大電機(jī)起動(dòng)在海上電力孤網(wǎng)中的研究與分析

摘 要：近年來(lái)隨著海上油氣田平臺(tái)的滾動(dòng)開發(fā)，油氣田規(guī)模越來(lái)越大，電力負(fù)荷接近電站額定載荷，電網(wǎng)熱備容量匱乏。而平臺(tái)對(duì)空氣壓縮機(jī)、注水泵、原油輸送泵等大電機(jī)的功率需求越來(lái)越大，以及平臺(tái)間輸、變電變壓器容量的提升。諸如大功率電機(jī)及大容量變壓器設(shè)備的起動(dòng)過(guò)程，對(duì)海上電力孤網(wǎng)系統(tǒng)造成較大沖擊，嚴(yán)重危害海上電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文通過(guò)對(duì)大電機(jī)起動(dòng)方式的研究及工程案例分析，探索適于海上電力孤網(wǎng)系統(tǒng)的大負(fù)載起動(dòng)模式。

關(guān)鍵詞：海上油氣田平臺(tái)；電力孤網(wǎng)；大電機(jī)起動(dòng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.159

1 海上平臺(tái)電網(wǎng)簡(jiǎn)介

海上油氣田的供電方式主要有集中供電和獨(dú)立（分散）供電。集中供電系統(tǒng)電力網(wǎng)主要為單回路的放射式系統(tǒng)和單回路的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)兩大類。目前海上平臺(tái)電網(wǎng)多為孤島模式，主電站的總裝機(jī)容量以及單機(jī)容量都偏小，主機(jī)燃料類型多為天然氣、原油、柴油或雙燃料混合型。目前天然氣發(fā)電數(shù)量有所增加，降低了平臺(tái)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

目前海上平臺(tái)常用的大電機(jī)起動(dòng)方式主要有直起和降壓起動(dòng)，降壓起動(dòng)又包括星-三角起動(dòng)、軟起動(dòng)、變頻起動(dòng)。下述以渤中13-1油田降壓增產(chǎn)項(xiàng)目為案例進(jìn)行分析。

2 案例分析

渤中13-1油田新建一座4腿BOP平臺(tái)，與原WHPB平臺(tái)通過(guò)棧橋連接。根據(jù)生產(chǎn)要求，BOP需增設(shè)3臺(tái)天然氣壓縮機(jī)，單臺(tái)額定功率1500kW，采用6.3kV交流供電。新建BOP平臺(tái)與WHPB平臺(tái)電力電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，電站包括兩部分。

其一：原WHPB平臺(tái)上設(shè)有2臺(tái)額定功率4800kW的燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組（6.3kV/50Hz），機(jī)組一用一備運(yùn)行。主發(fā)電機(jī)組除了滿足本平臺(tái)正常的生產(chǎn)、生活外，還通過(guò)1臺(tái)6.3kV/10.5kV、1600kVA升壓變壓器和1條海底電纜（3×120mm2，17.32km）給CFD18-1平臺(tái)供電，另通過(guò)1臺(tái)6.3kV/10.5kV、2500kVA升壓變壓器和1條海底電纜（3×120mm2，10.48km）給CFD18-2平臺(tái)供電。

目前WHPB平臺(tái)、CFD18-1平臺(tái)和CFD18-2平臺(tái)總用電負(fù)荷最大共計(jì)約1420kW。

其二：新建BZ13-1BOP平臺(tái)新增最大總負(fù)荷共計(jì)約4708kW。BOP平臺(tái)配置三臺(tái)然氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組（6.3kV/50Hz，950kW/臺(tái)），通過(guò)同期裝置與WHPB平臺(tái)的兩臺(tái)TAURUS 60燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組（6.3kV/50Hz，4800kW/臺(tái)）聯(lián)網(wǎng)，最大負(fù)荷年正常情況下1臺(tái)透平機(jī)組備用，其余機(jī)組運(yùn)行。并通過(guò)EMS系統(tǒng)進(jìn)行電站管理。

最大負(fù)荷年總負(fù)荷為6128kW。需1臺(tái)4800kW的透平機(jī)組和3臺(tái)950kW的然氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，均負(fù)荷率80.1%。WHPB平臺(tái)另1臺(tái)4800kW的透平機(jī)組備用。電力系統(tǒng)一次圖如下：

壓縮機(jī)啟動(dòng)分析：

計(jì)算模擬分析采用EDSA軟件，模型的建立基于電力一次單線圖及負(fù)荷計(jì)算等。 考慮正常生產(chǎn)情況下的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況：BOP平臺(tái)的三臺(tái)950kW然氣機(jī)組運(yùn)行；WHPB平臺(tái)的1臺(tái)4800kW透平機(jī)組運(yùn)行，1臺(tái)備用，應(yīng)急機(jī)組備用。

模擬分析按照1臺(tái)壓縮機(jī)正常運(yùn)行，啟動(dòng)第2臺(tái)1500kW的壓縮機(jī)考慮，仿真表明：全壓直起時(shí)母線壓降16.89%，“Y-△”起動(dòng)時(shí)母線壓降8.12%?？芍珘褐眴航颠^(guò)大，近于20%，需采用“Y-△”、軟起動(dòng)或變頻起動(dòng)方式，以滿足 “大電機(jī)啟動(dòng)所造成的壓降應(yīng)該限制在標(biāo)稱系統(tǒng)電壓20%以內(nèi)”的技術(shù)要求，天然氣發(fā)電機(jī)組和透平均無(wú)過(guò)載。

鑒于天然氣發(fā)電機(jī)組本身特性，通過(guò)與卡特彼勒、康明斯和瓦錫蘭發(fā)電機(jī)廠家技術(shù)交流，并結(jié)合海上平臺(tái)然氣發(fā)電機(jī)組的使用現(xiàn)狀，分析如下：然氣發(fā)電機(jī)均無(wú)過(guò)載能力，抗沖擊能力較弱；天然氣發(fā)電機(jī)的突加負(fù)載能力較弱，常規(guī)然氣發(fā)電機(jī)需分六次平穩(wěn)加至滿負(fù)荷，首次最大突加 25% 負(fù)荷，隨后負(fù)荷遞減增加，時(shí)間總計(jì)2分鐘，每次頻率變化10%，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)需15秒，且突加負(fù)載能力隨發(fā)電機(jī)負(fù)荷率上升而下降；機(jī)組需多次才能加載到滿負(fù)荷，且時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

通過(guò)上述分析，并考慮BOP電站與WHPB電站組網(wǎng)的情況，配置了能量管理系統(tǒng)（EMS），用于負(fù)荷分配，也便于在大電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中提供應(yīng)對(duì)策略。鑒于然氣發(fā)電機(jī)自身出力偏小，在BOP平臺(tái)存在一種“小馬拉大車”現(xiàn)象，故將然氣發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)至恒功率模式，通過(guò)外部（EMS系統(tǒng)）給定功率值或者自身設(shè)定給定功率值，以期最低限度承擔(dān)電網(wǎng)的波動(dòng)，對(duì)然氣發(fā)電機(jī)組起到保護(hù)作用。但進(jìn)一步考慮到然氣發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況很難做到實(shí)時(shí)模擬，加上海洋平臺(tái)電力孤網(wǎng)的脆弱，給出了如下2種解決措施：

（1）壓縮機(jī)采用變頻起動(dòng)。采用變頻起動(dòng)，能夠控制起動(dòng)電流，降低電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)于電網(wǎng)容量的要求，能夠最大限度降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

（2）壓縮機(jī)仍采用軟起動(dòng)，并配置配套無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG）。在大電機(jī)起動(dòng)過(guò)程，通過(guò)SVG動(dòng)態(tài)跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償，保證啟動(dòng)大電機(jī)的無(wú)功需求，且動(dòng)太響應(yīng)時(shí)間不大于5ms。

3 總結(jié)

該項(xiàng)目考慮平臺(tái)空間的限制及費(fèi)用投資，采用“二拖三”變頻器起動(dòng)模式，提高了起動(dòng)穩(wěn)定性。在后期投產(chǎn)應(yīng)用上得到驗(yàn)證，很好地完成了設(shè)備起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)沖擊也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范要求。在隨后的岐口18-1調(diào)整項(xiàng)目電網(wǎng)遺留問(wèn)題優(yōu)化工程中，將“軟起動(dòng)+SVG”模式用于大電機(jī)起動(dòng)，也達(dá)到了預(yù)期效果。給海上平臺(tái)后期涉及大動(dòng)機(jī)起動(dòng)的工程，提供了解決方案和依據(jù)。

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