電壓波動(dòng)對(duì)油氣加工裝置供電質(zhì)量的影響及改進(jìn)措施

鄧忠鋒

大慶油田天然氣分公司生產(chǎn)運(yùn)行部

天然氣分公司油氣加工裝置有原油穩(wěn)定、深冷、淺冷、脫碳裝置31 套，輕烴儲(chǔ)庫(kù)2 座、增壓站6 座、計(jì)量間52 座。主要供用電設(shè)施有35 kV 變電所7 座、主變14 臺(tái)（額定容量165 200 kVA），6 kV配電所18 座、配電變壓器121 臺(tái)（額定容量40 605 kVA），6 kV 架空線路28 條共39 km。主要電力設(shè)備有拖動(dòng)天然氣壓縮機(jī)和原油泵的6 kV 電動(dòng)機(jī)99 臺(tái)（其中1 000 kW 以上的19 臺(tái)），拖動(dòng)各類機(jī)泵的低壓電動(dòng)機(jī)2 234 臺(tái)。此裝置具有大型機(jī)組多，設(shè)備單機(jī)價(jià)格高，裝置停車事故影響范圍大，恢復(fù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。因此供電量大且集中，電力負(fù)荷密度大，供電可靠性要求高。

1 問(wèn)題分析

據(jù)天然氣分公司近7 年停機(jī)事故統(tǒng)計(jì)，因區(qū)域性電網(wǎng)電壓波動(dòng)，造成區(qū)域范圍內(nèi)運(yùn)行中的低壓供電設(shè)備開(kāi)啟低電壓保護(hù)動(dòng)作或者瞬間“失壓”而跳閘，導(dǎo)致低壓輔助設(shè)備停運(yùn)，致使油氣加工裝置因ME 保護(hù)聯(lián)鎖（工藝聯(lián)鎖）而停機(jī)，每年平均達(dá)9次之多。這對(duì)所需長(zhǎng)周期、高負(fù)荷、安全平穩(wěn)運(yùn)行的油氣加工裝置造成不利影響，不僅會(huì)造成設(shè)備的損壞，還會(huì)在天然氣放空時(shí)造成原料的浪費(fèi)及環(huán)境污染，給天然氣分公司造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。近7 年因電網(wǎng)波動(dòng)造成裝置停機(jī)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 油氣加工裝置因電網(wǎng)波動(dòng)造成的停機(jī)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of shutdown caused by power grid fluctuation of oil and gas processing equipment

2 電網(wǎng)波動(dòng)現(xiàn)狀

大慶油田電網(wǎng)的主要特點(diǎn)是用電量大、負(fù)荷密度高、對(duì)供電安全性及供電質(zhì)量要求高。衡量供電質(zhì)量的指標(biāo)主要包括：供電的電壓、頻率、波形和供電的可靠性[1]。而供電電壓的質(zhì)量又以電壓閃變度、電壓變動(dòng)幅度和電壓正弦波畸變率等指標(biāo)來(lái)衡量。在常規(guī)情況下，大慶油田電網(wǎng)是能夠滿足供電質(zhì)量這些要求的，但是由于電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，供配電系統(tǒng)遭受大風(fēng)、雷雨等自然災(zāi)害及設(shè)備老化等因素發(fā)生事故和故障的概率也相應(yīng)增加[2]，從而影響到系統(tǒng)供電質(zhì)量[3]。主要表現(xiàn)在系統(tǒng)電壓的閃變幅度增大——電網(wǎng)電壓突降（即電網(wǎng)電壓波動(dòng)），造成低壓運(yùn)行設(shè)備開(kāi)啟低電壓保護(hù)動(dòng)作或瞬間“失壓”而跳閘[4-5]。電壓波動(dòng)需遵循GB/T 12326—2008《電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變》[6]執(zhí)行。電壓波動(dòng)的定義為（最大電壓-最小電壓）/額定電壓；規(guī)定的波動(dòng)范圍：10 kV 及以下為2.5%，35～110 kV 之間為2%。

3 電網(wǎng)波動(dòng)治理技術(shù)

3.1 UPS

在控制回路加裝UPS，使其作為控制電源來(lái)替代電動(dòng)機(jī)的交流電源，可以有效防止由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)而影響低壓電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。改造后，各低壓控制回路中的各電動(dòng)機(jī)必須在系統(tǒng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，啟動(dòng)低電壓保護(hù)動(dòng)作或瞬時(shí)“失壓”跳閘，油氣生產(chǎn)裝置連鎖停機(jī)，以免造成設(shè)備的損壞。因此，改造時(shí)要對(duì)相應(yīng)的高、低壓配電室母線電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)母線電壓波動(dòng)時(shí)長(zhǎng)大于允許值，則應(yīng)使電動(dòng)機(jī)停運(yùn)，生產(chǎn)裝置進(jìn)入停車程序。用UPS 替代交流電源作為電動(dòng)機(jī)的控制電源的方式改造及維護(hù)工作量較大。

3.2 延時(shí)模塊

在控制回路加裝延時(shí)模塊，在接觸器線圈上并聯(lián)一個(gè)時(shí)間繼電器（KT），延時(shí)時(shí)間整定為1 s[7]（圖1）。當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起電壓瞬間降低時(shí)，供電回路斷電，保持節(jié)點(diǎn)（C）斷開(kāi)，同時(shí)時(shí)間繼電器線圈由于失電返回接通，時(shí)間繼電器節(jié)點(diǎn)將啟動(dòng)回路保持接通整定值為1 s 的時(shí)間。由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)的時(shí)間一般都很短，當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常狀態(tài)時(shí)，由于時(shí)間繼電器節(jié)點(diǎn)的接通使其供電回路恢復(fù)正常供電。這種方法優(yōu)點(diǎn)是接線方式簡(jiǎn)單、成本較低；缺點(diǎn)是電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)低電壓保護(hù)啟動(dòng)值和恢復(fù)值完全由繼電器的線圈參數(shù)決定，在實(shí)際使用過(guò)程中很難準(zhǔn)確設(shè)定，而且再次啟動(dòng)完全依靠時(shí)間繼電器，如果時(shí)間繼電器誤動(dòng)或者拒動(dòng)，則對(duì)設(shè)備和人身安全形成巨大隱患，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)再啟動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，所有回路都已恢復(fù)，此時(shí)如果有啟動(dòng)要求的電動(dòng)機(jī)，其容量較大且啟動(dòng)電流較高，可能會(huì)造成變壓器過(guò)流保護(hù)動(dòng)作而跳閘。

圖1 加裝時(shí)間繼電器后的供電回路Fig.1 Power supply circuit after installing the time relay

3.3 電壓暫降保護(hù)器

當(dāng)交流電源正常時(shí)，控制回路通過(guò)交流電源正常工作；當(dāng)裝置檢測(cè)到交流電源電壓異常跌落，電壓暫降保護(hù)器可快速將控制回路切換至裝置內(nèi)部后備電源供電，切換時(shí)間達(dá)5 ms 以內(nèi)，維持接觸器繼續(xù)吸合，保持時(shí)間可設(shè)定；當(dāng)交流電源電壓恢復(fù)正常時(shí)，裝置將切換至原交流電源供電（圖2）。天然氣分公司科研項(xiàng)目“消除電網(wǎng)波動(dòng)造成裝置停機(jī)的方法研究”就是采取此種方法解決了電網(wǎng)波動(dòng)的問(wèn)題。

圖2 加裝電壓暫降保護(hù)器后的供電回路Fig.2 Power supply circuit after installing the voltage sag protector

3.4 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）

（1）安裝位置。在電源與配電平線之間的進(jìn)線變壓器低壓側(cè)斷路器后串聯(lián)安裝DVR 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器[8]（圖3）。DVR 設(shè)備在系統(tǒng)電源側(cè)直接接入，通過(guò)一臺(tái)DVR 主機(jī)保護(hù)下游的所有負(fù)載，當(dāng)上游電源出現(xiàn)問(wèn)題后，由DVR 對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電運(yùn)行，做到了負(fù)載與電源的隔離。DVR 機(jī)柜自帶外部維修旁路，可以保證DVR 模塊安裝、調(diào)試，以及日后的停機(jī)維護(hù)期間可為負(fù)載持續(xù)供電。DVR 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器通過(guò)超級(jí)電容儲(chǔ)能的功能，來(lái)作為負(fù)荷的備用電源，解決了重要機(jī)組、泵組的“晃電”停機(jī)問(wèn)題，提高了供電可靠性。

圖3 變壓器低壓側(cè)斷路器后串聯(lián)安裝DVR 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器Fig.3 DVR dynamic voltage restorer is installed in series at the rear of the circuit breaker on the low-voltage side of the transformer

（2）設(shè)備組成部件。DVR 設(shè)備主要由超級(jí)電容儲(chǔ)能升壓電源（整流器）、逆變器、快速旁路開(kāi)關(guān)以及相關(guān)的控制系統(tǒng)組成（圖4）。當(dāng)出現(xiàn)電源電壓異常時(shí)，DVR 在1 ms 內(nèi)完成檢測(cè)工作，并快速關(guān)斷晶閘管，將可控電壓源（逆變器）串聯(lián)接入系統(tǒng)，同時(shí)可控電源（逆變器）開(kāi)始工作，生成補(bǔ)償波形，全程需要2 ms。此時(shí)被保護(hù)的設(shè)備由電網(wǎng)與可控儲(chǔ)能電壓源同時(shí)供電，由于可控電壓源的隔離作用，所有被保護(hù)的設(shè)備與可控電壓源就組成了一個(gè)與主電網(wǎng)隔離的微網(wǎng)系統(tǒng)。通過(guò)逆變器的功角調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的有功、無(wú)功調(diào)節(jié)。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，DVR 設(shè)備工作在旁路狀態(tài)，不參與供電系統(tǒng)的運(yùn)行，所有負(fù)載由電網(wǎng)直接提供電源。

圖4 DVR 設(shè)備主要組成部件Fig.4 Main components of the DVR device

4 電網(wǎng)波動(dòng)治理技術(shù)的比較

通過(guò)對(duì)4 種解決電網(wǎng)波動(dòng)技術(shù)方案的詳細(xì)分析，在控制回路加裝UPS 和延時(shí)繼電器的方式由于存在比較明顯的缺陷，不建議采用這兩種方式對(duì)分公司裝置配電系統(tǒng)進(jìn)行改造，建議使用其他兩種方案。表2 為對(duì)電壓暫降保護(hù)器和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器兩種方案的詳細(xì)對(duì)比。

由表2 可知，電壓暫降保護(hù)器和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器兩種治理電網(wǎng)波動(dòng)的方案均可以解決分公司裝置目前面臨的問(wèn)題。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器技術(shù)方案完全消除了電壓波動(dòng)的影響，國(guó)家能源局也出臺(tái)了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，但該裝置能耗較大、易損壞、投資及維護(hù)費(fèi)用高；電壓暫降保護(hù)器技術(shù)方案僅規(guī)避了電壓波動(dòng)的影響，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易安裝、投資及維護(hù)費(fèi)用低。

表2 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器和電壓暫降保護(hù)器方案對(duì)比Tab.2 Scheme comparison of dynamic voltage restorer and voltage sag protector

從查閱與動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)來(lái)看，研制該類型產(chǎn)品的廠家較多，實(shí)際應(yīng)用該類型產(chǎn)品的企業(yè)較少，且難以查詢到詳細(xì)信息，有據(jù)可查的僅有內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司一家企業(yè)在現(xiàn)場(chǎng)有應(yīng)用。該公司面臨的電網(wǎng)情況與天然氣分公司類似，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器主要是用在該公司給煤機(jī)上，經(jīng)受住了幾次廠用電電壓突降的考驗(yàn)，2015 年投運(yùn)至今，運(yùn)行良好。

因此，針對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)頻率相對(duì)較低的裝置，可將電壓暫降保護(hù)器技術(shù)進(jìn)一步推廣以解決當(dāng)前面臨的電網(wǎng)波動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)可在電網(wǎng)波動(dòng)較頻繁的裝置（如北壓淺冷）探索使用動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，在應(yīng)用前可依據(jù)DL/T 1229—2013《動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器技術(shù)規(guī)范》，在一定范圍內(nèi)對(duì)相關(guān)生產(chǎn)廠家和用戶進(jìn)行多種方式的調(diào)查研究，在符合《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備柜（屏）工程技術(shù)規(guī)范》 的要求下[9]，找到最適合分公司裝置的解決方案，消除電網(wǎng)波動(dòng)帶來(lái)的停機(jī)損失。

5 結(jié)論

從分公司供電系統(tǒng)實(shí)際出發(fā)，分析了提高分公司油氣生產(chǎn)裝置供電質(zhì)量的各種方法。電壓波動(dòng)治理方面，針對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)頻率相對(duì)較低的裝置，可將電壓暫降保護(hù)器技術(shù)進(jìn)一步推廣以解決當(dāng)前面臨的電網(wǎng)波動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)可在電網(wǎng)波動(dòng)較頻繁的氣生產(chǎn)裝置（如北壓淺冷）探索使用動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，消除電網(wǎng)波動(dòng)帶來(lái)的停機(jī)損失。據(jù)天然氣分公司近7年事故統(tǒng)計(jì)，由于電網(wǎng)波動(dòng)造成的油氣生產(chǎn)裝置停機(jī)，平均每年影響分公司天然氣處理量40×104m3、輕烴產(chǎn)量50 t、原料氣放空15×104m3。隨著大慶油田石油產(chǎn)量的逐年減少，對(duì)天然氣外銷量及輕烴產(chǎn)量的任務(wù)逐年遞增，截至2021 年生產(chǎn)計(jì)劃天然氣外銷29×108m3，輕烴生產(chǎn)102×104t[10]。因此，采取技術(shù)手段解決因上級(jí)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起低壓系統(tǒng)失電所造成的油氣加工裝置停機(jī)的問(wèn)題已經(jīng)刻不容緩。