海上油氣平臺(tái)SVG無(wú)功補(bǔ)償案例分析

0 引言

功率因數(shù)是衡量電力系統(tǒng)效率的重要指標(biāo)，其定義為有功功率與視在功率的比值[]。海上油氣平臺(tái)因其負(fù)荷特性，如大量的感性設(shè)備（電機(jī)、變壓器等）和復(fù)雜的電力系統(tǒng)配置，容易出現(xiàn)功率因數(shù)低的問(wèn)題。功率因數(shù)低意味著系統(tǒng)中的無(wú)功功率占比高，從而降低了電能利用率，嚴(yán)重的甚至?xí)：ζ脚_(tái)的安全生產(chǎn)[2]。

全球范圍內(nèi)，許多海上油氣平臺(tái)均面臨功率因數(shù)偏低的問(wèn)題，而傳統(tǒng)的靜態(tài)電容器補(bǔ)償方式在面對(duì)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)負(fù)荷時(shí)，難以提供有效的補(bǔ)償。近年來(lái)，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，如SVG（靜止無(wú)功發(fā)生器）[3]和SVC（靜止無(wú)功補(bǔ)償器）4成為解決這一問(wèn)題的重要手段。本文分析了低功率因數(shù)的危害及其成因，并以南海某項(xiàng)目為例，探討無(wú)功補(bǔ)償方案，通過(guò)具體改造案例驗(yàn)證補(bǔ)償措施的有效性。同時(shí)，本文列舉了大量海上油氣平臺(tái)采用SVG技術(shù)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)陌咐?，進(jìn)一步說(shuō)明了該技術(shù)對(duì)海上電氣系統(tǒng)的重要性。

1功率因數(shù)偏低危害及優(yōu)化措施

海上油氣平臺(tái)的電力系統(tǒng)中存在大量的感性負(fù)載和非線性裝置，比如各類水泵和原油泵等。另外，平臺(tái)之間傳送電能的長(zhǎng)距離海纜也可以認(rèn)為是感性負(fù)載。這些負(fù)載需要消耗電力系統(tǒng)大量的無(wú)功功率，無(wú)功功率對(duì)海上油氣平臺(tái)電力系統(tǒng)有以下嚴(yán)重影響：

1）發(fā)電機(jī)和變壓器的容量增加：無(wú)功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致電流和視在功率增加，從而使發(fā)電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備容量增加，系統(tǒng)需要傳輸更多的無(wú)功功率。變壓器和輸電線路的容量被無(wú)功功率占用，導(dǎo)致設(shè)備實(shí)際承載的有功功率減少，無(wú)法充分發(fā)揮設(shè)備容量的作用，降低了電能傳輸效率[5]。

②設(shè)備及線路損耗增加：無(wú)功功率的增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路損耗增加。

3）線路及變壓器的電壓降增大：諸如吊車、消防泵、海水泵等大容量電機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載會(huì)增加，使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。大電機(jī)在啟動(dòng)期間造成功率因數(shù)更低，這種沖擊性無(wú)功功率會(huì)使電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)，甚至使連接在同一電網(wǎng)的用戶無(wú)法正常工作。

低功率因數(shù)會(huì)給電力系統(tǒng)造成以上危害。針對(duì)海上油氣平臺(tái)功率因數(shù)偏低的問(wèn)題，主要防治措施有：

1）優(yōu)化用電設(shè)備：選擇功率因數(shù)高的電機(jī)設(shè)備，盡量減少低功率因數(shù)設(shè)備的使用。如果設(shè)計(jì)中不可避免使用了低功率因數(shù)設(shè)備，則盡量通過(guò)調(diào)整電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（如減少空載運(yùn)行、過(guò)載運(yùn)行），提高設(shè)備效率。

2）優(yōu)化負(fù)荷分配：通過(guò)海上平臺(tái)油氣生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，合理分配平臺(tái)電網(wǎng)的負(fù)載，避免某些區(qū)域負(fù)載過(guò)高或分布不均，導(dǎo)致無(wú)功功率占用過(guò)多。

3安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備：無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備適用于負(fù)載變化較大的場(chǎng)景，能夠快速調(diào)整無(wú)功功率補(bǔ)償量，保持功率因數(shù)穩(wěn)定[]。SVG通過(guò)PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，使其發(fā)出無(wú)功功率，呈容性；或者吸收無(wú)功功率，呈感性。SVG由于沒(méi)有大量使用電容器，而是采用橋式變流電路多電平技術(shù)或PWM技術(shù)來(lái)進(jìn)行處理，所以使用時(shí)不需要對(duì)系統(tǒng)中的阻抗進(jìn)行計(jì)算[7]。SVG的產(chǎn)品響應(yīng)時(shí)間在 5ms 以內(nèi)，甚至能達(dá)到 1ms ，可以做到從額定容性無(wú)功功率到額定感性無(wú)功功率的全補(bǔ)償，并可在1ms之內(nèi)完成反向切換。此外，它還能夠快速提供變換的無(wú)功電流，以補(bǔ)償負(fù)荷變化引起的電壓波動(dòng)和閃變[8]。

4）安裝智能功率因數(shù)控制器：近些年，很多平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了智能控制器動(dòng)態(tài)控制電網(wǎng)電能質(zhì)量。通過(guò)智能控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功率因數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，可確保系統(tǒng)始終維持在較高的功率因數(shù)水平[9]。

2 改造案例

2.1 項(xiàng)目描述

南海某氣田按計(jì)劃需要對(duì)一座已建平臺(tái)進(jìn)行改造，在原有中心平臺(tái)CEP的附近新建一座無(wú)人井口平臺(tái)WHPA，新建WHPA平臺(tái)不設(shè)發(fā)電機(jī)，由已建中心平臺(tái)CEP給WHPA平臺(tái)供電，并新建一條 15.5km 海底電纜。已建CEP平臺(tái)有2套 4650kW 透平發(fā)電機(jī)組（正常工況下一用一備），其容量可滿足為原CEP平臺(tái)以及新建WHPA平臺(tái)供電的需求。

由于此次新建WHPA平臺(tái)與CEP平臺(tái)距離較遠(yuǎn)，需要提高供電電壓以降低海纜損耗。已建CEP平臺(tái)需新增一臺(tái) 1000kVA，6.3/35kV 升壓變壓器，通過(guò)35kV 高壓開(kāi)關(guān)柜 （SF₆） 及 15.5km 海底電纜為新建WHPA平臺(tái)供電。WHPA設(shè)計(jì)正常負(fù)荷為 590kW ，無(wú)功功率 340kvar 。WHPA平臺(tái)上的可變功率設(shè)備僅有海水提升泵，且為不常用設(shè)備。WHPA平臺(tái)設(shè)置一臺(tái)1000kVA.35/0.4kV 降壓變壓器為平臺(tái)的低壓用電負(fù)荷供電。

通過(guò)ETAP軟件進(jìn)行不同工況下的仿真，發(fā)現(xiàn)新建WHPA平臺(tái)后，由于長(zhǎng)距離海纜和新增平臺(tái)設(shè)備屬性，將會(huì)造成無(wú)功超前的問(wèn)題。ETAP仿真的兩個(gè)典型工況為大負(fù)載工況和輕載工況，兩種工況的無(wú)功超前情況如表1所示。

2.2 補(bǔ)償容量選擇

SVG補(bǔ)償容量要考慮兩個(gè)方面：負(fù)載的無(wú)功補(bǔ)償量和長(zhǎng)距離海纜的補(bǔ)償量。

2.2.1 負(fù)載補(bǔ)償量

海上油氣平臺(tái)一般電氣設(shè)備負(fù)載功率都很大，并且大多為感性，因此平臺(tái)電網(wǎng)功率因數(shù)偏低。平臺(tái)在大負(fù)載工況運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)以下公式估算設(shè)備無(wú)功功率的補(bǔ)償量。

Q_c=P（|tanφ₁|-|tanφ₂|）

式中： Q_c 為負(fù)荷所需補(bǔ)償?shù)淖畲笕菪詿o(wú)功補(bǔ)償量； φ₁ 和 φ₂ 為加入無(wú)功補(bǔ)償前后的功率角度； P 為最大有功負(fù)荷。

假設(shè)新建WHPA平臺(tái)后平臺(tái)電力系統(tǒng)在大負(fù)載工況下的功率因數(shù)為0.9，原有系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.85，計(jì)算得補(bǔ)償容量 Q_c=500kvar 。

2.2.2長(zhǎng)距離海纜補(bǔ)償量

長(zhǎng)距離海底電纜在運(yùn)行時(shí)，海纜的充電功率即海纜的電容發(fā)出的無(wú)功功率 Q_cl 為：

Q_cl=U²Cω

式中： U 為海纜電壓等級(jí)； C 為海纜的電容； ω 為角頻率，取值為314rad/s。

本案例中， U=35kV ；長(zhǎng)距離海底電纜單位長(zhǎng)度電容 C=0.134μF/km ，海纜長(zhǎng)度為 15.5km ，則其充電功率根據(jù)式（2）計(jì)算得約 800kvar 。

需要補(bǔ)償?shù)母行詿o(wú)功容量 Q_L 近似計(jì)算為：

Q_L=K₁Q_c1

式中： K₁ 為補(bǔ)償度，一般取 40%～80% 。

根據(jù)式（3），海纜空載時(shí)需要補(bǔ)償?shù)母行詿o(wú)功為320～640 kvar。綜上所述，結(jié)合設(shè)備無(wú)功補(bǔ)償和海纜無(wú)功補(bǔ)償，選擇1500kvar的SVG能夠滿足海纜充電功率的補(bǔ)償要求。加入SVG后，系統(tǒng)的改造情況見(jiàn)圖1中波浪線圍起的區(qū)域。

新增無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG以后，兩種工況的功率分析如表2所示。

經(jīng)過(guò)改造后，平臺(tái)的輕載工況功率因數(shù)提高至99.6% ，大負(fù)載工況下，功率因數(shù)也達(dá)到了 91.4% ，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備關(guān)?？梢允构β室驍?shù)達(dá)到正常狀態(tài)。改造后，原CEP平臺(tái)和新建WHPA平臺(tái)各線路的電壓降如表3所示。

由表3可知，通過(guò)增加SVG，各個(gè)線路的電壓降也符合要求。需要注意的是，輕載工況線路壓降有偏高的情況，應(yīng)盡量避免這種工況。

3 其他SVG無(wú)功補(bǔ)償案例

海上平臺(tái)常常使用SVG設(shè)備，占地面積通常很小，這對(duì)于海上平臺(tái)這種空間狹小的場(chǎng)合很是實(shí)用。海上油氣平臺(tái)采用SVG的案例很多。例如，渤海某油氣平臺(tái)在改造前，功率因數(shù)僅為0.75，導(dǎo)致電能損耗嚴(yán)重，設(shè)備運(yùn)行效率低下。通過(guò)安裝1000kvarSVG裝置，功率因數(shù)提高至0.95，電能損耗降低了 20% ，設(shè)備運(yùn)行效率提高了 15%^[10] 。東海某油氣平臺(tái)在改造前，由于長(zhǎng)距離輸電線路的影響，功率因數(shù)僅為0.8。通過(guò)優(yōu)化負(fù)荷分配和安裝800kvarSVG裝置，功率因數(shù)提高至0.92，電壓質(zhì)量顯著改善，設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定[]。渤海海上油氣田岸電項(xiàng)目，需滿足陸地電網(wǎng)對(duì)于用戶在電能質(zhì)量方面的考核指標(biāo)，重載工況補(bǔ)償前及在平臺(tái)側(cè)補(bǔ)償2000kvarSVG系統(tǒng)中母線電壓降得到了一定改善，陸地電網(wǎng)端功率因數(shù)由0.934提高到0.964，達(dá)到考核要求，提高了線路輸送容量，降低了用電成本[12]。為解決曹妃甸區(qū)塊某無(wú)人平臺(tái)供電中注水泵啟動(dòng)時(shí)無(wú)功功率過(guò)高問(wèn)題，采用SVG配合軟啟動(dòng)器方案，有效降低了注水泵啟動(dòng)電流，改善了電網(wǎng)電能質(zhì)量[13]。洲油氣田某項(xiàng)目取消9臺(tái)有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)，配置4臺(tái)低壓SVG，經(jīng)濟(jì)效益明顯。該項(xiàng)目采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)低壓母線進(jìn)行諧波治理和功率補(bǔ)償后，有效抑制了諧波，提高了供電質(zhì)量和功率因數(shù)，提高了電能利用率[14]。

4結(jié)束語(yǔ)

功率因數(shù)的提升對(duì)海上油氣平臺(tái)電力系統(tǒng)具有重要意義。通過(guò)合理配置功率補(bǔ)償裝置，不僅可以顯著降低電能損耗，還能提高設(shè)備運(yùn)行效率，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。本文的研究為類似項(xiàng)目提供了參考，同時(shí)表明了功率補(bǔ)償技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的高效性和經(jīng)濟(jì)性。隨著海上油氣平臺(tái)的電氣系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也將不斷發(fā)展。未來(lái)的研究方向可能包括開(kāi)發(fā)更加智能化、自動(dòng)化的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因數(shù)；在平臺(tái)上合理布置多個(gè)小型無(wú)功補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)分布式補(bǔ)償，提高補(bǔ)償效果等等。

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