲置土地大部分位于中区，且呈碎片化分布。大庆油田经过 60 多年的开发建设，具有地面油井密度大、地下管线错综复杂的特点，因此在光伏建设中存在地下管线调查不清、常规基础深度与已建管线冲突破坏管线的情况，也存在光伏电站建成后，油田管线穿孔维修或DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2023.08.00945电力电信李莹：橇装光伏浅基础在大庆油田的应用与分析油气田地面工程 https:/新建管线穿越光伏场地时，光伏设施拆建困难等问题。为解决油田井场地下管线及电缆铺设错综复杂、探明困难，桩基施工对地下管网、电缆损坏等问题，进行了橇装光伏浅基础研究，实现光伏组件和橇装支架一体化集成。1橇装光伏浅基础方案光伏组件近年发展迅速，功率由 250 Wp 到现阶段的 600 Wp 等。本次研究采用目前市场上较成熟的 550 Wp 光伏组件为研究基础，550 Wp 光伏组件参数见表 1（不同厂家参数会略有不同）。1.1逆变器配套光伏组件用逆变器主要分为组串式、集中式两种。组串式逆变器容量为 5 kW 至 320 kW 之间，集中式逆变器容量为 500 kW 至 3 125 kW 之间。本次方案设计主要研究对象为大庆油田自消纳式分布式光伏电站，容量较小，主要探讨逆变器与光伏组件的组合关系，因此采用组串式逆变器为研究基础。组串式逆变器主要技术参数包含：最大输入电压、MPPT 电压范围、最大输入电流、MPPT数量等参数。由于规格较多，可以依据具体工程选择具体的逆变器规格型号。根据目前市场常用的组串式逆变器类型主要分为 1 100 V 和 1 500 V 两大系统，因此本方案采用这两个参数为计算组合的基础。1.2光伏组件方案设计对 光 伏 组 件 进 行 串 联 方 案 设 计1。根 据GB 507972012 光伏发电站设计规范 光伏方阵组件串联数计算公式，匹配计算取值和公式。1.2.1电池组件计算参数冬季光伏组件工作温度并非当地环境历年最低温度，冬季环境最低温度一般出现在凌晨 34 时，此时并未有太阳光出现，因此光伏组件工作时最低温度取极限值-30；夏季电池组件工作温度按当地环境最高温度，并附加组件自身发热，考虑极端情况取 70 2。1.2.2电池组件串并联组合计算电池组件串并联组合计算公式为N Vdc maxVoc1+(t25)Kv（1）Vmppt minVpm1+(t25)Kv N Vmppt maxVpm1+(t25)Kv（2）式中：N为光伏组件串联数，N取整；Vdc max为逆变器允许最大直流输入电压，V；Vmppt max为逆变器MPPT 电压最大值，V；Vmppt min为逆变器 MPPT 电压最小值，V；Voc为电池组件开路电压，V；Vpm为电池组件工作电压，V；Kv为光伏组件的开路电压温度系数；Kv为光伏组件的工作电压温度系数；t为光伏组件工作条件下的极限低温，；t为光伏组件工作条件下的极限高温，。经计算 1 500 V 系统选择串联 26 块，1 100 V系统选择串联 18 块。故本方案采用 26 和 210两种模型进行橇装光伏浅基础研究。1.3主要技术数据（1）抗震设防烈度为 6，设计基本地震加速度值为 0.05 g。（2）风荷载：光伏支架基础设计时按 50 年重现期确定基本风压，取 0.55 kN/m2；地面光伏支架设计时，按25年重现期确定基本风压，取0.47 kN/m2。地面粗糙类别为 B类。（3）雪荷载：光伏支架基础设计时按 50 年重现期确定基本风压，取 0.30 kN/m2；光伏支架雪荷载按 25年重现期确定基本雪压，取 0.26 kN/m2。（4）按照 NB/T 101152018光伏支架结构设计规程 中 3.1.2 条，光伏支架结构设计工作年限为 25年。（5）按照 GB 507972012 光伏发电站设计规范 中 4.0.3条，规划建设容量30 MWp的光伏电站，防洪标准（重现期）30年一遇最高水位。（6）按照 NB/T 101152018光伏支架结构设计规程 中 3.1.3 条，光伏支架结构安全等级为三级，按照 GB 500072011 建筑地基基础设计规范 第 3.0.1条，地基基础设计等级为丙级。1.4结构方案1.4.1结构计算与支架形式结构计算采用 PKPMV1.4.1 作为主要计算软件表 1组件参数Tab.1 Component parameters组件最大功率/Wp550最佳工作电压/V41.51最佳工作电流/A13.25开路电压/V50.11短路电流/A14.01组件效率/%21.29工作温度范围/-4085最大系统电压/V1500最大功率温度系数-0.35开路电压温度系数-0.28短路电流温度系数0.048外形尺寸/mm2 2781 13430组件质量/kg3246第 42卷第 08期（2023-08）油气田地面工程 https:/电力电信进行结构计算与结果复核。光伏组件排列采用竖向双排布置，固定倾角423，光 伏 组 件 最 低 点 距 地 面 1 m。为 减 少 风压，组件与组件之间留有 20 mm 空隙，每榀支架由斜梁、立柱、斜撑组成4。在支架斜梁之间，按照光伏组件的安装宽度设置檩条，用于支撑光伏组件的重量。支架、檩条及组件均采用螺栓连接5。1.4.2荷载作用组合光伏支架结构设计时，按承载能力极限状态计算结构和结构构件的强度、稳定性以及连接强度；按正常使用极限状态计算结构和结构构件的变形。由于光伏板自重较小，且光伏板坡度较大，板面积雪分布系数较小，通过计算支架设计时逆风荷载起控制作用，所在地区为 6度区，丁类构筑物可不进行地震作用计算。支架荷载组合情况见表 2表 4。表 2支架荷载分类Tab.2 Support load classification序号1234567891011121314工况名称恒荷载施工活荷载雪荷载雪荷载(50年)檩条雪檩条风吸檩条风压+X风+X风(50年)-X风-X风(50年)+Y风+Y风(50年)-Y风表 3支架荷载标准组合Tab.3 Support load standard combination序号123456标准组合1.00恒荷载+1.00施工活荷载1.00恒荷载+1.00(+X风)1.00恒荷载+1.00(-X风)1.00恒荷载+1.00(+Y风)1.00恒荷载+1.00(-Y风)1.00恒荷载+1.00雪荷载1.4.3浅基础光伏支架结构计算光伏支架主要由立柱、斜梁、斜撑、檩条及檩托、柱间支撑、预制混凝土基础、拼接螺栓及地脚螺栓及其他安装构件拼装而成。支架由前、后 2 个立柱以及斜撑支起斜梁、檩条，由斜梁、檩条托起光伏电池板，前后 2个支柱与基础之间通过螺栓连接来实现。表 4支架荷载基本组合Tab.4 Support load basic combination序号12345678910111213141516171819基本组合1.30恒荷载+1.50施工活荷载1.30恒荷载+1.50(+X风)1.30恒荷载+1.50(-X风)1.30恒荷载+1.50(+Y风)1.30恒荷载+1.50(-Y风)1.00恒荷载+1.50(+X风)1.00恒荷载+1.50(-X风)1.00恒荷载+1.50(+Y风)1.00恒荷载+1.50(-Y风)1.30恒荷载+1.50雪荷载1.00恒荷载+1.50雪荷载0.90恒荷载+0.30(+X风)0.90恒荷载+0.30(-X风)0.90恒荷载+0.30(+Y风)0.90恒荷载+0.30(-Y风)1.30恒荷载+1.50施工活荷载1.00恒荷载+1.50檩条风吸1.30恒荷载+1.50檩条雪1.30恒荷载+1.50檩条风压光伏支架的主要构件，如立柱、斜梁、斜撑均为薄壁方钢管结构，采用抱箍、可调支座实现各构件位置的固定和调整。支架总成图见图 1。图 1橇装支架总成示意图Fig.1 Schematic diagram of skid-mounted support assembly1.4.4光伏基础设计预制混凝土独立基础适用于地下管线敷设较密集或敷设管线的走向埋深不明，平整度较好的场地。形式为锥形混凝土支墩，埋深 0.5 m，下设厚砂垫层。顶面尺寸 250 mm250 mm，通过螺栓与光伏支架连接。26和 210两种橇装光伏模型见图 2和图 3。47电力电信李莹：橇装光伏浅基础在大庆油田的应用与分析油气田地面工程 https:/图 226橇装光伏模型Fig.2 26 skid-mounted photovoltaic model图 3210橇装光伏模型Fig.3 210 skid-mounted photovoltaic model2工程实例分析以某作业区分布式井间光伏电站为例，该区域地势平坦，但是井网密度大，地下管线错综复杂，打桩风险性较高，地下管网如图 4所示。若利用此区域建设光伏电站，橇装光伏浅基础是最好的选择。橇装光伏主要由光伏组件、支架、浅基础构成。本项目中光伏组件采用某组件厂的 550 Wp 单晶光伏组件、某逆变器厂的 300 kW 组串式逆变器和 100 kW 组串式逆变器，装机容量 18 MWp。采用 100 kW 和 300 kW 两种组串式逆变器，逆变器主要参数见表 5。表 5逆变器主要参数Tab.5 Inverter main parameters参数分类额定输出功率/kW最大交流侧功率/kW最大交流电流/A最大输入电压/VMPPT电压范围/V每路 MPPT最大输入电流/A额定交流输出电压/V输入路数不同逆变器参数300330238.215005001 500658004/5/5/4/5/5100110168.811002001 0002640020本工程共采用了 26模型和 210模型两种组合方式。26 模型为 2 榀支架，210 模型为 3 榀支架。基础采用预制混凝土独立基础（图 5）。图 5工程完工实景Fig.5 Real scene pictures after the completion of the project根据目前光伏组件常用的基础型式，以本项目的装机规模为基础进行经济对比分析（表 6）。经以上对比分析，采用橇装光伏基础预计节省工程费 45万元，节省占地面积 14104m3。因本工程位于井网密集区，采用橇装光伏浅基础可减少管图 4光伏站址区地下管网Fig.4 Schematic diagram of underground pipeline network in the photovoltaic station site area48第 42卷第 08期（2023-08）油气田地面工程 https:/电力电信线探查费用 175万元。若采用橇装光伏预计可节省投资共 248万元。表 6橇装光伏与常规管桩经济对比分析Tab.6 Economic comparison and analysis of skid-mountedphotovoltaic and conventional pipe piles规格210模型26模型5 m管柱橇装光伏质量/kg355.1277.5单瓦工程费/元0.5920.624管桩MW 用钢量/t37.65单瓦工程费/元0.6333结论橇装光伏浅基础价格与 5 m 管桩基础价格相近，因此针对不同的安装地点及地势等因素，建议如下：对于光伏电站现场地势较低洼、有水泡子等地形，推荐采用桩基础方案；对于地势较平坦、无低洼水泡子等，推荐采用橇装光伏浅基础方案，不影响地下埋地管线，有利于后期迁建。按照股份公司三步走战略和油田“一稳三增”的总体部署，新能源工作在“十四五”到“十五五”期间将持续保持增长。股份公司和油田公司正在积极推进油、气、新能源三项业务快速发展。橇装光伏浅基础在油田的推广应用，可以有效减少管线、线缆的破坏，降低用地成本，提高光伏装机容量，具有良好的经济效益，对提高油田开发盈利能力、提质增效、高质量发展具有重要的意义6。参考文献1 陈庆文，喻凯，田莉莎，等光伏电站光伏组件串联数的优化设计研究J太阳能，2022（12）：72-77CHEN Qingwen，YU Kai，TIAN Lisha，et al Study onoptimized design for PV modules series numbers of PV powerstationsJSolar Energy，2022（12）：72-772 冯云峰，郗亚茹，张鹤仙，等光伏组件温度特性研究J太阳能，2022（6）：27-33FENG Yunfeng，XI Yaru，ZHANG Hexian，et al Studyon temperature coefficient of PV modulesJ Solar Energy，2022（6）：27-333 李联友，李昕，李栎冬，等基于分布固定式光伏发电阵列 MPPT 的最佳倾角模拟分析J河北北方学院学报（自然科学版），2023，39（1）：29-35LI Lianyou，LI Xin，LI Lidong，et alOptimum inclina-tion simulation analysis based on distributed fixed photovoltaicpower generation array MPPTJ Journal of Hebei NorthUniversity（Natural Science Edition），2023，39（1）：29-354 赵 婷 婷，江 赛 雄 光 伏 支 架 基 础 选 型 与 设 计 优 化 研究J建筑结构，2022（增刊 1）：2353-2357ZHAO Tingting，JIANG SaixiongStudy on foundation se-lection and design optimization of PV supportJ BuildingStructure，2022（S1）：2353-23575 周润，王龙威，豆红强基于 AHP-TOPSIS 法的光伏支架基础选型研究J水利与建筑工程学报，2023，21（1）：90-96ZHOU Run，WANG Longwei，DOU HongqiangSelectionof support foundation for photovoltaic power station based onAHP-TOPSIS methodJ Journal of Water Resources andArchitectural Engineering，2023，21（1）：90-966 柴清瑶分布式能源电站在大庆油田的应用前景分析J油气田地面工程，2021，40（11）：58-61CHAI Qingyao，Application prospect analysis of distributedenergy power station in Daqing OilfieldJ Oil-Gas FieldSurface Engineering，2021，40（11）：58-61作者简介李莹：工程师，2009 年毕业于大庆石油学院计算机科学与技 术 专 业，从 事 生 产、安 全 管 理 工 作，13329506879，黑龙江省大庆市让胡路区中油电能电力研究设计院，163000。收稿日期2023-03-09（编辑焦晓梅）49