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海洋油氣田電力系統(tǒng)供電安全措施探析

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海洋油氣田電力系統(tǒng)供電安全措施探析

摘要:從設(shè)計(jì)角度分析了海洋油氣田電力系統(tǒng)供電安全方面存在的問題,結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目案例提出了相關(guān)問題的解決方案,對(duì)于未來海上油氣田開發(fā)項(xiàng)目中電力系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)提供了可參考和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞:海洋油氣田;電力系統(tǒng);供電安全

1海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)特點(diǎn)

安全、可靠的電能是海洋油氣田開發(fā)的重要電力保障。海洋石油平臺(tái)電力系統(tǒng)受海洋環(huán)境和服務(wù)行業(yè)的影響,其電力系統(tǒng)構(gòu)成、電壓等級(jí)、電站的總裝機(jī)容量以及電氣設(shè)備和負(fù)載的種類與性質(zhì)都與陸地有很大的差別。海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn):(1)為集發(fā)電、變電、輸電、配電于一體的孤立電網(wǎng);(2)單機(jī)容量和總裝機(jī)容量都比較小,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陸地電網(wǎng);(3)供電電壓較低,輸電距離較短;(4)發(fā)電機(jī)出線與母線直接連接,多臺(tái)發(fā)電機(jī)共母線運(yùn)行;(5)電力輸送主要通過電纜傳輸,輸電線路的對(duì)地電容較大;(6)相對(duì)于主發(fā)電機(jī),電動(dòng)機(jī)、變壓器容量較大,電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降大,變壓器空投時(shí)勵(lì)磁涌流高。

2海洋平臺(tái)供電安全存在的問題

隨著海洋石油“深水戰(zhàn)略”和“二次跨越”的實(shí)施,海洋油氣田開發(fā)的步伐不斷加快,海上平臺(tái)電力系統(tǒng)也得到了長足發(fā)展,逐步由過去單個(gè)平臺(tái)的小型電站發(fā)展為目前集發(fā)電、變電、輸電、配電于一體的較大的電力網(wǎng),逐步由過去單個(gè)平臺(tái)的孤立電站發(fā)展為目前多個(gè)平臺(tái)間互聯(lián)以至整個(gè)油田群組網(wǎng)的較為復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前,海洋油氣田電力系統(tǒng)單機(jī)容量、電站總?cè)萘坎粩嗵岣?,變電變壓器的功率不斷增大,電壓等?jí)越來越高,輸電距離越來越遠(yuǎn),系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。因此,出現(xiàn)了一些影響平臺(tái)供電安全、穩(wěn)定的新情況、新問題,例如,短路電流直流分量高造成短路時(shí)斷路器分?jǐn)嗬щy;大容量變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生巨大的勵(lì)磁涌流,會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的沖擊。這些問題對(duì)海上平臺(tái)電力系統(tǒng)的供電安全和穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響,一旦系統(tǒng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障,不但直接影響本平臺(tái)的供電安全,甚至可能使組網(wǎng)運(yùn)行的整個(gè)區(qū)域的電力網(wǎng)供電中斷,造成油田群大面積的停電停產(chǎn),甚至還可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故,造成重大財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。

3供電安全分析與解決方案

3.1短路電流直流分量高

隨著海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)單機(jī)容量和總裝機(jī)容量的不斷提高,中壓系統(tǒng)從短路點(diǎn)計(jì)及的等效電感與電阻之比增大,直流分量衰減時(shí)間加長,造成中壓系統(tǒng)斷路器開斷時(shí)短路電流的直流分量較高,開斷困難,這將對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。短路電流直流分量對(duì)斷路器正常分?jǐn)嗄芰Φ挠绊?,主要由以下兩個(gè)方面決定:(1)直流分量持續(xù)時(shí)間越長,第一個(gè)短路半周波全電流峰值越大,斷路器滅弧過程中拉弧釋放的能量也越大,導(dǎo)致斷路器開斷困難;(2)直流分量過大會(huì)導(dǎo)致過零點(diǎn)漂移。通過計(jì)算,在某些支路上,短路電流較小,但直流分量的存在可能造成短路電流過零點(diǎn)漂移,更嚴(yán)重的情況是滅弧時(shí)間變長,甚至導(dǎo)致電弧不易熄滅。研究表明,當(dāng)直流分量占短路電流交流分量幅值的比例小于1/5時(shí),斷路器設(shè)計(jì)選型時(shí),可只按短路電流交流分量有效值校驗(yàn);當(dāng)直流分量占短路電流交流分量幅值的比例大于20%時(shí),斷路器的設(shè)計(jì)選型不僅要校驗(yàn)交流分量有效值,還要同時(shí)考慮直流分量百分比的影響。在進(jìn)行具體的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型時(shí),目前,適用于發(fā)電機(jī)出口的斷路器主要有普通真空斷路器、發(fā)電機(jī)出口專用斷路器和快速限流器三種類型,三種斷路器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。實(shí)際選型時(shí),應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)際短路計(jì)算值,統(tǒng)籌考慮技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性,判斷采用何種短路分?jǐn)嘣O(shè)備。某海上項(xiàng)目電站設(shè)置三臺(tái)大容量發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)出口三相短路時(shí),直流分量高達(dá)60%,普通斷路器根本無法開斷。為解決該問題,設(shè)計(jì)首次采用了“3+2”系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即發(fā)電機(jī)出口母線分成三段,各由一臺(tái)發(fā)電機(jī)供電,三段母線之間由兩臺(tái)快速限流器相連。采用快速限流器后,短路故障發(fā)生時(shí),快速限流器能在10ms內(nèi)動(dòng)作,將電力系統(tǒng)快速分割成三個(gè)子網(wǎng)(解列運(yùn)行),從而降低短路電流??焖傧蘖髌鲃?dòng)作后的短路電流交流分量和直流分量大幅下降,直流分量降至19.6%,斷路器能可靠動(dòng)作。

3.2變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流大

海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)為孤立系統(tǒng),在平臺(tái)主發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)時(shí),首先開啟應(yīng)急發(fā)電機(jī)為主發(fā)電機(jī)的輔機(jī)盤供電;主機(jī)輔機(jī)得電后,啟動(dòng)主發(fā)電機(jī);主發(fā)電機(jī)運(yùn)行后,投入配電變壓器,將輔機(jī)盤電源由應(yīng)急發(fā)電機(jī)切換為主發(fā)電機(jī)。此時(shí),系統(tǒng)僅有單臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行,容量較小,變壓器空載投入時(shí),會(huì)產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流,為變壓器額定電流的6~10倍。過大的勵(lì)磁涌流會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大的沖擊,甚至直接造成主發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘,因此,必須對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流加以限制。海上工程項(xiàng)目中普遍采用的涌流抑制方法主要有以下兩種:(1)采用涌流抑制器限制變壓器的勵(lì)磁涌流。通過對(duì)變壓器磁通的監(jiān)測,控制斷路器分合閘角度,從而抑制變壓器勵(lì)磁涌流,避免因勵(lì)磁涌流造成斷路器跳閘。此外,涌流抑制器還具備控制補(bǔ)償功能,可根據(jù)影響斷路器分合閘角度精度的因素動(dòng)態(tài)判定分合閘點(diǎn)以保證涌流抑制效果。通過使用涌流抑制器,大大提高了變壓器空投的成功率,同時(shí)也提高了電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。近期某項(xiàng)目使用了基于三相聯(lián)動(dòng)合閘技術(shù)的涌流抑制裝置,據(jù)該作業(yè)方反饋,應(yīng)用效果較好,可將涌流抑制到較低水平。(2)采用固態(tài)晶閘管軟啟動(dòng)器啟動(dòng)大容量變壓器。該技術(shù)主要利用固態(tài)晶閘管軟啟動(dòng)器可以控制電壓輸出的原理,使用軟啟動(dòng)器的電壓斜坡功能為變壓器的原邊緩慢提升電壓,通過原邊電壓的線性升高來為變壓器充磁,建立工作磁場,在啟動(dòng)過程中可基于零壓啟動(dòng),所以幾乎沒有沖擊電流出現(xiàn)。該方法具有原理簡單、計(jì)算快捷、實(shí)用性好等特點(diǎn),解決了變壓器空載合閘時(shí)因勵(lì)磁涌流過大合閘失敗的問題,并且減少了大電流沖擊造成設(shè)備使用壽命縮短的不良影響,延長了設(shè)備的正常工作時(shí)間。

3.3主發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行問題

海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)主要采取集中供電方式,主電站通常設(shè)置幾臺(tái)容量相同的發(fā)電機(jī)組,并通過海纜或棧橋電纜向附近的其他井口平臺(tái)供電。當(dāng)海洋油氣田平臺(tái)主電站通過海纜長距離為其他井口平臺(tái)輸送電力時(shí),由于海纜線路長,電壓等級(jí)高,線路容性無功功率將會(huì)非常大,導(dǎo)致主發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行。這會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)穩(wěn)定性降低,定子端部溫度上升,機(jī)端電壓下降,定子電流增加等一些列問題,嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的安全和整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為解決長距離海纜輸電線路電容性無功功率增大造成的發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行問題,經(jīng)廣泛的技術(shù)分析、比較,海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)引入了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVG(StaticVarGenerator)。SVG就地裝設(shè)于電力系統(tǒng)中,可動(dòng)態(tài)地對(duì)電網(wǎng)無功功率進(jìn)行快速調(diào)節(jié)和補(bǔ)償,SVG的功能相當(dāng)于一個(gè)無功電源,它可以自動(dòng)調(diào)節(jié),隨著無功負(fù)荷的盈虧,自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)系統(tǒng)中所需的無功功率,使系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到理想狀態(tài),從根本上解決了發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的問題。SVG具有快速響應(yīng)、運(yùn)行范圍寬、抑制電壓閃變能力強(qiáng)、補(bǔ)償功能多樣化、諧波分量低、占地面積較小等特點(diǎn)。該裝置的使用,很好地解決了系統(tǒng)容性無功過大的難題,提高了整個(gè)海上電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4結(jié)語

本文總結(jié)了海洋平臺(tái)各種供電安全問題:短路電流直流分量高、變壓器空載投入勵(lì)磁涌流大、主發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行,并對(duì)這些問題進(jìn)行分析,結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目案例提出了相關(guān)問題的解決方案,對(duì)于未來海上油氣田開發(fā)項(xiàng)目中電力系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)提供了可參考和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]張繼芬,胡鵬,劉峻.海上石油平臺(tái)電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)[J].石油勘探與開發(fā),2009,36(2):237-241.

作者:李璇 張曉宇 丁洪霞 杜銀昌 許建奎 單位:海洋石油工程股份有限公司