海洋石油平臺(tái)電力組網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 強(qiáng)

（中海油研究總院 北京 100027）

0 引 言

海上油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中通常是在每一個(gè)油氣田的中心平臺(tái)建一座獨(dú)立的主電站，為本平臺(tái)或周邊平臺(tái)提供電力。該供電模式下各油氣田電源單一，且各油氣田電站之間沒(méi)有聯(lián)系。為保證供電可靠性，每一平臺(tái)均需預(yù)留一臺(tái)等同容量的備用發(fā)電機(jī)組，這不僅電源投資增大，能夠?yàn)橛蜌馓锖笃谡{(diào)整及新油田開(kāi)發(fā)預(yù)留的電量也十分有限。

為解決上述問(wèn)題，需在經(jīng)濟(jì)性與供電可靠性間尋求平衡點(diǎn)，將各平臺(tái)電源組網(wǎng)供電，構(gòu)建多電源的含有高壓聯(lián)絡(luò)線路的電力系統(tǒng)是可選方案之一。

1 海上平臺(tái)電力組網(wǎng)的必要性

電力組網(wǎng)供電較單個(gè)的電站獨(dú)立供電有明顯的優(yōu)勢(shì)，具體如下:

（1）平臺(tái)之間可互供電力、互為備用，減少事故及大型負(fù)荷啟動(dòng)備用容量，提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)增強(qiáng)電網(wǎng)抵抗事故能力，實(shí)現(xiàn)事故情況下的相互支援，最終提高各電站安全水平和供電可靠性，避免因平臺(tái)電站出現(xiàn)問(wèn)題造成整個(gè)平臺(tái)供電的中斷。

（2）能承受較大的沖擊負(fù)荷，如注水泵、壓縮機(jī)等沖擊負(fù)荷，從而有利于改善提高電能質(zhì)量。

（3）可減少備用機(jī)組數(shù)量，節(jié)省投資及運(yùn)行維護(hù)成本。兩平臺(tái)可以通過(guò)共享一臺(tái)備用電站，節(jié)省投資及平臺(tái)的占用空間。

2 海洋石油平臺(tái)電力組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

圖1為南海相鄰約24.5 km的兩個(gè)油田區(qū)塊，分別設(shè)有一座帶有原油主電站中心平臺(tái)的南海DPPA和一座南海DPPB。在南海DPPA西南方向約12 km處，設(shè)有一座井口平臺(tái)南海WHPA，南海WHPA上未設(shè)主電站。

圖1 南海油田群平臺(tái)分布圖

南海DPPA、南海DPPB與南海WHPA三個(gè)平臺(tái)的用電負(fù)荷分別為19.8 MW、18.9 MW和4.5 MW。南海DPPA及南海DPPB分別設(shè)置4臺(tái)10.5 kV、50 Hz、7600 kW的原油發(fā)電機(jī)組，通過(guò)海底電纜對(duì)其進(jìn)行電力組網(wǎng)。兩個(gè)平臺(tái)可共享備用發(fā)電機(jī)組。

2.1 電力組網(wǎng)電壓等級(jí)的選擇

南海DPPA與南海DPPB兩端均設(shè)有原油主電站，海纜線路輸送的潮流較輕。海纜存在分布電容［1］，輕載輸送時(shí)充電功率較大，將導(dǎo)致受端電壓高于送端，而線路充電功率與電壓等級(jí)平方成正比，110 kV充電功率是35 kV的近9倍。經(jīng)濟(jì)性上，35 kV絕緣要求遠(yuǎn)低于110 kV，其線路及變電裝置造價(jià)僅為110 kV的1/3～1/2。因此海纜線路電壓等級(jí)推薦采用35 kV。

2.2 電網(wǎng)運(yùn)行方式計(jì)算

本實(shí)例對(duì)南海DPPA與南海DPPB平臺(tái)原油發(fā)電機(jī)的單機(jī)最大出力按90%額定功率6840 kW考慮，平臺(tái)負(fù)荷的功率因數(shù)按0.86考慮。

根據(jù)平臺(tái)上的電站開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)以及平臺(tái)的負(fù)荷情況，對(duì)組網(wǎng)后的六種較典型的運(yùn)行方式進(jìn)行潮流計(jì)算。方式一、三分別為南海DPPB通過(guò)海纜聯(lián)絡(luò)線向南海DPPA端輸送電力為一臺(tái)發(fā)電機(jī)組和兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組最大出力的工況；方式二、四分別為南海DPPA通過(guò)海纜聯(lián)絡(luò)線向南海DPPB端輸送電力為一臺(tái)發(fā)電機(jī)組和兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組最大出力的工況；方式五、六分別為平臺(tái)利用海底電纜為另一個(gè)待恢復(fù)生產(chǎn)平臺(tái)輸送最小電力的工況。

表1 南海DPPA/DPPB平臺(tái)潮流計(jì)算條件表 單位:kW

續(xù)表

六種典型運(yùn)行方式下各平臺(tái)電站的出力、平臺(tái)用電負(fù)荷、海纜的潮流分布以及平臺(tái)電壓情況如圖2～7所示。經(jīng)過(guò)以上潮流分析，通過(guò)調(diào)整各平臺(tái)發(fā)電機(jī)無(wú)功出力與變壓器分接頭，各平臺(tái)電壓及發(fā)電機(jī)功率因數(shù)均符合要求。

圖2 線路潮流圖（方式一）

圖3 線路潮流圖（方式二）

圖4 線路潮流圖（方式三）

圖5 線路潮流圖（方式四）

圖6 線路潮流圖（方式五）

2.3 電力系統(tǒng)一次設(shè)計(jì)

（1）主變?nèi)萘窟x擇

南海DPPA與南海DPPB分別配置兩臺(tái)35±4×2.5%/10.5 kV，12.5 MVA有載調(diào)壓變壓器，變壓器接線組別為YN、d11。

（2）35 kV主接線方式

南海DPPA與南海DPPB 35 kV側(cè)主接線采用單母線接線方式。南海DPPA 35 kV出線回路為兩回，一回出線至DPPB平臺(tái)，另一回出線至WHPA；南海DPPB 35 kV出線回路為一回，出線至DPPA平臺(tái)。上述兩平臺(tái)10 kV側(cè)均采用單母線分段接線。

（3）同期點(diǎn)的設(shè)置

南海DPPA與南海DPPB之間的同期點(diǎn)設(shè)置于DPPA和DPPB之間35 kV海底電纜兩頭斷路器處及主變的10 kV斷路器側(cè)，同期裝置單獨(dú)設(shè)置，布置于相應(yīng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)。

（4） 35 kV 線路

為充分利用發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力，同時(shí)考慮周邊可能的負(fù)荷發(fā)展，DPPA與DPPB之間的海纜選擇為240 mm2，DPPA與WHPA之間的海纜選擇為120 mm2。

根據(jù)海纜廠家提供的海纜參數(shù)，利用電纜單相接地電流計(jì)算公式［2］Ic=ωCefUef×103，得出南海DPPA與DPPB 24.5 km海纜單相接地電容電流為84 A，DPPA與WHPA 12 km海纜單相接地電容電流33 A，其均超過(guò)規(guī)程允許值（10 A），系統(tǒng)中海纜的電容電流約為117 A。本工程海纜要求在接地故障條件下運(yùn)行，根據(jù)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)與絕緣配合》DL/T 620-19973.12規(guī)定，故采用消弧線圈接地方式。

每個(gè)中心平臺(tái)的兩臺(tái)35 kV變壓器中性點(diǎn)共用一組消弧線圈補(bǔ)償裝置，通過(guò)聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)消弧線圈的投切，消弧線圈的容量為［2］:

圖7 線路潮流圖（方式六）

選擇3300 kVA消弧線圈，電壓等級(jí)21.22 kV（），裝設(shè)于主變中性點(diǎn)上，調(diào)節(jié)范圍為65～145 A。

（5） 無(wú)功配置

經(jīng)過(guò)潮流計(jì)算分析，各平臺(tái)無(wú)需配置電容器?？紤]到為增加電壓調(diào)節(jié)手段，避免負(fù)荷低谷期時(shí)出現(xiàn)電壓過(guò)高，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行等情況?？紤]在南海DPPA、南海DPPB及南海WHPA三個(gè)平臺(tái)分別安裝一組容量為0.5 MVA的10 kV可投切電抗器。

（6）勵(lì)磁涌流解決方案

為解決變壓器空載合閘時(shí)最大勵(lì)磁涌流為額定電流的6～10倍的情況，經(jīng)過(guò)方案論證，在主變壓器高壓側(cè)配置涌流抑制器，該涌流抑制器通過(guò)變壓器斷電時(shí)電壓的分閘相位角獲知此路剩磁的極性，下一次合閘時(shí)選擇在相近的相位角，從而避免變壓器鐵芯磁通的突變產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。

2.4 能量管理系統(tǒng)（EMS）的應(yīng)用

本工程在全電網(wǎng)配置了高度自動(dòng)化的EMS系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)各平臺(tái)發(fā)供電設(shè)備的監(jiān)控、負(fù)荷的管理及平衡等工作。它包括EMS系統(tǒng)南海DPPA中心站以及EMS系統(tǒng)各平臺(tái)站（DPPA、DPPB、WHPA）。 它的特點(diǎn)是功能高度集成化，即電網(wǎng)的全部監(jiān)視、控制需由一個(gè)系統(tǒng)來(lái)完成。因此EMS系統(tǒng)功能需包括SCADA/EMS、在線安控和電站自動(dòng)化等三個(gè)功能應(yīng)用群。它的另一個(gè)特點(diǎn)就是通道速率要求高，EMS系統(tǒng)的在線安控功能信息傳輸實(shí)時(shí)性為毫秒級(jí)，陸上電網(wǎng)EMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性為秒級(jí)。因此傳統(tǒng)的廠站與主站系統(tǒng)之間的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、專用通道已不能滿足信息傳輸要求，要求具備更加高速可靠的通道。

（1）EMS系統(tǒng)的總體功能及技術(shù)要求

DPPA中心站可以完成對(duì)全電網(wǎng)監(jiān)視和控制，包括對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集和安全監(jiān)視（SCADA）；發(fā)電調(diào)整和控制（AGC）；電壓調(diào)整和控制等。同時(shí)各站EMS系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)如下功能:

a.各發(fā)電機(jī)組的監(jiān)視和控制:對(duì)發(fā)電機(jī)組各種信息如有功功率、無(wú)功功率、頻率、功率因數(shù)、油溫、油壓、運(yùn)行狀態(tài)、故障信號(hào)等的采集；機(jī)組的起停順序控制；機(jī)組的同步；機(jī)組的頻率［有功］和電壓［無(wú)功］調(diào)整等等。

b.斷路器監(jiān)視和控制。

c.站內(nèi)無(wú)功功率、無(wú)功功率出力的分配調(diào)節(jié)。

d.優(yōu)先脫扣功能。

e.電動(dòng)機(jī)回路啟動(dòng)管理功能。

f.電網(wǎng)（電站）黑啟動(dòng)功能。

g.與平臺(tái)“關(guān)斷”系統(tǒng)的配合功能。

h.完備的報(bào)表、趨勢(shì)以及分析工具等當(dāng)?shù)乜刂乒δ堋?/p>

（2）EMS系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)方面可分為三層:

a.信息層

信息層包括南海DPPA的EMS工作站和工程師工作站，各站的主機(jī)/操作員工作站以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。各平臺(tái)主機(jī)/操作站經(jīng)授權(quán)，可以相互備用。

b.站控層

站控層包括各平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)控制器、通信服務(wù)器以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。主要完成與間隔層設(shè)備的通信并實(shí)現(xiàn)在線安控、電站自動(dòng)化等功能。

c.間隔層

間隔層包括各平臺(tái)的繼電保護(hù)測(cè)控裝置、測(cè)控裝置，包括35 kV線路保護(hù)測(cè)控裝置、主變壓器保護(hù)及測(cè)控裝置、發(fā)電機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、10 kV保護(hù)測(cè)控裝置、公用測(cè)控裝置、UPS等其他智能裝置。站控層的現(xiàn)場(chǎng)控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)上述間隔層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)各間隔電氣設(shè)備的保護(hù)、測(cè)量和控制。

圖8 EMS系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)對(duì)海上石油平臺(tái)的電力組網(wǎng)進(jìn)行了實(shí)踐，解決海纜小型孤立電網(wǎng)組網(wǎng)的技術(shù)難題，為海上平臺(tái)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的思路。根據(jù)海洋石油開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，電網(wǎng)的規(guī)模隨著資源優(yōu)化配置范圍的擴(kuò)大而擴(kuò)大，海上電網(wǎng)的發(fā)展也必然要經(jīng)歷從區(qū)域小網(wǎng)到海域大網(wǎng)這一發(fā)展過(guò)程，因此海上油田的電力組網(wǎng)在制定方案時(shí)除了要滿足本期工程的需要，還要著眼于未來(lái)的發(fā)展。

［1］許建奎，李長(zhǎng)偉.海洋石油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式探究［J］.電氣應(yīng)用，2008，27（22）:44-46.

［2］陳戎生，戈?yáng)|方，鐘大文，等.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.1版.北京:中國(guó)電力出版社，1989.