海上油田加裝無功補(bǔ)償裝置的研究

王紅（中海石油（中國）有限公司天津分公司）

目前，海上油田大多采用獨(dú)立的供電系統(tǒng)。相對(duì)于陸地電網(wǎng)來說，海上電力系統(tǒng)規(guī)模小、穩(wěn)定性較差。而海上油田電力系統(tǒng)中擁有大量的電動(dòng)機(jī)、變壓器等感性設(shè)備，這些設(shè)備需要大量的無功建立磁場。電氣設(shè)備要想正常工作，就需要一個(gè)能使它做功的功率，這個(gè)功率就是有功功率、即對(duì)外做功的功率。而無功功率用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率，即對(duì)外不做功，所以被稱之為“無功”[1]。變壓器、電抗器、接觸器的工作原理都是電磁感應(yīng)原理，即需要有一個(gè)磁場才能工作、進(jìn)行電磁能量的轉(zhuǎn)換，在交換的過程中必然會(huì)產(chǎn)生電流，這個(gè)電流就是無功電流，有無功電流就會(huì)消耗無功功率[2]。無功電流在電網(wǎng)中傳輸將降低電網(wǎng)中發(fā)電動(dòng)機(jī)、變壓器、海纜等供電設(shè)備容量的利用率，增加供電設(shè)備及線路的電能損耗，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。同時(shí)，非線性負(fù)荷產(chǎn)生的大量諧波電流注入電網(wǎng)時(shí)，導(dǎo)致諧波電壓的出現(xiàn)。諧波電壓和正常的基波電壓疊加在一起，還會(huì)造成電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變[3]。隨著油田發(fā)展的需要，一對(duì)一變頻器等非線性設(shè)備逐漸增加，導(dǎo)致電網(wǎng)中的諧波分量進(jìn)一步加大，嚴(yán)重影響了油田電網(wǎng)的供電品質(zhì)和用電設(shè)備的使用壽命、穩(wěn)定性及安全性。

1 無功補(bǔ)償裝置的必要性分析

1.1 理論分析

在海上油田電力系統(tǒng)中存在許多的感性負(fù)荷（如平臺(tái)的大功率潛油電泵、注水泵）和非線性裝置（如單井變頻器、UPS等電力電子設(shè)備）。工業(yè)負(fù)荷在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的諧波以及消耗大量的無功功率，不僅嚴(yán)重影響了高壓配電網(wǎng)的供電質(zhì)量，還會(huì)給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來極大危害[4]，主要對(duì)電網(wǎng)有以下嚴(yán)重的影響：

1）需要增加設(shè)備容量。無功功率的增加會(huì)導(dǎo)致電流和視在功率的增加，從而使發(fā)電動(dòng)機(jī)、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量增加[5]。

2）設(shè)備及線路損耗增加。無功功率的增加，使線路總電流增大，因而使設(shè)備及線路的損耗增加[6]。

3）使線路及變壓器的電壓降增大。在傳輸同樣功率的情況下，總電流增加將增加設(shè)備、線路的損失和增加線路和變壓器的電壓損失[7]。

4）產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，嚴(yán)重影響了電動(dòng)機(jī)的工作效率和使用壽命。

1.2 海上某油田電網(wǎng)簡介

海上某油田由一艘FPSO、單點(diǎn)系泊裝置（SPM）和6個(gè)井口平臺(tái)（WHPA～WHPF）組成，F(xiàn)PSO上的主電站系統(tǒng)由5臺(tái)7.3 MW，6.3 kV，3 Ph，3 Wire，50 Hz的Siemens無刷勵(lì)磁發(fā)電動(dòng)機(jī)組和1臺(tái)6.5 MW，6.3 kV，3 Ph，3 Wire，50 Hz透平發(fā)電動(dòng)機(jī)組成。通過3臺(tái)升壓變壓器（6.3 kV/10.5 k V）將電壓升到10.5 k V后，經(jīng)過單點(diǎn)電滑環(huán)和海底電纜將電能送到6個(gè)井口平臺(tái)（WHPA～WHPF）。每個(gè)井口平臺(tái)再通過2臺(tái)10.5 k V/0.4 k V的降壓變壓器降壓后，將電能送到400 V低壓母排為生產(chǎn)設(shè)備及生活設(shè)施供電。

1.3 海上某油田電網(wǎng)無功補(bǔ)償與諧波分析

海上某油田WHPC平臺(tái)在無功補(bǔ)償裝置安裝前進(jìn)行了電能質(zhì)量分析波形圖，其中：圖1為三相電壓波形圖、圖2為電網(wǎng)功率因數(shù)波形、圖3為電網(wǎng)5次諧波電流波形、圖4為電網(wǎng)7次諧波電流波形。

圖1 三相電壓波形圖Fig.1 Three phase voltage waveform

圖2 電網(wǎng)功率因數(shù)波形Fig.2 Power factor waveform of power grid

圖3 電網(wǎng)5次諧波電流波形Fig.3 The 5th harmonic current waveform of power grid

圖4 電網(wǎng)7次諧波電流波形Fig.4 The 7th harmonic current waveform of power grid

由圖1～圖4平臺(tái)實(shí)際測(cè)量的波形可以看出，WHPC平臺(tái)供電系統(tǒng)電壓值373 V，功率因數(shù)只有0.78～0.81，未能達(dá)到0.9以上。電壓波形存在畸變，5、7次諧波電流較大，最高可達(dá)30 A。利用電能質(zhì)量檢測(cè)儀采集數(shù)據(jù)，實(shí)際測(cè)得整個(gè)平臺(tái)無功補(bǔ)償需求容量在1 400 k Var左右。

因此，為了補(bǔ)償無功功率和抑制電網(wǎng)中諧波電流較大的特定頻率諧波的影響，在海上油田引入無功補(bǔ)償裝置是十分必要的。

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

2.1 海上某油田WHPC平臺(tái)

根據(jù)油田電網(wǎng)的實(shí)際情況，決定采用在平臺(tái)低壓400V母線側(cè)進(jìn)行分散補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行無功補(bǔ)償。選擇方案時(shí)，既要考慮到改善功率因數(shù)，提高系統(tǒng)電壓及降低系統(tǒng)電流，又要避免放大5次及5次以上諧波電流。

并聯(lián)補(bǔ)償電容器組是供電系統(tǒng)使用最廣泛的補(bǔ)償裝置，用于提高功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量和降低電能損耗。并聯(lián)電容器組通常需要加裝串聯(lián)電抗器來限制高次諧波和合閘涌流。但補(bǔ)償電容器組的串聯(lián)電抗率（即電抗器感抗與電容器容抗之比）不同，整個(gè)系統(tǒng)的阻抗頻率特性和濾波器性能也不同。所以LC串聯(lián)電路在電力系統(tǒng)所需補(bǔ)償容量一定時(shí)，關(guān)鍵是電抗率的確定：當(dāng)用于抑制5次及以上諧波時(shí)，電抗率宜取5%～6%[8]。

因此，WHPC平臺(tái)選用的NOKIAN CAPACITORS無功補(bǔ)償裝置，采用3臺(tái)電抗率為6%的調(diào)諧濾波器，單臺(tái)補(bǔ)償容量為444 kVar，總的補(bǔ)償容量可達(dá)1 332 k Var。內(nèi)部電容器型號(hào)為AL2D 480 V 100 kVar，電抗器型號(hào)為XKIB 74/400/6-50，共18組。表1為C平臺(tái)在安裝無功補(bǔ)償裝置前、后數(shù)據(jù)對(duì)比。

由表1可知無功補(bǔ)償裝置投入后，該平臺(tái)400 V低壓母線處無功功率降低850 k Var、電網(wǎng)電壓升高12 V左右、電流降低500 A左右、電壓畸變率降低60%左右，說明無功補(bǔ)償裝置的投入取得了很好的效果。

表1 C平臺(tái)在安裝無功補(bǔ)償裝置前、后數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison by C platform before and after installing of reactive power compensation device

2.2 海上某油田全部井口平臺(tái)

對(duì)該油田全部6個(gè)井口平臺(tái)在無功補(bǔ)償裝置投入前、后的電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，當(dāng)無功補(bǔ)償裝置投入后，井口平臺(tái)400 V低壓母線電壓由最低366 V提高至374 V，且高壓10.5 k V進(jìn)線電流均降低了20 A左右，6個(gè)平臺(tái)總進(jìn)線電流降低超過120 A，這樣就極大減輕了對(duì)輸電電纜及單點(diǎn)滑環(huán)所造成的巨大壓力。

2.3 供電側(cè)無功補(bǔ)償投入前后的變化

該油田所有平臺(tái)無功補(bǔ)償裝置全部安裝完成后，從動(dòng)力模塊測(cè)試無功補(bǔ)償裝置投入和退出前后主發(fā)電動(dòng)機(jī)側(cè)電網(wǎng)參數(shù)的變化情況如表2所示。

表2 無功補(bǔ)償裝置投入和退出前后主發(fā)電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化Tab.2 Parameter changes of main generator before and after reactive power compensation device

從表2可以看出隨著各平臺(tái)無功補(bǔ)償裝置的逐步投入，無功功率和視在功率明顯逐漸下降，功率因數(shù)逐漸升高。全部投入后發(fā)電動(dòng)機(jī)輸出總無功功率降低了23%、視在功率降低了6.8%、功率因數(shù)提高了11.25%。無功補(bǔ)償裝置投用后發(fā)電動(dòng)機(jī)輸出視在功率總共減少了1.79 MVA。

2.4 無功補(bǔ)償裝置對(duì)于油田電網(wǎng)諧波的抑制

目前關(guān)于電網(wǎng)消諧油田還沒有安裝專門的設(shè)備，只是在無功補(bǔ)償裝置中附帶有無源濾波，專門針對(duì)電網(wǎng)中特定的5次和7次諧波進(jìn)行抑制。以WHPC平臺(tái)為例，通過電能質(zhì)量測(cè)試的結(jié)果來分析平臺(tái)的諧波現(xiàn)狀以及投入無功補(bǔ)償裝置前、后諧波電壓畸變率的變化情況，測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 無功補(bǔ)償裝置投入前電網(wǎng)諧波電壓畸變率Fig.5 Harmonic voltage distortion rate of power grid before reactive power compensation device is put into operation

圖6 無功補(bǔ)償裝置投入后電網(wǎng)諧波電壓畸變率Fig.6 Harmonic voltage distortion rate of power grid after reactive power compensation device is put into operation

從圖5和圖6中可以看出，在投入無功補(bǔ)償裝置后，電網(wǎng)的5次和7次諧波畸變率明顯降低，可見無功補(bǔ)償裝置中的無源濾波器對(duì)油田電網(wǎng)中的5次和7次諧波確實(shí)起到了一定的抑制作用。

2.5 綜合效果分析

1）在投入無功補(bǔ)償裝置后，該油田發(fā)電動(dòng)機(jī)組輸出的視在功率減少了1.79 MVA，功率因數(shù)及負(fù)載電壓均得以提升，使電網(wǎng)的供電質(zhì)量得以提高。

2）6個(gè)井口平臺(tái)高壓10.5 k V側(cè)總輸出電流共降低了120 A，有效降低了輸電電纜的電能損耗、降低了發(fā)電成本，每年為油田帶來的綜合經(jīng)濟(jì)效益至少100萬元[9]。

3）從設(shè)備維修成本角度來講，無功補(bǔ)償裝置降低了存在于電網(wǎng)中的大量諧波，減少了設(shè)備因諧波造成的損耗，降低了設(shè)備的故障率，一定程度上節(jié)約了維修成本。

4）無功補(bǔ)償裝置的投入可以降低油田電網(wǎng)的總負(fù)荷，為增加更多的用電設(shè)備提供了余量，有利于油田的長遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展。

3 綜合治理方案

建議將無功補(bǔ)償和諧波治理這兩種技術(shù)相結(jié)合。在保證無功補(bǔ)償裝置正常運(yùn)行的前提下，使諧波濾除裝置能最大程度地濾除電網(wǎng)中的諧波電流。以實(shí)現(xiàn)對(duì)油田供電系統(tǒng)無功功率和諧波電流的綜合治理，進(jìn)一步確保油田電網(wǎng)能夠安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

目前諧波電流治理技術(shù)主要有無源濾波技術(shù)和有源濾波技術(shù)兩種。無源濾波器，雖然能在一定程度上滿足濾波要求，但深入研究不難發(fā)現(xiàn)其存在很多不足，如系統(tǒng)阻抗較小，實(shí)際濾波效果欠佳，易與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串、并聯(lián)諧振等[10]。因此，根據(jù)油田的具體實(shí)際，采用有源電力濾波器+電容補(bǔ)償柜的方案比較可取。這里采用電容補(bǔ)償柜進(jìn)行無功補(bǔ)償，主要考慮到充分利用目前油田已安裝的電容補(bǔ)償柜，改造方案成本較低。電容補(bǔ)償柜作為較早的無功補(bǔ)償裝置，技術(shù)比較成熟，但是也有自身難以克服的缺陷。加裝有源電力濾波器后，可以降低各次諧波的含量，提高供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；利用現(xiàn)有電容補(bǔ)償柜，可以分組投切來補(bǔ)償無功功率，保證功率因數(shù)在0.95以上[11]。利用有源電力濾波器，可以降低各次諧波的含量。此方案，目前在兄弟油田已進(jìn)行了試用并取得了較好的效果。系統(tǒng)投用前、后，該油田電網(wǎng)的功率因數(shù)由0.9上升為0.97；電壓畸變率由10.7%降為2.5%；電流畸變率由26.3%降為2.2%；總諧波電流由511.75 A降為43.24 A。投用后，電壓和電流畸變率均低于國家限值 的5%以下[12]。

4 結(jié)論

文中分析了海上油田安裝無功補(bǔ)償裝置的必要性。并對(duì)海上某平臺(tái)安裝無功補(bǔ)償裝置前后的波形與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)安裝無功補(bǔ)償裝置后該平臺(tái)400 V低壓母線電壓由最低時(shí)的366 V提高至374 V，電壓升高12 V左右，電流降低500 A，無功功率降低850 kVar，視在功率降低250 k VA，電壓畸變率降低了60%，說明無功補(bǔ)償裝置的投入對(duì)提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量的確起到很大的作用。

通過對(duì)投入無功補(bǔ)償裝置后的數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析：不僅平臺(tái)自身電能質(zhì)量得到了很大的改善，而且降低了動(dòng)力模塊電站至井口平臺(tái)10.5 k V高壓側(cè)的輸出電流共計(jì)120 A，同時(shí)油田總視在功率降低了1.74 MVA，每年為油田帶來的綜合經(jīng)濟(jì)效益至少100萬元。