油田群項(xiàng)目海上降壓變電站布置方案研究

劉生 ，巴硯

（1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663；2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028）

海洋油田群受海底油氣資源分布限制，通常距離陸地較遠(yuǎn)，以孤島形式建設(shè)。油田群平臺(tái)目前主要通過透平發(fā)電機(jī)組等自發(fā)電設(shè)備為用電負(fù)荷提供電能，自發(fā)電在保障海上油田開發(fā)電力供應(yīng)的同時(shí)也帶來了一系列的問題，主要體現(xiàn)在：（1）透平發(fā)電機(jī)組基本都是進(jìn)口設(shè)備，費(fèi)用高，核心技術(shù)被國外壟斷；（2）每個(gè)油田平臺(tái)都需要設(shè)置自發(fā)電設(shè)備；（3）自發(fā)電設(shè)備以原油或天然氣為燃料，由于單一平臺(tái)的容量小且效率低，導(dǎo)致發(fā)電成本較高。

通過從陸上向海上供電可以很好地解決上述問題。陸地電力一方面控制技術(shù)成熟，調(diào)度靈活，供電可靠性高；另一方面陸地能源中水電、核電、風(fēng)電等清潔能源占比較高，能夠大幅減少海上自發(fā)電過程中產(chǎn)生的溫室氣體和污染氣體直接排放，為地區(qū)環(huán)境治理作出貢獻(xiàn)。因此，這一技術(shù)將會(huì)是海洋油田群電力解決方案的主要發(fā)展方向。

海上降壓變電站是油田群供電的核心內(nèi)容，承擔(dān)著電能分配和改善電能質(zhì)量的重要功能。目前國內(nèi)油田群海上降壓變電站尚無工程應(yīng)用案例。相比于陸上電網(wǎng)的變電站和用于海上風(fēng)電送出的海上升壓站，海上降壓變電站功能區(qū)域更多、建設(shè)難度更大，成本更高。本文提出的海上降壓變電站布置方案對(duì)滿足工藝流程、保障設(shè)備檢修和維護(hù)便利以及最大程度減少平臺(tái)尺寸具有重要的指導(dǎo)作用和參考價(jià)值。

1 海上降壓變電站的特點(diǎn)

1.1 海上降壓變電站介紹

本文研究的海上降壓變電站通過高壓交流海纜接收陸地電網(wǎng)電力，再通過降壓變壓器變低至負(fù)荷側(cè)電壓，最后通過交流海纜輸送至海上油氣田集群。

1.2 海上降壓變電站與海上升壓站差異

本文研究的海上降壓變電站與發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域用于風(fēng)電送出的海上升壓站有以下兩處明顯的不同。

首先是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同。對(duì)于海上升壓站，不管是單個(gè)還是多個(gè)，都屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)?，海上風(fēng)場經(jīng)過升壓站升壓后送至陸地。但是對(duì)于海上降壓變電站，屬于海上組網(wǎng)拓?fù)洌舜酥g存在互聯(lián)，接線和控制復(fù)雜程度高。

其次是無功補(bǔ)償設(shè)備的配置。對(duì)于海上升壓站，由于風(fēng)電場已具備一定的電壓控制及無功調(diào)節(jié)能力，同時(shí)陸上集控站內(nèi)都會(huì)配置無功補(bǔ)償設(shè)備，所以升壓站內(nèi)不再配置。但是對(duì)于海上降壓變電站，一方面，為了保證各個(gè)方向的配電長度均衡，一般深入油田群中心，遠(yuǎn)離陸地，長距離輸電需要配置無功補(bǔ)償設(shè)備以抑制過電壓水平；另一方面，油田群負(fù)荷主要是電動(dòng)機(jī)類負(fù)荷，大量消耗無功，需要配置無功補(bǔ)償設(shè)備以改善電能質(zhì)量。

最后是電壓等級(jí)的不同，海上升壓站一般有220 kV、35 kV 和 0.38 kV 三個(gè)電壓等級(jí)，220 kV 用于電能匯集后集中送出，35 kV用于風(fēng)機(jī)集電線路，0.38 kV用于輔助系統(tǒng)；海上降壓變電站一般有220 kV、35 kV、10 kV 和 0.38 kV 四個(gè)電壓等級(jí)，220 kV 用于接收陸地電網(wǎng)電力，35 kV 和10 kV 用于不同的油氣田傳輸電力，0.38 kV用于輔助系統(tǒng)。

1.3 海上輸電平臺(tái)主要布置型式

根 據(jù) 《Offshore substations for wind farms》（DNV-OS-J201）的分類，海上平臺(tái)分為無人操作的海上平臺(tái)，臨時(shí)或者長期有人駐守的海上平臺(tái)和無人操作的海上平臺(tái)加一個(gè)生活平臺(tái)三種類型。

目前建成的大多數(shù)海上輸電平臺(tái)均為無人操作，此類平臺(tái)不考慮人員臨時(shí)或永久在平臺(tái)上居住，只需在平臺(tái)上布置電氣設(shè)備，平臺(tái)布置緊湊，整體較小，上部結(jié)構(gòu)重量輕，方便施工。

2 海上降壓變電站工藝流程和設(shè)計(jì)原則

2.1 工藝流程

根據(jù)功能定位和工作原理，海上降壓變電站可劃分為220 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)、變壓器區(qū)、35 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)、10 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)、無功補(bǔ)償區(qū)和輔助房間六大區(qū)域。

每個(gè)功能區(qū)域在有機(jī)聯(lián)系的同時(shí)，應(yīng)盡量獨(dú)立成區(qū)，減弱各區(qū)域間的交互影響。

各功能分區(qū)間的工藝流程如圖1所示。

圖1 海上降壓變電站的工藝流程Fig.1 Technological process of offshore step-down substation

2.2 設(shè)計(jì)原則

在滿足工藝流程的前提下，應(yīng)考慮以下設(shè)計(jì)原則：

1）220 kV 降壓變壓器重量200~250 t，是海上降壓變電站里最重的單體設(shè)備，并且位于工藝流程的核心位置，應(yīng)布置在平臺(tái)中央，這樣一方面利于重心控制，另一方面方便進(jìn)出線，避免交叉。

2）電氣二次設(shè)備室和通信設(shè)備室應(yīng)盡量與蓄電池室緊鄰布置，減少供電回路電壓偏差。

3）對(duì)于較重的設(shè)備，為了方便吊裝，應(yīng)盡量布置在上層，頂部設(shè)置檢修孔。

4）為使平臺(tái)上下層尺寸匹配，考慮在各層靈活布置功能房間。

3 海上降壓變電站布置方案研究

3.1 220 kV開關(guān)設(shè)備區(qū)

高壓開關(guān)設(shè)備有敞開式和GIS 組合電器兩種布置方式，如圖2所示。

圖2 高壓開關(guān)設(shè)備布置方式Fig.2 Layout of high voltage switchgear

GIS組合電器與敞開式相比有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）占地面積小、設(shè)備體積小，元件全部密封在金屬殼體內(nèi)，不受環(huán)境干擾。

2）運(yùn)行可靠性較高，采用SF氣體絕緣，缺陷/故障發(fā)生概率低，維護(hù)工作量小，其主要部件的維修間隔大于20年。

3）GIS 采用整體運(yùn)輸，安裝方便、周期短、費(fèi)用較低。

為實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)的緊湊化布置，海上降壓變電站220 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)推薦采用GIS組合電器，同時(shí)將相關(guān)設(shè)備如測量裝置、避雷器、電壓互感器、接地開關(guān)等集成在GIS內(nèi)。

3.2 變壓器區(qū)

變壓器分為單相變壓器和三相一體變壓器兩種型式。為油田群供電的海上降壓變電站重要等級(jí)高，變壓器作為核心設(shè)備，應(yīng)考慮備用。變壓器采用單相變壓器時(shí)，需要設(shè)計(jì)備用相的快速切換方案，接線復(fù)雜，輔助設(shè)備較多；采用三相變壓器時(shí)，雖然需要兩臺(tái)三相變壓器，但是相比單相變壓器方案省去了快速切換設(shè)備，減少了平臺(tái)尺寸和重量。因此，變壓器推薦采用兩臺(tái)三相變壓器，正常運(yùn)行時(shí)各承擔(dān)50%的負(fù)荷，當(dāng)一臺(tái)變壓器故障時(shí)，另一臺(tái)變壓器應(yīng)承擔(dān)100%的負(fù)荷。

變壓器本體和散熱器分體布置，冷卻方式為自冷，主變?nèi)齻?cè)均為電纜引出。

變壓器是平臺(tái)上最重的電氣設(shè)備，應(yīng)盡量布置在中央，重心居中有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。變壓器也是海上降壓變電站內(nèi)最重要的設(shè)備之一，為了方便運(yùn)維和檢修，應(yīng)盡量布置在平臺(tái)上層，頂部設(shè)置檢修孔。

變壓器散熱器應(yīng)盡量布置在平臺(tái)外側(cè)，處于敞開空間，附近不應(yīng)有遮擋，以保證有足夠的通風(fēng)面積形成有效的空氣流動(dòng)實(shí)現(xiàn)散熱器的自然冷卻。

變壓器上方應(yīng)布置運(yùn)行檢修通道，方便運(yùn)維人員在設(shè)備帶電運(yùn)行期間查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 35 kV開關(guān)設(shè)備區(qū)

35 kV 開關(guān)設(shè)備一般選用開關(guān)柜型式，分為空氣絕緣開關(guān)柜和氣體絕緣開關(guān)柜兩種類型，如圖3所示。

圖3 35 kV開關(guān)柜布置方式Fig.3 Layout of 35 kV switchgear

空氣絕緣開關(guān)柜采用組裝結(jié)構(gòu)，開關(guān)設(shè)備各功能室均采用金屬隔板分隔，絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)為空氣。

氣體絕緣開關(guān)柜是將各元器件組合封閉在接地的金屬殼體內(nèi)，絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)為SF氣體。

空氣絕緣開關(guān)柜尺寸約為（寬）1.2 m×（深）2.8 m，氣體絕緣開關(guān)柜尺寸為（寬）0.6 m~0.8 m×（深）1.76 m（深），氣體絕緣開關(guān)柜較空氣絕緣開關(guān)柜體積更小，更能適應(yīng)海上平臺(tái)緊湊化的布置要求。同時(shí)由于采用封閉式結(jié)構(gòu)，不受海上惡劣環(huán)境影響，運(yùn)行更為安全和可靠。因此，海上降壓變電站35 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)推薦選用氣體絕緣開關(guān)柜布置型式。

3.4 10 kV開關(guān)設(shè)備區(qū)

10 kV 開關(guān)設(shè)備一般選用開關(guān)柜型式，分為空氣絕緣開關(guān)柜和氣體絕緣開關(guān)柜兩種類型。

目前國內(nèi)10 kV 開關(guān)柜大都采用空氣絕緣，雖然柜體稍大，但由于其絕緣性能可靠、維護(hù)方便和造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，仍是主流。10 kV 氣體絕緣開關(guān)柜主要應(yīng)用在城市軌道交通供電系統(tǒng)，具有節(jié)省空間、高可靠和少維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

3.5 無功補(bǔ)償區(qū)

無功補(bǔ)償區(qū)是海上降壓變電站相對(duì)于海上升壓站特有的功能分區(qū)。傳統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備包括電抗器和電容器。

電抗器用于消耗感性無功，一般布置在電源側(cè)，主要功能是抑制過電壓水平。電容器用于發(fā)出容性無功，一般布置在負(fù)荷側(cè)，主要功能是提高功率因數(shù)。

海上平臺(tái)均為鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)選用電抗器時(shí)，一般選用油浸式電抗器，漏磁小，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)影響小，抗震性能和抗污穢能力也優(yōu)于干式電抗器。

當(dāng)選用電容器時(shí)，設(shè)備型式分為框架式、集合式和成套裝置三種類型，如圖4所示。

電容器回路包含串聯(lián)電抗器、電容器組、接地開關(guān)和避雷器四類設(shè)備。

框架式電容器和集合式電容器的相同點(diǎn)在于回路中的四類設(shè)備都是獨(dú)立的單體設(shè)備，占地面積大，區(qū)別在于電容器組的型式不同，前者由一個(gè)個(gè)電容器單元組成，含油少，后者屬于油浸式設(shè)備，結(jié)構(gòu)型式類似變壓器，含油多。成套裝置是將集合式電容器回路的四類設(shè)備集成在一個(gè)油浸式設(shè)備中，大大減小了占地面積?？紤]到海上平臺(tái)緊湊型的布置要求，推薦電容器選用成套裝置。

圖4 電容器布置方式Fig.4 Layout of capacitor

除了常規(guī)補(bǔ)償設(shè)備外，STATCOM（又稱作SVG）新型無功補(bǔ)償設(shè)備憑借動(dòng)態(tài)收發(fā)無功和快速響應(yīng)的優(yōu)越性能在電力領(lǐng)域大量應(yīng)用，不過目前主要應(yīng)用在陸上變電站，海上降壓變電站尚未有應(yīng)用案例。

4 海上降壓變電站典型布置方案研究

基于前面的布置原則，本文針對(duì)油田群項(xiàng)目中的海上降壓變電站提出一種既滿足工藝流程要求，又充分考慮設(shè)備檢修和維護(hù)便利，同時(shí)最大程度減少平臺(tái)尺寸的典型布置方案，如圖5~圖8所示。

圖5 下層布置圖Fig.5 Lower layout

海上降壓變電站的布置方案按照?qǐng)D1 的工藝流程設(shè)計(jì)，布置方案力求緊湊合理，出線方便，減少面積，節(jié)省投資。

圖6 上層布置圖Fig.6 Upper layout

圖7 頂部布置圖Fig.7 Top layout

圖8 斷面圖Fig.8 Section view

底層是導(dǎo)管架與上部組塊之間的過渡層，布置有大量的斜撐，因此底層不考慮布置功能房間，僅考慮作為電纜層，布置電纜吊架和J 型管，同時(shí)可布置集油罐和逃救生設(shè)備等輔助設(shè)施，按敞開式空間設(shè)計(jì)。

下層布置變壓器室、220 kV GIS 室、35 kV 配電室、10 kV 配電室、電抗器室、10 kV 電容器室、接地變室、站用電室、應(yīng)急電源室和消防設(shè)備間。

變壓器室布置在平臺(tái)中央，利于控制重心。220 kV GIS室和35 kV配電室、10 kV配電室布置在變壓器室的兩側(cè)，方便進(jìn)出線，避免交叉和迂回。接地變兼做站用變，接地變室緊鄰站用電室和應(yīng)急電源室布置，節(jié)省低壓電纜長度。電抗器室緊鄰220 kV GIS室布置，減少高壓電纜長度。

上層布置繼電器及通信室、蓄電池室、35 kV電容器室和暖通機(jī)房。

繼電器及通信室緊鄰蓄電池室布置，降低供電回路電壓偏差。暖通機(jī)房布置在上層，提升散熱效率。

35 kV 電容器室布置在上層的原因是35 kV 電容器相對(duì)10 kV 電容器的外形和重量較大，方便利用頂部吊機(jī)實(shí)施設(shè)備的檢修和維護(hù)。

頂部布置有吊機(jī)和直升機(jī)平臺(tái)，同時(shí)在220 kV GIS 室、電抗器室、變壓器室和35 kV 電容器室房間頂部設(shè)置檢修蓋板用于吊機(jī)作業(yè)。吊機(jī)應(yīng)布置在外艙壁以避免在作業(yè)視野出現(xiàn)死區(qū)，吊機(jī)選型應(yīng)盡量滿足所有房間的吊裝需求。

上下層甲板外側(cè)一周設(shè)置外走廊和連通的樓梯，是否設(shè)置內(nèi)走廊和內(nèi)樓梯由具體工程確定。

整個(gè)典型布置方案具有模塊化和普適化特點(diǎn)，可利用和推廣價(jià)值高。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)油田群項(xiàng)目中的海上降壓變電站的功能分區(qū)及工藝布置、緊湊型電氣設(shè)備連接和電氣設(shè)備安裝運(yùn)維展開研究，結(jié)合系統(tǒng)要求和設(shè)備配置，充分考慮建設(shè)可行性、經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行的可靠型、靈活性等要求，得出以下結(jié)論：

1）220 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)：對(duì)比GIS 組合電器和敞開式的布置特點(diǎn)，推薦選用GIS組合電器。

2）變壓器區(qū)：考慮設(shè)備的運(yùn)行可靠性與運(yùn)維便利性，推薦變壓器按一用一備全容量配置，選用三相一體有載調(diào)壓變壓器，本體和散熱器分體布置。變壓器布置在平臺(tái)中央，頂部設(shè)置檢修孔。

3）35 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)、10 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)：對(duì)比空氣絕緣開關(guān)柜和氣體絕緣開關(guān)柜的布置特點(diǎn)，35 kV開關(guān)設(shè)備推薦選用氣體絕緣開關(guān)柜，10 kV開關(guān)設(shè)備推薦選用空氣絕緣開關(guān)柜。

4）無功補(bǔ)償區(qū)：對(duì)比框架式電容器、集合式電容器和成套裝置的布置特點(diǎn)，推薦選用成套裝置。

本文針對(duì)油田群項(xiàng)目中的海上降壓變電站提出了一種既滿足工藝和維護(hù)要求，又最大程度減少平臺(tái)尺寸的典型布置方案，帶來的有益效果如下：

1）針對(duì)油田群岸電項(xiàng)目中的海上降壓變電站開展了布置方案研究，具有較高的參考和推廣價(jià)值。

2）充分考慮海上降壓變電站和升壓變電站的差異，研究了無功補(bǔ)償設(shè)備的選型和布置方案。

3）通過統(tǒng)籌考慮功能房間和輔助房間的布置需求，給出了典型布置方案，既保證了各設(shè)備之間電氣連接的順暢，又最大程度減少平臺(tái)尺寸，節(jié)省用鋼量，同時(shí)在平面設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了主要電氣設(shè)備的運(yùn)維通道，方便檢修維護(hù)。