無功補償及其仿真技術(shù)在海洋石油平臺的應(yīng)用

劉 萍，郭 駿

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 油田建設(shè)工程分公司，天津300452)

0 引言

SZ36-1 二期WHPE 平臺隨著外掛平臺調(diào)整井逐漸投產(chǎn)、大泵提液項目的進行，以及注水泵投運數(shù)量的增加，最終導致E 平臺的用電負荷越來越高，已經(jīng)逼近主變壓器的額定容量，在保證油氣生產(chǎn)不受影響的前提下，降低主變負荷率，保障油田正常生產(chǎn)已對井口平臺電力負荷管理帶來了很嚴峻的挑戰(zhàn)。

由于國家對石油能源需求不斷增加，綏中作業(yè)區(qū)油氣生產(chǎn)任務(wù)艱巨。因此，如何能夠在不影響生產(chǎn)的情況下解決E 平臺供電主變壓器負荷率偏高的問題便成為研究的重點問題。

結(jié)合上述電力供需矛盾和不允許停產(chǎn)的要求，對E 平臺現(xiàn)場情況進行了仔細分析，并對其電能質(zhì)量進行了檢測，發(fā)現(xiàn)其低壓側(cè)母線功率因數(shù)及電壓都偏低，存在很大的無功補償余量，據(jù)此提出在E 平臺低壓母線增加無功補償裝置，通過減少E 平臺整體無功功率來達到降低主供電變壓器的負荷率，并提高E 平臺電能質(zhì)量的目的。同時，無功補償后E 平臺供電線路電流減小，相應(yīng)損耗也會降低，將產(chǎn)生明顯的節(jié)能減排效果。

由于補償裝置容量占E 平臺整體負荷容量比重較大，因此，無功補償裝置對E 平臺電力系統(tǒng)電壓、諧波等電能質(zhì)量重要指標會產(chǎn)生明顯影響，因此，在項目實施前創(chuàng)新性的使用DDRTS(電力系統(tǒng)實時暫態(tài)仿真系統(tǒng))對加入無功補償后電力系統(tǒng)的運行情況進行仿真分析，利用該項技術(shù)來對無功補償安裝可行性及效果進行評估。

1 無功補償技術(shù)簡介

1.1 無功補償技術(shù)原理

電力系統(tǒng)中的許多電設(shè)備是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，如電動機需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動;變壓器需要無功功率建立磁場，使二次線圈感應(yīng)出電壓，在這個過程中消耗的功率稱之為無功功率，因此，無功功率并不是沒有用的功率。無功功率雖然不可缺少，但是真正對負荷做功的是有功功率，并且由于無功功率同樣由電源供給，由輸電線路輸送至負荷，當電力系統(tǒng)無功功率比重較大時，發(fā)電機、供電線路和變壓器容量都要增大，不僅增加供電投資、降低設(shè)備利用率，也增加了線路損耗。因此，降低電力系統(tǒng)無功流動對維護平臺電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，降低電源容量浪費和輸電線路損耗具有重要的意義［3］。

無功補償裝置的作用即是通過容性負荷發(fā)出感性設(shè)備所消耗的部分無功功率，如無功補償裝置裝設(shè)在負載側(cè)，則負載側(cè)的無功功率部分由所在地的無功補償裝置提供，從而降低供電線路功率，實現(xiàn)降低線損的目的。

1.2 無功補償裝置作用

1.2.1 提高輸變電系統(tǒng)設(shè)備利用率

電力系統(tǒng)輸變電設(shè)備容量是有限的，它的實際傳輸功率由有功功率和無功功率組成，由下式進行計算:

式中:S 為輸變電系統(tǒng)傳輸視在功率，(kVA);P為輸變電系統(tǒng)傳輸有功功率，(kW);Q 為輸變電系統(tǒng)傳輸無功功率，(kVar)。

由上式可見，當輸變電系統(tǒng)傳輸同樣有功功率時，如果傳輸?shù)臒o功功率下降，則實際系統(tǒng)傳輸?shù)娜萘恳哺S下降，換言之，同樣容量的輸變電系統(tǒng)可以傳輸更多的有功功率。因此，無功補償裝置可以顯著提升輸變電系統(tǒng)的容量利用率。

1.2.2 降低線路損耗

電流在供配電線路及變壓器繞組中傳輸過程中將產(chǎn)生損耗，三相交流輸電系統(tǒng)功率損耗由下式進行計算:

式中:I 為線路電流，(A);U 為線路電壓，(V);R 為每相線路電阻，(Ω)。

可見在輸送有功功率不變的情況下，ΔP 與cosφ 成反比，由于無功補償裝置有效提高了功率因數(shù)，因此，可以明顯降低線路功率損耗，達到降損節(jié)電的目的。

1.2.3 降低系統(tǒng)電壓損失，提高末端電壓水平

由于輸變電系統(tǒng)存在阻抗，當負荷電流通過時，會在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生壓降，使末端電壓降低，線路產(chǎn)生的電壓損失由下式計算:

式中:X 為線路及變壓器電抗，(A);UN為線路額定電壓，(V)。

由此可見，電壓損失包含有功和無功損失兩部分。由于平臺使用的電纜截面積較大，因此無功部分損失較大，當采用無功補償技術(shù)后，無功部分電壓降低，從而提升末端電壓。

通過式(3)，可以發(fā)現(xiàn)越靠近負載側(cè)，負載電流所經(jīng)傳輸線路電抗越大，功率及電壓損耗越大，因此，采用負載側(cè)無功就地補償技術(shù)可以使補償效果最大化。

2 SZ36-1WHPE 平臺無功就地補償仿真研究

2.1 無功補償裝置安裝點選擇

理想情況下無功補償裝置容量應(yīng)滿足動態(tài)調(diào)整需求，但結(jié)合不允許因安裝補償器停產(chǎn)并且安裝空間狹小的平臺現(xiàn)場實際情況，所以選擇通過630 A 備用開關(guān)作為補償器與低壓母線的連接節(jié)點，但這在一定程度上限制了無功補償容量。

結(jié)合現(xiàn)場情況，無功補償裝置的接入點定為變壓器W1-TRN-02 和W1-TRN-03 低壓側(cè)對應(yīng)的400 V 母線上，如圖1 所示。

圖1 SZ36-1 WHPE 平臺無功補償裝置安裝地點

2.2 無功補償仿真研究

SZ36-1WHPE 平臺電力系統(tǒng)電氣設(shè)備數(shù)學模型參數(shù)采用《綏中36-1Ⅱ期油田、旅大油田及綏中36-1Ⅰ期調(diào)整電力組網(wǎng)工程項目詳細設(shè)計——電氣部分》中相關(guān)電氣參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場電能質(zhì)量檢測采集的當前運行負荷數(shù)據(jù)及設(shè)備運行情況搭建最大負荷工況下WHPE 平臺潮流分析模型。

由于無功補償裝置會顯著抬升末端電壓，因此需要對當前工況潮流進行仿真分析，同時對就地補償效果進行評估。

2.2.1 未加無功補償，系統(tǒng)當前工況潮流仿真

對當前工況下未投入無功補償裝置進行系統(tǒng)潮流分析主要目的為校驗系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定是否合理，潮流計算結(jié)果應(yīng)與現(xiàn)場實際工況相吻合。圖2 所示為當前工況下未投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖。

圖2 當前工況下未投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖

2.2.2 進行無功就地補償后(每段各補償350 kVar)，系統(tǒng)當前荷工況潮流仿真

對當前工況下投入無功補償裝置進行系統(tǒng)潮流分析可以發(fā)現(xiàn)無功補償裝置顯著降低了主變負載率，由83%下降至75%，無功補償裝置安裝地點A 段母線電壓由381 V 提升至391 V，B 段母線電壓由385 V 提升至390 V，提升效果明顯，并在合理范圍內(nèi)。圖3 所示為當前工況下投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖。

圖3 當前工況下投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖

通過上述仿真表明，在當前工況下，裝設(shè)無功就地補償裝置效果明顯，不會產(chǎn)生末端電壓過高的風險。

為了保證在最大工況下供電變壓器的可靠性，還需要對系統(tǒng)最大負荷工況進行潮流分析。

2.2.3 未投入無功補償，系統(tǒng)最大負荷工況潮流仿真

通過仿真分析發(fā)現(xiàn)如不增加無功補償裝置，E平臺在未來預(yù)測最大負荷下主供電變壓器將發(fā)生超載。同時，LA 段電壓下降至373 V，LB 段電壓下降至368 V，對電氣設(shè)備安全運行構(gòu)成一定影響，此種情況下平臺只能通過降低負載來維持電力系統(tǒng)正常工作，進而造成生產(chǎn)不便甚至減產(chǎn)。圖4 所示為最大負荷工況下未投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖。

2.2.4 進行無功就地補償后(每段各補償350 kVar)，系統(tǒng)最大負荷工況潮流仿真

圖4 最大負荷工況下未投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖

圖5 最大負荷工況下投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖

由圖5 可見，增加無功補償裝置后，有效避免了主供電變壓器超載的可能性，LA 段電壓提升至384 V，LB 段電壓提升至379 V，無功補償裝置接入點電壓抬升在合理范圍內(nèi)，因此增加無功補償裝置方案具有可行性。

3 SZ36-1WHPE 平臺無功補償就地補償實施效果

3.1 投入無功補償后系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測結(jié)果

經(jīng)無功補償后，SZ36-1 WHPE 平臺主供電變壓器的負荷率有了明顯的下降，同時，負荷側(cè)母線電壓及諧波情況都有了明顯的改善，無功補償裝置投入前后A 段母線受總ACB1 及B 段母線受總ACB2 的電能質(zhì)量檢測結(jié)果如表1，2 所示。

表1 ACB1 電能質(zhì)量分析結(jié)果

表2 ACB2 電能質(zhì)量分析結(jié)果

3.2 投入無功補償后供電變壓器CEP-TRN-01 負載率變化情況

WHPE 平臺經(jīng)無功補償后，同等工況下WHPE 平臺供電變壓器CEP-TRN-01 無功負荷由2 119 kVar 降低至1 491 kVar，共降低628 kVar，負荷率則由81．8%降低至76．5%，共降低5．3%，為供電變壓器出節(jié)約265 kVA 的載荷容量，同時將其負荷功率因數(shù)由0．85 提升至0．92。

由補償前后電能質(zhì)量測試結(jié)果可以明顯發(fā)現(xiàn)各電氣運行數(shù)據(jù)得到明顯改善，電力系統(tǒng)末端電壓和功率因數(shù)得到顯著上升。同時，由于電抗器與電容器構(gòu)成諧振電路，降低了各次諧波的含量，致使THD(總諧波畸變率)有了明顯下降。

4 無功補償節(jié)能減排效果

WHPE 平臺供電變壓器CEP-TRN-01 經(jīng)無功補償后無功功率下降630 kVar，從電源至E 平臺0．4 kV 母線共經(jīng)6．3 kV/10．5 KV/0．4 kV 三次變壓，按照國家標準GB12497 《三相異步電動機經(jīng)濟運行》中的規(guī)定按照無功經(jīng)濟當量的三次變壓取值，則有:KQ=0．08～0．1 選取中值0．09。暨:630 ×0．09=56．7 kW。按1 kW·h=0．1 mm3油田天然氣(《GB/T 2589-2008:綜合能耗計算通則》)，1 度電排放0．216 kg 二氧化碳(《省級溫室氣體清單編制指南 發(fā)改委氣候【2011】1041號》)計算，則無功補償柜運行1 年(全天運行):

節(jié)電40 824 ×12=489 888 kW·h;節(jié)氣4 082 ×12=48 984 mm3油田天然氣;減排8 820 ×12=105 840 kg 二氧化碳;

可見無功就地補償節(jié)能減排效果非常顯著。

5 就地無功補償實施在實際工作中需要注意的問題

就地無功補償可以改善系統(tǒng)無功潮流分布，提高功率因數(shù)及電能質(zhì)量，但在海洋平臺施工過程中，需要注意以下幾點:

(1)相對陸地電網(wǎng)，海洋鉆井平臺空間狹小，對無功補償裝置的體積有嚴格限制，因此在實施無功補償前，需對安裝環(huán)境進行調(diào)研，這與陸地電網(wǎng)按補償容量選擇補償裝置的原則有很大區(qū)別;

(2)無功補償方案制定前應(yīng)先對補償點進行電能質(zhì)量檢測，分析補償點的電壓和諧波情況，合理選擇補償方式和消諧電抗器參數(shù)，如補償點電壓偏高，則宜采用有源濾波器，避免因安裝無功補償裝置造成系統(tǒng)電壓過高，威脅油氣安全生產(chǎn);

(3)海洋石油平臺屬易燃、易爆高危環(huán)境，因此無功補償施工必須將安全和可靠性放在首位，無功補償裝置應(yīng)考慮安裝通訊裝置與電源管理系統(tǒng)連接，以便實時監(jiān)控其運行狀態(tài)。必要時，應(yīng)為中控系統(tǒng)提供干接點，以便緊急情況遠程關(guān)斷。

6 結(jié)論

首次在海洋石油系統(tǒng)內(nèi)采用無功補償裝置解決因井口平臺負荷增加帶來的主供電變壓器超載運行隱患，并帶來電能質(zhì)量提高、產(chǎn)生節(jié)能減排等一系列附加價值，為未來處理平臺電力系統(tǒng)供需矛盾提供了一種新思路。同時，采用DDRTS 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)搭建平臺電力系統(tǒng)模型，為項目實施前進行可行性分析和效果預(yù)評價提供了新的技術(shù)手段。

該工程的實施能夠在解決海洋石油平臺電力系統(tǒng)供求矛盾問題的同時，帶來電能質(zhì)量提高以及顯著的節(jié)能減排效益，符合國家提倡的創(chuàng)建節(jié)約型社會以及節(jié)能減排戰(zhàn)略。

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