某海上油田群組網(wǎng)可行性研究

黃海宏 張騰華

摘要

某作業(yè)公司在海上有A、B兩個(gè)油田群設(shè)施，目前A油田配置機(jī)組容量大但實(shí)際帶載率很小，B油田配置機(jī)組容量小且機(jī)組穩(wěn)定性較差。B油田時(shí)常出現(xiàn)失電情況，影響油田的安全穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于此，根據(jù)油田實(shí)際運(yùn)行與理論設(shè)計(jì)運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)人員制定電量平衡分析、計(jì)算油田無(wú)功補(bǔ)償、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)短路計(jì)算電流、各種工況分析、海纜壓降等相關(guān)數(shù)據(jù)得出組網(wǎng)方案從而判斷A與B油田組網(wǎng)的可行性。

【關(guān)鍵詞】組網(wǎng)方案 工況分析 無(wú)功補(bǔ)償校核無(wú)功計(jì)算 海纜壓降 短路電流計(jì)算 網(wǎng)絡(luò)通訊

當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)與人民生活品質(zhì)對(duì)石油類(lèi)產(chǎn)品需求非常大求，而石油與天然氣的開(kāi)采均需要可靠的電力作為支撐，同時(shí)海上油田電力系統(tǒng)也是保障油田作業(yè)人員生活的基本條件。與目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)海上油氣田開(kāi)采模式相同，該作業(yè)公司目前各油田群基本上是每一個(gè)油氣田中心平臺(tái)建一個(gè)電站獨(dú)立供電。這種供電方式存在以下問(wèn)題：

（1）由于各平臺(tái)電站獨(dú)立供電，運(yùn)行機(jī)組一旦故障關(guān)停，必將導(dǎo)致油田停產(chǎn)。

（2）單個(gè)電站抗沖擊性能差，備用不夠，出現(xiàn)注水泵、壓縮機(jī)、貨油泵等大型設(shè)備的無(wú)法正常啟動(dòng)的現(xiàn)象。

（3）為保證供電可靠性，B油田需配置大量的備用發(fā)電機(jī)組，不僅投資大，對(duì)平臺(tái)的有限空間也很浪費(fèi)。

（4）運(yùn)行維護(hù)工作量大。由于機(jī)組數(shù)量龐大，配電網(wǎng)接線(xiàn)復(fù)雜，運(yùn)行和維護(hù)成本居高不下。

（5）B油田與A油田機(jī)組運(yùn)行模式大部分時(shí)候是單機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行，機(jī)組出現(xiàn)故障后，整個(gè)油田都隨之停電。

合理利用發(fā)電機(jī)的配置，減少不必要的備用容量，也是順應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排這個(gè)大環(huán)境和大趨勢(shì)。

本文將通過(guò)各種工況組合、無(wú)功補(bǔ)償校核、海纜壓降計(jì)算等闡述油田組網(wǎng)的可行性。

1 可行性研究分析

1.1 電量平衡分析

A油田群A1平臺(tái)配置3臺(tái)額定50HZ、10.5kV、10000kW的透平機(jī)組，B油田群B1平臺(tái)配置3臺(tái)額定50HZ、6300V、5480kW的臺(tái)風(fēng)機(jī)組。A1通過(guò)1臺(tái)10.5/22KV 12500kVA變壓器統(tǒng)一給各個(gè)負(fù)載平臺(tái)供電。B1通過(guò)2臺(tái)6.3/22KV3150kVA變壓器給各個(gè)負(fù)載平臺(tái)供電。

A油田群按照設(shè)計(jì)最大負(fù)荷約為14796kW實(shí)際由于產(chǎn)量等各方面因素影響，實(shí)際負(fù)荷約為3500～4000kW，B油田群按照設(shè)計(jì)最大負(fù)荷8395kW，實(shí)際負(fù)荷約為5000kW（后期新增油井投產(chǎn)情況下，現(xiàn)階段只有3500KW左右）?，F(xiàn)階段A1實(shí)際只運(yùn)行1臺(tái)機(jī)組，B1運(yùn)行1臺(tái)機(jī)組或2臺(tái)機(jī)組。油田詳細(xì)負(fù)荷見(jiàn)表1。

依據(jù)油田最大設(shè)計(jì)符合以及設(shè)計(jì)容量，機(jī)組最大帶載能力按照設(shè)計(jì)功率的0.9倍進(jìn)行計(jì)算，即A1平臺(tái)機(jī)組額定功率10000kW實(shí)際最大功率為9000kW，B1平臺(tái)機(jī)組額定功率5480kW實(shí)際最大功率為4392kW，得出油田機(jī)組符合率以及各個(gè)電站剩余電量如表20

從電量平衡分析來(lái)看，目前各油田供電能實(shí)現(xiàn)平衡，剩余電量較大的是A油田，考慮B油田機(jī)組可靠性較低，將其機(jī)組作為電網(wǎng)冷備用機(jī)組，A油田機(jī)組全開(kāi)的前提下，通過(guò)利用A1電站可以滿(mǎn)足B油田供電要求，因此電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)路可按照傳輸至少一臺(tái)電站容量9000KW考慮。

1.2 海上油田距離分析

依據(jù)海上油田經(jīng)緯度坐標(biāo)分析計(jì)算與實(shí)際確認(rèn)，得出A油田A2負(fù)載平臺(tái)距離B油田B5負(fù)載平臺(tái)最近點(diǎn)為14.5KM，A2平臺(tái)進(jìn)線(xiàn)母線(xiàn)電壓為22KV、50HZ，B5平臺(tái)進(jìn)線(xiàn)母線(xiàn)電壓同為22KV、50HZ，B4平臺(tái)至B5平臺(tái)海底電纜為120mm²，油田整體位置見(jiàn)圖1。

1.3 工況分析

1.3.1 最大方式工況分析

依據(jù)設(shè)計(jì)運(yùn)行方式A與B油田最大負(fù)荷為23.2MW，裝機(jī)容量46.4MW，可利用容量41.8MW，如所有機(jī)組皆滿(mǎn)開(kāi)則有18.6MW的盈余，盈余大于任意2臺(tái)機(jī)組容量，因此可以將系統(tǒng)內(nèi)的任意2臺(tái)機(jī)組留作冷備用。由于B1平臺(tái)主變?nèi)萘枯^小，最多傳輸5040KW，B4到B5平臺(tái)海纜為120mm²最多傳輸8504KW，約為B區(qū)域負(fù)荷。當(dāng)B區(qū)域機(jī)組全停電時(shí)，海纜處于滿(mǎn)載工作，無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)荷需求，因此B1平臺(tái)最少開(kāi)1臺(tái)機(jī)組。各種工況組合如表3。

1.3.2 實(shí)際負(fù)荷運(yùn)行工況分析

根據(jù)油田實(shí)際負(fù)荷，A和B油田全部投產(chǎn)情況下總計(jì)負(fù)荷約8.5MW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于裝機(jī)容量。油田機(jī)組實(shí)際由于氣源以及設(shè)計(jì)限制等原因，A1平臺(tái)機(jī)組實(shí)際最大帶載為8500kW，B1平臺(tái)機(jī)組實(shí)際最大帶載為4328kW。實(shí)際A1和B1平臺(tái)各只需要開(kāi)1臺(tái)機(jī)組即可滿(mǎn)足油田的正常生產(chǎn)，實(shí)際盈余還有4.5MW。同時(shí)在A1平臺(tái)機(jī)組跳機(jī)的情況下通過(guò)卸載管理方式B1平臺(tái)1臺(tái)機(jī)組也可以保障油田基本供電安全。依據(jù)油田實(shí)際負(fù)荷，組合出各種工況情況下機(jī)組綜合帶載如表4。

1.4 無(wú)功補(bǔ)償校核

1.4.1 A油田無(wú)功校核

依據(jù)設(shè)計(jì)資料，A油田己投運(yùn)海纜和未來(lái)預(yù)留海纜如表5。

表格中合計(jì)8條22KV海纜，總計(jì)147.9KM。海纜具有較大電容效應(yīng)，在海纜輕載時(shí)產(chǎn)生末端電壓升高或引起發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行問(wèn)題，因此需要進(jìn)行感性無(wú)功補(bǔ)償。

海纜充電功率計(jì)算如下：

Q=U²ωCL/1000KVAR

其中ω=314

C：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度電容，單桅μF/KM

經(jīng)計(jì)算，A油田各條海纜充電功率如表6。

A油田海纜以及變電所產(chǎn)生充電功率為5092KVar，依據(jù)設(shè)計(jì)資料A1平臺(tái)己設(shè)置6MVarSVG裝置，SVG為電子產(chǎn)品不需要考慮傳統(tǒng)電抗器諧振問(wèn)題，即不要求補(bǔ)償度40%～80%區(qū)間，所以目前SVG滿(mǎn)足電網(wǎng)配置要求。

1.4.2 B油田無(wú)功校核

依據(jù)設(shè)計(jì)資料，B油田海纜如表7。

經(jīng)校核，B油田群應(yīng)補(bǔ)償功率為2234KVar，目前己配置1臺(tái)600KVar SVG裝置。同時(shí)B油田到A油田新增1條14.5KM 22KV120mm²海纜充電功率為420KVar，因此組網(wǎng)后需要統(tǒng)一進(jìn)行補(bǔ)償2100KVar。

1.5 短路電流計(jì)算

短路電流計(jì)算校核工況采取電站平臺(tái)主發(fā)電機(jī)全部投入工況。主要母線(xiàn)短路電流計(jì)算結(jié)果如表8。

根據(jù)短路電流計(jì)算結(jié)果，考慮設(shè)備的通用性和一定的裕度，35kV主要設(shè)備短路電流水平按25kA考慮。A1平臺(tái)10.5kV母線(xiàn)設(shè)備短路電流水平可按照25kA選擇，B1平臺(tái)6.3kV母線(xiàn)設(shè)備短路電流水平可按照20kA選擇，斷路器開(kāi)斷直流分量水平不小于50%。

由于本工程屬于海上工程，環(huán)境潮濕，鹽霧腐蝕嚴(yán)重，本工程戶(hù)外22kV設(shè)備外絕緣爬電比距按照最高線(xiàn)電壓下不低于35mm/kV配置，戶(hù)內(nèi)設(shè)備外絕緣爬電比距按照額定線(xiàn)電壓下不低于23mm/kV配置。

2 組網(wǎng)方案

2.1 設(shè)備與接入點(diǎn)選擇

在A1平臺(tái)新增1臺(tái)10.5/22kV 12500KVA變壓器，將備用發(fā)電機(jī)容量輸送給電網(wǎng)。在A2平臺(tái)敷設(shè)1條22KV3C*120mm²14.5KM海底光纖電纜到B5平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)A油田與B油田的電力組網(wǎng)。

2.2 中性點(diǎn)接地方式選擇

A與B油田各個(gè)平臺(tái)采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而平臺(tái)聯(lián)絡(luò)的22KV系統(tǒng)目前也為海洋石油平臺(tái)的習(xí)慣做法：即變壓器中性點(diǎn)小電阻接地方式，一旦海底電纜發(fā)生單相故障接地，保護(hù)直接動(dòng)作。目前A1平臺(tái)22KV主變采取400A低電阻接地系統(tǒng)，B1平臺(tái)22KV變壓器采取200A低電阻接地系統(tǒng)。組網(wǎng)后，接地系統(tǒng)保持不變。

2.3 同期點(diǎn)選擇選擇

考慮到A與B油田組網(wǎng)是將已建或其它代建平臺(tái)進(jìn)行電氣連接，故同期點(diǎn)的選擇原則就是在各個(gè)油田的交界的開(kāi)關(guān)設(shè)置同期前以及雙回路供電的主要開(kāi)關(guān)?？傆?jì)設(shè)置7個(gè)同期點(diǎn)，分別為A1和A2平臺(tái)3個(gè)，B4和B5平臺(tái)2個(gè)，B1平臺(tái)2個(gè)。

2.4 海底電纜傳輸容量選擇

B1～B3平臺(tái)合計(jì)最大負(fù)荷約為4071KW，組網(wǎng)后B1平臺(tái)主要為受電方，B1平臺(tái)2臺(tái)3150KVA變壓器（滿(mǎn)載電流約82A）最大提供5040KW，因此B1平臺(tái)正常運(yùn)行時(shí)至少需要開(kāi)1臺(tái)機(jī)組。此時(shí)B油田需要外供的電量最少為3463KW（最大負(fù)荷8395KW減去自身1臺(tái)出力4932KW），折合電流為114A，同時(shí)考慮到B4至B5平臺(tái)海纜為3C*120mm²，因此B5至A2選擇3C*120mm²海底電纜，最大傳輸容量為8504KW（按照279A計(jì)算）。

海纜壓降計(jì)算公式：

根據(jù)公式：

V=K1*I*（Rcosθr+Xsinθr）（V/kM）

式中：

K1——相位之間的系數(shù)，（通常為）

I——海底電纜最大的負(fù)載電流（A），

R——海底電纜的電阻（Ω/kM），

X——海底電纜的電抗（Ω/kM），

cosθr——功率因數(shù)（一般取0.8）。

A油田傳輸?shù)紹油田3463KW計(jì)算壓降約為667V，壓降約3%。負(fù)荷要求，如海纜在壓降偏大，可以通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償以及變壓器有載調(diào)壓方式，可將電壓控制在合理范圍以?xún)?nèi)。

2.5 機(jī)組控制

由于A油田和B油田發(fā)電機(jī)組為不同型號(hào)且廠家也不同，同時(shí)也是分布在不同位置。組網(wǎng)后，機(jī)組自身無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常的帶載運(yùn)行，通過(guò)增加一套電源能量管理系統(tǒng)（pms）對(duì)兩個(gè)電站發(fā)電機(jī)組出力值進(jìn)行統(tǒng)一的分配，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后，將電站在運(yùn)行機(jī)組均至于DROOP（有差）模式，PMS系統(tǒng)將機(jī)組基于基準(zhǔn)頻率進(jìn)行負(fù)荷分配，確保每臺(tái)在運(yùn)行機(jī)組出力值實(shí)現(xiàn)比例平衡或進(jìn)行機(jī)組的調(diào)度出力錯(cuò)開(kāi)性能不穩(wěn)定機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的影響。

2.6 通訊配置

目前A油田己配置PMS系統(tǒng)，全油田網(wǎng)絡(luò)己是EtherNet環(huán)網(wǎng)架構(gòu)。B油田配置了相同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。A、B油田組網(wǎng)后，通過(guò)新增的海底光纖，將在A2平臺(tái)和B5平臺(tái)增加光電交換機(jī)，將A油田與B油田的網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò)，用于PMS系統(tǒng)統(tǒng)一控制管理。同時(shí)也可以利用此海底光纖將A油田和B油田的中控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一連接。

3 結(jié)論

依據(jù)各項(xiàng)計(jì)算數(shù)據(jù)分析，A油田與B油田通過(guò)新增海纜、變壓器、SVG、EMS控制系統(tǒng)等裝置設(shè)備，在油田無(wú)需大范圍的變動(dòng)下具備組網(wǎng)的條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前A、B油田運(yùn)行的工況情況，尤其是B油田機(jī)組極其不穩(wěn)定且運(yùn)行工況長(zhǎng)期為1臺(tái)，B油田掉電情況時(shí)有發(fā)生。A油田機(jī)組容量大，但實(shí)際帶載率卻比較小，資源浪費(fèi)與空置嚴(yán)重。組網(wǎng)后將最大幅度提高資源利用率，大幅度減少油田的停產(chǎn)幾率、減少海上維護(hù)人員的工作量同時(shí)可以保障海上油田的基本用電。為油田長(zhǎng)期生產(chǎn)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，海上維護(hù)人員的身心健康也得到提高。

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