無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在海上油田的應(yīng)用與評(píng)估

吳必章(中海石油(中國(guó))有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司，天津 300459)

1 海上油田電網(wǎng)的特點(diǎn)簡(jiǎn)介

海上油田孤島電網(wǎng)一般由幾臺(tái)原油發(fā)電機(jī)組或者透平機(jī)組并網(wǎng)組成相對(duì)獨(dú)立的電力網(wǎng)，裝機(jī)容量有限，對(duì)于大功率設(shè)備投入運(yùn)行比較敏感，失電造成的經(jīng)濟(jì)損失、設(shè)備沖擊比較大，因此對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性、精細(xì)管理提出更高要求。

1.1 油田電力負(fù)荷性質(zhì)分析

油田主要的用電設(shè)備是交流電動(dòng)機(jī)、變壓器、變頻器等非線性設(shè)備。電動(dòng)機(jī)需要吸收無(wú)功功率建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；變壓器也需要消耗部分無(wú)功建立變換的空間磁場(chǎng)。變頻器、UPS、電弧焊接設(shè)備等產(chǎn)生諧波分量也日益污染電網(wǎng)質(zhì)量。

1.2 無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)的影響

(1)降低發(fā)電機(jī)有功輸出能力、變壓器使用裕度。在油田電網(wǎng)系統(tǒng)中，功率因素低，會(huì)導(dǎo)致電流和視在功率增加，從而使發(fā)電機(jī)、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線載荷的增加。

(2)增加用電設(shè)備及線路損耗。在油田電網(wǎng)系統(tǒng)中，功率因素低，無(wú)功功率增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路損耗增加。線路損耗：ΔP=(IP2+IQ2)R，IQ2R這部分損耗就是由無(wú)功功率引起的[1]。

(3)增大供配電線路電壓降。在油田電網(wǎng)系統(tǒng)中，功率因素低，無(wú)功功率增加，會(huì)導(dǎo)致電流和視在功率增加。功率角δ的改變，會(huì)引起平臺(tái)端電壓壓降增大，使電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)。

(4)降低電網(wǎng)穩(wěn)定性。有功功率的波動(dòng)一般對(duì)電網(wǎng)的影響較小，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)主要是由于無(wú)功功率的波動(dòng)引起的。非線性設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波，對(duì)變壓器、電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱。使電容器、電纜等過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短等[2]。

1.3 油田電網(wǎng)存在的問(wèn)題及解決措施

隨著油田的后期發(fā)展，油田電網(wǎng)系統(tǒng)面臨裝機(jī)容量有限、單點(diǎn)電滑環(huán)及海纜容量有限、變壓器使用裕度不足等無(wú)法滿足油田后續(xù)持續(xù)發(fā)展的電力窘境。

在平臺(tái)投用無(wú)功補(bǔ)償裝置，提高功率因數(shù)、電壓值，降低運(yùn)行電流、銅損，增加變壓器使用裕度，滿足后期電力增加需求。

2 無(wú)功補(bǔ)償理論技術(shù)支持

海油油田孤島電網(wǎng)輸出的功率除了把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、熱能、光能等等這部分功功率，還有作為電氣設(shè)備能夠正常工作而建立磁場(chǎng)或者電場(chǎng)，只在電網(wǎng)中與電能進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換無(wú)功功率。無(wú)功功率不消耗，但在裝機(jī)容量有限的海上孤島電站，影響發(fā)電機(jī)有功功率輸出。

2.1 無(wú)功補(bǔ)償工作原理

把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換。這樣，感性負(fù)荷所需要的無(wú)功功率可由容性負(fù)荷輸出的無(wú)功功率補(bǔ)償。降低因輸送無(wú)功功率造成的電能損失。如圖1所示：S=P+JQ；S1=P+J(QL-QC)。

圖1 無(wú)功補(bǔ)償工作原理示意圖

按照“分級(jí)補(bǔ)償，就地平衡”的原則，油田采取的補(bǔ)償方式是在平臺(tái)0.4 kV低壓盤母排并聯(lián)電容器。

補(bǔ)償依據(jù)：利用電能質(zhì)量檢測(cè)儀采集數(shù)據(jù)，推算單臺(tái)變壓器所需的無(wú)功補(bǔ)償量；既要考慮到改善功率因數(shù)，又要避免放大5次及5次以上諧波電流。

2.2 無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)分析

(1)減少海纜輸電線路電流，如圖1所示：ΔI2=I1-I2

(2)改善電壓降，提升近端平臺(tái)和遠(yuǎn)端平臺(tái)的電壓E≌IRcosθ+sinθ

(3)改善輸電線路損失，如圖2所示：

圖2 無(wú)功補(bǔ)償后的各參量關(guān)系

原輸電線路電能損失：P=I1I1R

改善輸電線路電能損失：P=I2I2R=(I1cosθ1/cosθ2)2R

(I2cosθ2=I1cosθ1，I2=I1cosθ1/cosθ2)

(4)增加變壓器使用裕度。無(wú)功補(bǔ)償裝置投用后增加平臺(tái)主變壓器的使用裕度：ΔP=PN后-PN前

(PN前=SN×PFN=0.8SNPN后=SN×PF后=0.95SN)

3 油田電網(wǎng)投入無(wú)功補(bǔ)償后的效益評(píng)估

3.1 投入無(wú)功補(bǔ)償裝置前后電力數(shù)據(jù)對(duì)比分析

6個(gè)平臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝在400 V低壓側(cè)，采取動(dòng)態(tài)跟蹤式投入電容器裝置，以下電力數(shù)據(jù)采集是在無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)定功率因PF=0.95時(shí)，分別從電站側(cè)和平臺(tái)側(cè)檢測(cè)的數(shù)據(jù)[3]。

(1)平臺(tái)側(cè)電力數(shù)據(jù)對(duì)比分析。6個(gè)平臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償裝置投運(yùn)前，檢測(cè)平臺(tái)低壓母線電壓為376 V，無(wú)功補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，各平臺(tái)母線電壓為386 V，各平臺(tái)電壓提高約10 V。平臺(tái)運(yùn)行電流變化明顯，低壓側(cè)運(yùn)行電流減少約520 A。

(2)發(fā)電機(jī)側(cè)電力數(shù)據(jù)對(duì)比分析。6個(gè)平臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償裝置投運(yùn)前，在FPSO電站監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的電力數(shù)據(jù)，有功功率基本沒(méi)變，在22.99～23.10 MW之間(因有間斷運(yùn)行設(shè)定，該波動(dòng)在合理范圍)，無(wú)功功率約15.6 MVar；裝置投運(yùn)后無(wú)功補(bǔ)償無(wú)功功率約12 MVar，功率因數(shù)在裝置投運(yùn)前后分別為0.80和0.89。

3.2 對(duì)油田電網(wǎng)系統(tǒng)的效益評(píng)估

(1)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。由于降低燃油帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，減少了大量燃油廢熱的排放量，降低了環(huán)境污染程度，社會(huì)效益顯著。

(2)提高發(fā)電機(jī)有功輸出使用裕度。在裝機(jī)容量不變的情況下投入無(wú)功補(bǔ)償，發(fā)動(dòng)機(jī)減少低無(wú)功輸出，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)視在功率，意味著提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出有功功率裕度。為油田的發(fā)展提供的更大的電能空間。有功負(fù)荷一定時(shí)，發(fā)電機(jī)視在功率輸出減小。無(wú)功補(bǔ)償投用后發(fā)電機(jī)輸出功率的減少量為：

6個(gè)平臺(tái)投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，發(fā)電機(jī)在輸出有功不變情況下，增加1.8 MVA視功余量，大大緩解了油田用電緊張的局面，為后續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(3)提高系統(tǒng)運(yùn)行電壓、降低運(yùn)行電流。投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后400 V低壓盤提升10 V左右，每個(gè)平臺(tái)減少運(yùn)行電流500 A左右。減少輸電線路因電阻而產(chǎn)生的熱量消耗。減少了電潛泵等用電設(shè)備運(yùn)行電流，延緩電潛泵定子繞組的絕緣老化，延長(zhǎng)其使用壽命，進(jìn)一步降低修井作業(yè)頻度，因而降低維修成本，節(jié)約大量的設(shè)備成本、施工成本。

(4)提高功率因數(shù)。因油田正常生產(chǎn)用電設(shè)備基本不變，即負(fù)荷量基本不變，也即發(fā)電機(jī)輸出有功功率基本不變，而因無(wú)功補(bǔ)償裝置的投用，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)功功率的輸出，視在功率減小，功率因數(shù)由原來(lái)的PF=0.8提高到PF=0.95；提高線路輸送有功功率的能力；降低輸電電纜的線損[4]。

(5)增加變壓器使用裕度。無(wú)功補(bǔ)償裝置投用后增加平臺(tái)主變壓器的使用裕度：

平臺(tái)主主變壓器SN=2 MVA，PF=0.8，則PN=2×0.8=1.6 MW

投入無(wú)功補(bǔ)償電容器后，PF=0.95，PN=2×0.95=1.9 kW

ΔP=1.9-1.6=0.3 MW，ΔP總=0.3×6×2=3.6 MW

不需增加變壓器及輸電電纜等前提下增加3.4 MW使用裕度，為油田的后續(xù)發(fā)展提供有力保障，同時(shí)節(jié)約大量的設(shè)備成本，施工成本，意義重大。

(6)降低諧波畸變分量，改善電-源品質(zhì)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)功補(bǔ)償投用后，5次和7次諧波等主要諧波分量的諧波電壓及電流均降低約50%，電網(wǎng)品質(zhì)得到很大的提升。這個(gè)結(jié)果意義重大，對(duì)油田系統(tǒng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，將大大消除諧波干擾，提高控制系統(tǒng)通訊、開(kāi)關(guān)綜合繼電保護(hù)器的穩(wěn)定性；提高電力拖動(dòng)功效及穩(wěn)定性；減少變壓器銅損及鐵損。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著

投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，降低了諧波電流，提高了設(shè)備效能，降低設(shè)備故障發(fā)生率，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，降低設(shè)備管理成本，取得了巨大經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)節(jié)約能源消耗，降低燃油消耗，減少了大量燃油廢熱的排放量，降低了環(huán)境污染程度，社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

調(diào)諧濾波無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在海上平臺(tái)采用分散補(bǔ)償，設(shè)備改造、安裝簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)不停產(chǎn)安裝調(diào)試?？捎行岣唠娋W(wǎng)功率因數(shù)，提高電壓，降低運(yùn)行電流，增加變壓器使用裕度，改善電網(wǎng)質(zhì)量，提高設(shè)備的利用率。降低燃油消耗量，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，節(jié)約生產(chǎn)成本、設(shè)備管理成本，在其他海上油田也極具推廣的參考意義。