偏远天然气处理厂“风-光-储-燃”新能源微电网供电方案讨论

偏远天然气处理厂“风-光-储-燃”新能源微电网供电方案讨论

向 煜1 刘晓峰2 顾正炜1 杨双铭1

1.中国船舶集团第七〇三研究所无锡分部，江苏省 无锡市 214151

2.中国石油塔西南勘探开发公司，新疆维吾尔自治区 喀什市844800

摘  要：以偏远地区无电网保障的典型天然气处厂为应用场景，分析了用电及用热负荷情况，以某沙漠地区的风光资源为输入条件，讨论了风、光、储、燃等各组网元素的特点及应用要点。以保证微电网稳定性为前提，在追求新能源替代率和度电成本最低原则，以发电量大于全年用电量为条件，对各发电单元的配置容量进行计算，得到假设条件下，以5×5MW风力发电机+4MWp光伏发电场+6MW/6MWh储能系统，配置4×2MW燃气发电机组作为备用电源为方案。通过仿真计算了全年替代率约为78.2%，度电成本为0.336元/kWh，为限定条件下的最优解。通过ETAP软件，以7000kW电力负荷条件下，突加2000kW电动机负荷，分析了电网的电压波动，结果满足要求。

关键词：天然气处理厂；新能源；微电网；替代率；

作者简介：向煜（1988-），男，陕西咸阳人，硕士研究生学历，高级工程师，主要从事新能源相关的设计和研究工作

引言

随着国家经济的高速发展，居民和工业对天然气的需求大幅增加，到2023年天然气消费在一次能源结构中占比达到8.4%[1]。天然气是我国新型能源体系建设中不可或缺的重要组成部分，当前及未来较长时间内仍将保持稳步增长。通常天然气从气井开采出来后经过集输管道送至天然气处理厂进行集中处理，满足国家标准GB17820《天然气》中的相关要求后送入管道或进行液化等深度处理[2]。处理工艺主要有分离、脱硫、脱碳、脱水、硫磺及有害气体回收、燃气压缩等工艺[3,4]。在这些工艺中需要用到一定负荷的电、热等能源。

微电网是由分布式电源、储能设备、负荷和能量转换装置等组成的一种小型发配电系统[5-6]。是分布式电源接入配电网的有效方法[7]。

位于塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠中蕴含大量的天然气储量，地处沙漠腹地无人区，大部分区域无电网保障，因此仍有部分天然气处理厂周边无电网保障，需要建设自备电站和天然气锅炉来实现热电供应。在生产天然气的同时也在消耗大量的天然气。同时由于电负荷在生产过程中不断变化，导致燃气发电机组长期不稳定工况运行，机组工况恶劣、电力保供能力弱，生产稳定性具有较大挑战[8]。电力供应的不完善也在一定程度上限制阿克拉玛干沙漠的油气开发。但大规模的在沙漠腹地建设电网从目前而言尚不具备经济性和开发条件，因此通过风、光、地形地势等自然资源提供稳定可靠的供能方案成为新的选择。

本文将从某典型天然气处理厂的热、电负荷需求出发，通过对项目所在地的风、光资源情况进行假设，结合区域范围内的地形情况，分别对微电网建设思路、新能源主要发电形式、能源发电前端配置、储能形式及大小、大负荷投入时微电网抗冲击能力仿真等方面进行讨论，最后规划一套供应稳定、化石能源消耗量低、可持续电力综合供应系统，希望对类似项目的电力供应建设起到一定借鉴意义。

1负荷及资源情况

1.1电力负荷

典型的天然气处理厂的用电负荷主要集中在压缩机、泵组、空冷塔风机、空压机、电加热器等生产负荷和厂区照明及生活负荷等部分自称。其中以生产性负荷为主，且生产性负荷大多为感性负载，对电网的稳定性要求较高。

通过对用电负荷进行汇总，一般日处理量为百万方的天然气处理厂根据工艺和原料气不同，电力负荷大约在6MW至12MW之间，本文以总电负荷10MW，最大瞬间投入电动机负荷2MW作为输入进行讨论，工厂年运行小时数为6000小时，年用电量6000×104kWh。

1.2用热负荷

天然气处理厂用热工艺主要集中在脱硫脱碳装置、脱水装置、脱甲烷装置以及冬季采暖等，日处理量百万方的天然气处理厂，正常用热负荷大约在20MW，用热点对热品位要求主要集中在220℃~270℃之间。

通常情况下天然气处理厂设置1座导热油供热站，为全厂工艺装置供热。其工艺流程为：导热油炉供热系统为机械闭式循环系统，导热油为热载体，供油温度为270℃，脱水装置回油温度250℃，其余用热装置回油温度190℃，最终形成200℃左右的导热油，回到导热油供热站再次进行加热循环。

1.3风资源条件

所选项目所在地100m高度处代表年年平均风速为6.6m/s，年平均风功率密度分别在317W/m2，风功率密度等级为4级，风力发电资源评价结果为利用效果较好。100m高度处代表年有效风速小时数在7000h(3～25m/s)左右，该风速段为风力发电机组主要出力风速段，适合建设风力发电机组

1.4光资源条件

所选项目所在地光资源平均辐照度约为4.75kWh/m2/day，年辐射水平约为1641kWh/m2，5907MJ/m2，太阳能资源很丰富，属于B类地区，适合建设地面光伏。

1.5地形条件

所选项目所在地地表条件为沙漠，地表海拔1200-1300m。在沙漠腹地有一片海拔1500-1600米高的隆起，山体为宽约为1km~3.5km侧高差可达300m~400m。

2 组网元素讨论

2.1发电方式讨论

风力发电是以风能为能量来源，其优点是白天和夜间均能持续供电，一般夜间供电量大于白天，单台机组容量大，建设占地面积小。缺点是发电量受风速变化波动较大，单一电源的供电安全性和稳定性需要慎重考虑，需要较为精确的风力预测，同时需要配置负荷平衡或者储能，以达到削峰纳谷的效果。

光伏发电是以太阳能为能量来源，其优点是发电过程中能量转换方式简单，直接由光能转变为电能，安装快速方便，发电过程无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。缺点是仅能在白天有光照时发电，如作为单一电源供电需要配置较大量的储能用于削峰填谷和夜间供电。

燃气发电机组，以天然气为能源输入，具有输出功率范围广、发电质量好、参与电网调节能力强等优点，缺点是在运行过程中需要消耗天然气等化石能源，且机组维护成本较高，作为单一电源供电时机组工况变化较大，供电稳定性需要重点考虑。但作为新能源孤网的调峰电源或后备电源是良好选择。

2.2储能方式讨论

电池储能系统是一个利用采锂电池/铅电池作为能量储存载体，一定时间内存储电能和一定时间内供应电能的系统，而且提供的电能具有平滑过渡、削峰填谷、调频调压等功能。在新能源发电领域，能够很好的应对风电、光伏等可再生能源间歇性和波动性大的问题，可有效提高供电可靠性。但高昂的投资成本及电池的衰减也制约着电池储能的大规模应用。因此为了达到良好的经济收益，储能的容量配置是新能源微电网中规划的重要问题。

抽水蓄能，是一种理想的储能方式，可根据水头差及库容量大小进行大量储能，在调节中具有启动及爬坡卸荷速迅速、运行灵活可靠，削峰填谷能力强，技术条件成熟等优点，可有效弥补风力发电和太阳能发电的随机性和不均匀性等不足。在抽水蓄能建设中，最大的限制因素是高昂的库容建设费用。因此如何将抽蓄机组进行装机容量和库容量的优化是应用的重点。

电蓄热设备是将电能转换为热能并进行储存的蓄热设备，种类众多，其中高压水蓄热、电熔盐蓄热、固体电蓄热等方式是目前主流技术。目前应用于300℃以下技术成熟的主要为固体电蓄热装置，可有效的应用于以导热油、水等为换热工质的场合。

2.3微电网控制系统

以风光为主要电力供应方式、配合多种形式储能的混合能源系统在运行中，要实现源-荷-储协调优化，在运行中确保可靠性，同时实现节能增效，具有良好经济性等目的，良好的协调控制至关重要。其中微网各单元的建模、运行策略优化并通过控制系统良好的控制是重要的途径。

3 组网方式及配置

3.1组网原则

首先保证微网的新能源替代率，将富裕部分发电量通过储热方式进行热利用，提高新能源发电的利用率和项目经济性。发电侧总体配置原则是保证新能源全年发电量能够覆盖全年用电量。综合考虑负荷用电的可靠性、提高分布式能源替代率、节约成本等多角度因素来优化容量配置。

本项目的用电需求较大，风力发电机有着较强的资源利用效率和供电连续性且占地面积较小，光伏发电的效率相对较低，夜晚无电力供应。同时考虑到处理厂的实际地理气候条件与该微网对新能源替代率的实际需求，因此以风电为主力发电电源，适宜配置光伏作为补充，同时配置一定量的电池储能和抽蓄储能，辅以一定容量的电蓄热装置，提高利用率。此外电蓄热装置也可作为可控负载，当孤网有大负荷投入或切出时用来调节电蓄热装置的出力用来调节电网品质。

3.2组网方案

1.根据用电需求能力，依托山形地势建设风力发电机组，为整个项目提供主要的电能供应。

2.利用地势变化，根据风力发电的电能输出特点，建设抽水蓄能发电设施，用来平衡风力发电机组出力的不平衡和不稳定性。

3.抽蓄建设时考虑水泵机组和水轮机组分开设置，且与微电网同步运行。上下库建设采用水罐的方式建设，水库和发电机组建设容量仅需满足电网正常波动所需的补偿即可，即使用。

4.依托整个能源站的建设特点，因地制宜地设置一部分光伏发电装置，补充电网用电

5.采用负荷可连续调节的固体电蓄热技术，用来在生产负荷低位时或电网发电量高位时对孤网进行负荷平衡，增加全年新能源电力的使用效率。

6.配置一定容量的电池储能，用于平益波动，提高电网品质。

7.保留一定规模的燃气发电机组，用来应急保障，确保生产电力负荷供应的稳定。

8.设计开发一套能源综合管系统，用来提高新建地面工程能源管理和利用水平。

通过遍历法评估系统参数，在保证度电成本较小的原则下，尽可能提高新能源的替代率，最终分别给出不同风电容量的推荐的光伏、储能系统容量。仿真中估算了微网中各设备如光伏、风机、储能等设备的投资、替换成本和折旧费，考虑了购电价格等，结果作为不同结构微网经济性对比分析的参考数据。下表为不同风机配置下推荐的最优光、储容量配置方案。

表1配置方案遍历计算结果

经过比较，在追求尽可能高的替代率的同时考虑尽可能低的度电成本。根据计算，方案5的替代率较高，且度电成本最低，因此以方案5为条件进行配置，即5×5MW风力发电机+4MWp光伏发电场+6MW/6MWh储能系统，此外配备4×2MW燃气发电机组作为应急备用机组。

通过仿真软件，采用典型年气象数据对全年发电量进行逐时仿真计算，并以逐月数据进行标识，结果如图1所示。

图1发电量占比图

光伏（橙色）、风机（咖啡色）和燃气发电量（绿色）

4 主接线方案与电网稳定性计算

4.1主接线方案

光伏和风力发电部分采用10kV母线汇流。每台5MW风机配置1台35kV升压变压器（容量5MVA），设置2路35kV线路，1#~3#风机发电机接入1#35kV线路，4#~5#风机发电机接入2#35kV线路。风机电源通过35kV架空线路将电送至新能源电站，分别通过2台降压变接入新能源10kV母线段。

4MWP光伏场配置10kV升压变压器，通过1路10kV电缆将电送至新能源电站的10kV母线段。

6MW/6MWh储能系统通过2路10kV电缆将电送至新能源电站的10kV母线段。

图2 主接线系统图

35kV总变电站35kV配电系统容量按30MW考虑，35kV配电系统设有35kV新能源段和35kV配电段，两段母线之间设置2路联络开关。35kV新能源段上共有2路风机进线，1路光伏进线，5路储能进线和1路集气总站联络线。同时35kV配电段上配置2台16MVA降压变压器，给35kV总变电站10kV配电系统供电。10kV配电系统负责地面工程10kV用电负荷的供电。

燃气机配置为：新建4×3.352MW+现有4×2MW燃气发电机组，新建燃气机电站采用10kV配电系统，将电能送至总变电站10kV母线。现有燃气机电站通过1台6.3MVA升压变压器（替换现有1.6MVA变压器），将电能送至现有集气总站35kV母线，同时设置1路35kV架空线路，连接现有集气总站35kV母线和35kV总变电站35kV配电段。

4.2稳定性分析

对于孤网电电力系统，特别是以新能源为主要发电方式的电力系统，较大的电动机负荷切入对发电量和负荷之间的平衡、电网电压波动等有较大影响，如果不能很好匹配会造成电网瓦解。

本文采用ETAP电力仿真软件，在风-光-储条件下，在全厂电力负荷为7000kW时投入1台2000kW的电动机为条件，计算电网潮流和母线电压。结果曲线如图3所示。

图3 风光储模式下电动机启动压降曲线

根据计算结果，发电功率和用电负荷可以平衡，电动机母线最大瞬时压降为15%，随后母线电压恢复至98%左右，可满足处理厂对电网品质的要求。

5 结语

本文以某典型天然气处理厂总电力负荷10MW输入，结合工艺设施功率条件，通过对发电、储能、负荷控制进行合理的配置，通过电力系统仿真对电网的稳定性和可靠性进行了一定的验证。在系统中配置一定量可无极调节的电储热装置，一方面可将发电端的弃电全部消纳，同时可作为平衡附在协助稳定孤网电力的稳定性。本方案规划了一套以新能源、电储能为主，燃气发电机组作为后备的新能源孤网电力系统，可作为边缘无电力保障地区的工业或民用供电方案参考。

参考文献：

[1] 《中国天然气发展报告（2023）》编委会. 中国天然气发展报告[M]. 2023. 石油工业出版社, 2023.

[2] GB17820-2008，天然气[S].2018.

[3] 张项博. 天然气处理厂净化工艺技术的优化研究[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2022(19):180-182.

[4] 杨戈. 中国石油天然气集团有限公司凝析气藏开发技术发展纪略[J]. 中国科技奖励, 2019(4):40-41.

[5] Hatziargyriou N, Asand H, Iravani R, et a1. Microgrids[J].IEEE Power and Energy Magazine, 2007,（4）:78-94.

[6] 杨新法. 微电网技术综述[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34（1）:57-70.

[7]苗中磊. 分布式直流微电网分级控制技术综述[J]. 电源学报, 2019, 17(6):115-127.

[8] 向勇. 大型沙漠气田地面工程总承包项目风险分析[J]. 项目管理技术, 2014, 12(9):111-114.