海洋石油平臺(tái)微透平發(fā)電機(jī)應(yīng)用方案探討

魏春先 劉 琳 周 雷 徐建東

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

在國內(nèi)海上石油平臺(tái)老齡化的趨勢下，老平臺(tái)改造的工程項(xiàng)目日益增多。本文依托實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行分析，該項(xiàng)目需要增加用電設(shè)備，且平臺(tái)目前的電站不能滿足供電需求。出于對老平臺(tái)改造空間的局限性及工程投資費(fèi)用等多方面因素的綜合考慮，新增微透平發(fā)電機(jī)成為我們考慮的一種較為實(shí)際的方案。

海上某平臺(tái)目前設(shè)置3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)（400 kW/0.8 pF/0.4 kV/50 Hz/3 ph/3 W中性點(diǎn)絕緣），為平臺(tái)上生產(chǎn)、生活和公用設(shè)施供電。由于平臺(tái)計(jì)劃新增3口調(diào)整井，新增用電設(shè)備，平臺(tái)現(xiàn)有電站不能滿足新增設(shè)備用電需求。

另外，由于使用年限較長，原有柴油發(fā)電機(jī)故障率較高，燃料柴油生產(chǎn)成本較高，出于節(jié)能減排目的，希望更換成燃?xì)獍l(fā)電機(jī)。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

現(xiàn)平臺(tái)用電負(fù)荷：夏季最大負(fù)荷550 kW，冬季最大負(fù)荷712 kW，預(yù)計(jì)增加3口調(diào)整井，調(diào)整井按照100 kW/口計(jì)算，新增井用電負(fù)荷按照300 kW考慮?，F(xiàn)有平臺(tái)上發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)參數(shù)表

2 設(shè)計(jì)方案

為補(bǔ)充平臺(tái)計(jì)劃增加3口調(diào)整井的用電負(fù)荷300 kW的電力缺口，機(jī)械專業(yè)選型微透平為C600（3臺(tái)C200拼機(jī)組成）。電氣專業(yè)通過與廠家技術(shù)交流，充分了解該品牌微透平特性，即新增微透平發(fā)電機(jī)與原動(dòng)機(jī)中間不帶減速器，高頻發(fā)電，發(fā)電后整流成直流，通過IGBT逆變?yōu)檩敵鏊桀l率。單臺(tái)C200微透平IGBT最大輸出電流為475 A，能夠承受極限電流值為1.1 kA/3 ms。

2.1 方案1

新增微透平后按照與現(xiàn)有發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行和分列運(yùn)行兩種方式對電氣方案進(jìn)行了校驗(yàn)。

2.1.1 方案1-1：微透平與原電站分列運(yùn)行

微透平按照2用1備考慮：總輸出功率為400 kW，新增井口按照業(yè)主提供的負(fù)荷為300 kW，微透平負(fù)荷率為75%。由于微透平過載能力較低，單臺(tái)C200微透平輸出最大電流為475 A，對于并列運(yùn)行機(jī)組發(fā)生單臺(tái)故障時(shí)，由于運(yùn)行發(fā)電機(jī)難以承受突加負(fù)荷沖擊，建議備用機(jī)組按照熱備用運(yùn)行，即備用機(jī)組長期運(yùn)行，不帶載，當(dāng)有單臺(tái)故障時(shí)可迅速補(bǔ)充電源，避免電站癱瘓。

由于微透平與平臺(tái)原有發(fā)電機(jī)分列運(yùn)行，不影響原平臺(tái)用電現(xiàn)狀。尖峰時(shí)刻IGBT控制失效可提供最大1.1 kA/3 ms；本項(xiàng)目選定微透平短路容量按照3臺(tái)微透平并列運(yùn)行，最大3.3 kA/3 ms，低壓系統(tǒng)母線容量選擇為15 kA。

對新增400 V低壓系統(tǒng)配電盤需要增加電氣房間，估算新增電氣房間凈空間為3.6 m×2.6 m×3 m（長×寬×高）。

2.1.2 方案1-2：微透平與原電站并列運(yùn)行

微透平按照2用1備考慮：總輸出功率為400 kW，原電站中2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行，總發(fā)電能力為800 kW，發(fā)電機(jī)總負(fù)荷1 200 kW；平臺(tái)現(xiàn)有負(fù)荷冬季最大為712 kW，新增井口按照業(yè)主提供的負(fù)荷為300 kW，總負(fù)荷為1 012 kW，發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為84.3%，并網(wǎng)后如單臺(tái)C200微透平故障，電站可滿載運(yùn)行。

增加微透平后最大運(yùn)行模式下400 V母線容量為2 660 A，而現(xiàn)有低壓盤母線容量為2 230 A，不滿足使用需求，低壓盤需要進(jìn)行替換。

平臺(tái)現(xiàn)有電氣系統(tǒng)短路校核，按照最大運(yùn)行工況：3臺(tái)發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行，400 V母線最大短路結(jié)果：T/2周波最大短路容量為20 kA；微透平采用電子器件限制了電流輸出，在穩(wěn)態(tài)輸出最大電流為300 A/相，尖峰時(shí)刻IGBT控制失效可提供最大1.1 kA/3 ms。

本項(xiàng)目選定微透平短路容量按照最大3.3 kA/3 ms，累加原系統(tǒng)短路容量，短路容量最大為400 V母線：T/2周波最大短路容量為23.3 kA，現(xiàn)有低壓盤短時(shí)耐受電流為38.5 kA，可以滿足增加微透平的使用需求。

增加微透平發(fā)電機(jī)，需要增加配套設(shè)備為：1面發(fā)電機(jī)出線柜和1面3個(gè)井口供電柜與現(xiàn)有低壓盤并接在一起。由于現(xiàn)有400 V低壓盤母線容量不足，且此低壓盤使用年限較長，配件購買困難，建議整體更換，與新加柜子一起排布，現(xiàn)有房間可以滿足使用需求。

2.2 方案2

由于平臺(tái)使用年限較長，現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障率較高，燃料柴油生產(chǎn)成本較高，出于節(jié)能減排目的更換成燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，機(jī)械專業(yè)微透平選型為：3臺(tái)C200（1組）、4臺(tái)C200（1組），其中1臺(tái)C200L備用。原有發(fā)電機(jī)全部拆除。

為此，電氣專業(yè)進(jìn)行了以下校核：新增井口按照業(yè)主提供的負(fù)荷為300 kW，平臺(tái)原有負(fù)荷冬季為712 kW，總負(fù)荷為1 012 kW，微透平按照6用1備考慮，冬季溫度低，發(fā)電機(jī)出力按照200 kW/臺(tái)計(jì)，總輸出功率為1 200 kW，發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為84.3%；夏季為550kW，總負(fù)荷為850 kW，微透平按照6用1備考慮，夏季溫度高，發(fā)電機(jī)出力按照176kW/臺(tái)計(jì)，總輸出功率為1056kW，發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為80.5%。

更換電站后最大工況下400 V母線電流為2 660 A，而現(xiàn)有低壓盤母線電流為2 230 A，不能滿足使用需求，低壓盤需要更換。

平臺(tái)電氣系統(tǒng)短路校核：微透平采用電子器件限制了電流輸出，在穩(wěn)態(tài)輸出最大電流為300 A/相，尖峰時(shí)刻IGBT控制失效可提供最大1.1 kA/3 ms；本項(xiàng)目選定微透平短路容量按照最大7.7 kA/3 ms計(jì)，現(xiàn)有低壓盤短路容量為34.5 kA，可滿足改造需求。

更換微透平后，拆除現(xiàn)有電氣房間內(nèi)的3臺(tái)發(fā)電機(jī)出線柜，更換為新的2臺(tái)發(fā)電機(jī)出線柜，并增加1面3個(gè)井口供電柜。由于現(xiàn)有400 V低壓盤母線容量不足，且此低壓盤使用年限較長，配件購買困難，建議整體更換，新配電盤短路容量選為15 kA，盤柜整體設(shè)計(jì)排布，現(xiàn)有房間可以滿足使用需求。

3 微透平的負(fù)荷分配方式

多套微透平并機(jī)運(yùn)行時(shí)，在孤網(wǎng)模式下有兩種分配方式，有功和無功都是共同承擔(dān)的。

3.1 負(fù)載均衡模式

各發(fā)動(dòng)機(jī)都啟動(dòng)，瞬態(tài)時(shí)最早啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)承擔(dān)沖擊負(fù)荷，按照電流源模式輸出最大輸出電流為475 A，穩(wěn)態(tài)時(shí)平均分擔(dān)負(fù)載。

3.2 最大效率模式

各發(fā)動(dòng)機(jī)都啟動(dòng)，瞬態(tài)時(shí)最早啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)承擔(dān)沖擊負(fù)荷，按照電流源模式輸出最大輸出電流為475 A，穩(wěn)態(tài)時(shí)最早啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)帶的負(fù)荷大，比如210 kW的負(fù)載有可能是第1套發(fā)動(dòng)機(jī)200 kW，第2套發(fā)動(dòng)機(jī)10 kW，第3套和第4套為0 kW或不啟動(dòng)。

4 微透平的保護(hù)

微透平保護(hù)設(shè)在新增加的400 V出線盤中，保護(hù)功能主要有：電源方向保護(hù)32、逆相/相平衡電流保護(hù)46、瞬動(dòng)過流保護(hù)50、電壓限定延時(shí)過流保護(hù)51V、過電壓保護(hù)59、頻率保護(hù)81、低電壓保護(hù)27、定向接地故障保護(hù)67N、優(yōu)先脫扣保護(hù)51P。另外，盤柜中增加同步裝置。

5 方案對比

電氣方案對比如表2所示。

表2 電氣方案對比

6 存在問題和對策

由于機(jī)組中的IGBT最大輸出電流為475 A，無法直接啟動(dòng)52 kW以上電機(jī)，建議大電機(jī)增加啟動(dòng)變頻器，大電機(jī)直接啟動(dòng)需改為變頻啟動(dòng)方式。

7 結(jié)論

建議此品牌微透平作為輔助電源與現(xiàn)有主電站分列運(yùn)行，補(bǔ)充主電站中電量不足。

8 結(jié)語

由于微透平發(fā)電機(jī)占地空間小，施工費(fèi)用相對于敷設(shè)海纜較低，在某些特定的條件下，是一種較可行的電氣解決方案。但目前海上應(yīng)用實(shí)例較少，此類產(chǎn)品是否能長期穩(wěn)定地適用于海洋石油平臺(tái)環(huán)境還需要實(shí)際工程項(xiàng)目的檢驗(yàn)。