某海上采油平臺(tái)供配電方案改進(jìn)

張龍,周呈,何金平

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

隨著國家能源安全重要性的提高，國內(nèi)各石油公司都在考慮增產(chǎn)上儲(chǔ)，產(chǎn)量壓力愈發(fā)明顯，開發(fā)現(xiàn)有油田周邊的邊際油田成為了穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的主要手段。邊際油田一般采用井口平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，依托現(xiàn)有周邊油田設(shè)施的公用設(shè)備及工藝設(shè)備，一般不設(shè)置獨(dú)立電站，以期降低油田開發(fā)成本。下述某采油平臺(tái)采用了上述開發(fā)模式，但海洋石油行業(yè)受國際油價(jià)持續(xù)走低的影響，降低海洋石油平臺(tái)建造成本成為工程項(xiàng)目的首要考慮。因此，從該平臺(tái)供配電方案入手，在不影響平臺(tái)工藝要求的原則下，通過簡(jiǎn)化供配電系統(tǒng)主接線及降低配電電壓等級(jí)的方式，以期達(dá)到進(jìn)一步降低平臺(tái)建造成本的目的。

1 原有電氣供配電方案設(shè)計(jì)

該工程井口平臺(tái)用電負(fù)荷較小，未設(shè)獨(dú)立電站，其供電電源通過1條長度為8.2 km，35 kV，3×50 mm2的海纜引自附近油田變電站的35 kV母線。經(jīng)計(jì)算核實(shí)，該油田變電站能夠滿足該工程新增井口平臺(tái)的用電負(fù)荷需求。

平臺(tái)設(shè)有變配電站1座，內(nèi)設(shè)35 kV開關(guān)柜，6 kV開關(guān)柜和0.4 kV開關(guān)柜若干，35/6.3 kV干式變壓器1臺(tái)，35/0.4 kV干式變壓器2臺(tái)。35 kV系統(tǒng)采用單母線接線，采用氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜，以放射式供電方式[1]為前述3干式變壓器和修井模塊供電。6 kV系統(tǒng)采用單母線接線，采用中置式開關(guān)柜為3臺(tái)注水泵供電，注水泵變頻啟動(dòng)。0.4 kV系統(tǒng)采用單母線分段接線[2]，以放射式供電方式為平臺(tái)上的低壓用電設(shè)備和電氣泵供電，見圖1、表1。

分析圖1和表1，原有供配電方案有以下缺點(diǎn)。

表1 原供配電方案主要電氣設(shè)備表

圖1 原供配電方案電氣主接線圖

1.1 35 kV開關(guān)柜數(shù)量多，設(shè)備成本高

原供配電方案采用35 kV為配電電壓，設(shè)置35 kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜6面，設(shè)備投資成本高。

1.2 注水泵啟動(dòng)方式成本較高

該平臺(tái)根據(jù)注水工藝配置3臺(tái)額定功率為355 kW的注水泵，正常情況下2臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，無變頻調(diào)節(jié)要求。在上述配電方案中，平臺(tái)35 kV進(jìn)線處最小運(yùn)行方式短路容量為321 kVA,采用1臺(tái)35/6.3 kV的干式變壓器為3臺(tái)注水泵電動(dòng)機(jī)供電，變壓器額定容量為1 000 kVA。根據(jù)GB50055—2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》的第2.2.2條： “交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，配電母線上的電壓應(yīng)符合：電機(jī)不頻繁啟動(dòng)的，不宜低于額定電壓的85%”。根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第4版)表6.5-4計(jì)算，在1臺(tái)注水泵已經(jīng)運(yùn)行的工況下，第2臺(tái)注水泵若采用直接啟動(dòng)方式，6.3 kV母線壓降為額定電壓的80%，不能滿足規(guī)范的要求。因此，注水泵選用了變頻啟動(dòng)的方式。主要在以下幾個(gè)方面增加工程建造成本。

1)采用3臺(tái)6 kV變頻器作為注水泵電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)設(shè)備，設(shè)備購置和安裝費(fèi)用高；

2)6 kV變頻器需設(shè)置變頻器室，變頻器室的尺寸為10 m×6.8 m，占用較多的平臺(tái)建設(shè)面積，增加了平臺(tái)建造的成本；

3)6 kV變頻器內(nèi)部采用大功率電子元器件，散熱量大，對(duì)環(huán)境溫度要求高。目前海上平臺(tái)通常采用密閉式空調(diào)散熱的方式，即變頻器室內(nèi)配備一定數(shù)量的空調(diào)。

1.3 非標(biāo)變壓器成本較高

該工程為注水泵電動(dòng)機(jī)供電的變壓器采用35 kV/6.3 kV、1 000 kVA變壓器，變壓器容量較小，為非標(biāo)產(chǎn)品，設(shè)備成本較高，性價(jià)比較低。

1.4 修井模塊預(yù)留電源不合理

修井模塊供電電源采用35 kV預(yù)留，修井模塊側(cè)需配置高壓側(cè)為35 kV的干式變壓器，增加設(shè)備的投資成本。

2 對(duì)供配電方案的改進(jìn)

通過全面分析該采油平臺(tái)用電負(fù)荷的電壓等級(jí)和大電機(jī)啟動(dòng)的特點(diǎn)，針對(duì)原供配電方案中由于35 kV配電電壓等級(jí)較高和注水泵變壓器容量太小而導(dǎo)致35 kV電壓等級(jí)電氣設(shè)備較多和增設(shè)變頻器等問題，對(duì)該供配電方案進(jìn)行以下改進(jìn)。改進(jìn)后的供配電方案如下：35 kV系統(tǒng)采用線路—變壓器單元接線[3]，進(jìn)線電纜通過1臺(tái)真空斷路器與35 kV/6.3 kV變壓器直接連接，該變壓器額定容量為6 300 kVA。6 kV系統(tǒng)采用單母線接線，以放射式供電方式為3臺(tái)注水泵電動(dòng)機(jī)、2臺(tái)6 kV/0.4 kV干式變壓器和修井模塊供電。0.4 kV系統(tǒng)采用單母線分段接線，以放射式供電方式為平臺(tái)上的低壓用電設(shè)備和電氣泵供電,見圖2、表2。

圖2 改進(jìn)后的供配電方案電氣主接線圖

表2 改進(jìn)供配電方案主要電氣設(shè)備表

該采油平臺(tái)存在3個(gè)電壓等級(jí)，外部供電電壓為35 kV，注水泵電動(dòng)機(jī)電壓為6 kV，低壓用電設(shè)備和電氣泵電壓為380/220 V。因此，在改進(jìn)后的供配電方案中，采用6 kV作為變壓器和中壓電動(dòng)機(jī)的配電電壓。根據(jù)圖2和表2分析，改進(jìn)后的供配電方案有以下優(yōu)點(diǎn)。

2.1 減少35 kV開關(guān)柜的數(shù)量，降低設(shè)備投資成本

該采油平臺(tái)的35 kV系統(tǒng)采用線路—變壓器單元接線，35 kV海纜通過1臺(tái)真空斷路器直接連接到35/6.3 kV變壓器，35 kV系統(tǒng)只需設(shè)置2面氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜即可滿足供電要求，大大簡(jiǎn)化了35 kV系統(tǒng)的接線，又降低了35 kV設(shè)備的投資成本。

2.2 減少了開關(guān)柜和變壓器的投資成本

6 kV開關(guān)柜中，采用3臺(tái)真空斷路器為2臺(tái)6/0.4kV變壓器和修井模塊供電，采用3臺(tái)手車式真空接觸器(VCU)作為注水泵電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)設(shè)備。原有供配電方案中由35 kV開關(guān)柜供電的2臺(tái)變壓器和修井模塊回路，在優(yōu)化后的供配電方案中改由6 kV開關(guān)柜供電，開關(guān)柜的設(shè)備成本降低；同時(shí)，原有供配電方案中35/0.4 kV變壓器改為優(yōu)化后的供配電方案中的6/0.4 kV變壓器，變壓器的設(shè)備成本也隨之降低。

2.3 取消注水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)用變頻器

原方案中采用35/6.3 kV 1 000 kVA變壓器為3臺(tái)355 kW的注水泵電動(dòng)機(jī)提供電源，為了保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)6kV母線電壓不低于額定電壓的85%，需采用變頻啟動(dòng)的方式減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流。

在改進(jìn)方案中，采用35/6.3 kV 6 300 kVA的主變壓器。經(jīng)計(jì)算，若注水泵采用直接啟動(dòng)方式，單臺(tái)注水泵電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，母線最低電壓為額定電壓的92%，滿足規(guī)范的要求。因此對(duì)于3臺(tái)kV 355 kW注水泵電動(dòng)機(jī)，可以采取直接啟動(dòng)的方式啟動(dòng)，不需要配置啟動(dòng)變頻器。

2.4 取消變頻器室

平臺(tái)空間寶貴，改進(jìn)后的供配電方案中取消了注水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)用變頻器，可以將原供配電方案中的變頻器室取消，或留做其他用途，同時(shí)取消變頻器室配套配置的空調(diào)、通風(fēng)等輔助設(shè)備。

2.5 減少電纜及敷設(shè)施工成本

原有供配電方案中配電間35 kV電纜為1進(jìn)4出，6.3 kV電纜為1進(jìn)4出，改進(jìn)后的供配電方案中35 kV電纜為1進(jìn)1出，6.3 kV電纜為1進(jìn)5出，原供電配方案中的26/35 kV絕緣等級(jí)的電纜可以相應(yīng)更換為6/6 kV絕緣等級(jí)的電纜，同時(shí)減少了注水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)用變頻器環(huán)節(jié)的中間接線，大大減少了電纜的投資成本。35 kV電力電纜、6 kV電力電纜的長度減少，相應(yīng)的敷設(shè)工作量和接線工作量減少，降低了電纜的敷設(shè)難度。

3 2種方案綜合比較

3.1 供電可靠性比較

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第4版)關(guān)于線路變壓器單元接線方式有說明：適用范圍：適用于對(duì)二級(jí)負(fù)荷以下的供電，一回電源線路和一臺(tái)變壓器的小型變電站。按照油田開發(fā)方案與慣例，該工程井口平臺(tái)采用單電源供電，兩種供配電方案都采取了高中低三個(gè)電壓等級(jí)進(jìn)行配電。改進(jìn)后的供配電方案，采用6 kV為配電電壓[4]，降低了配電電壓等級(jí)，在滿足工藝要求的前提下取消故障率較高的3臺(tái)6 kV變頻器，由6 kV系統(tǒng)母線對(duì)注水泵電動(dòng)機(jī)直接供電，提高了注水泵電動(dòng)機(jī)的供電可靠性[5]。

3.2 電氣設(shè)備數(shù)量及成本對(duì)比

通過對(duì)2種供配電方案的設(shè)備數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比和對(duì)設(shè)備商進(jìn)行初步詢價(jià)，優(yōu)化后的供電方案在設(shè)備投資方面更有優(yōu)勢(shì)見表3。

表3 高、中壓設(shè)備數(shù)量及價(jià)格對(duì)比

根據(jù)以上分析，如采用改進(jìn)后的供配電方案，預(yù)計(jì)電氣設(shè)備的成本將降低200萬元以上。

改進(jìn)后的供配電方案中，由于注水泵采用直接啟動(dòng)，不需再設(shè)置注水泵變頻器室，同時(shí)取消變頻室通風(fēng)、空調(diào)等附屬設(shè)施，減少了電纜敷設(shè)、橋架安裝工作量。這樣不僅減少平臺(tái)設(shè)備用房的面積，還降低平臺(tái)建造和設(shè)備調(diào)試成本。

4 結(jié)論

在滿足采油平臺(tái)工藝要求的前提下，通過對(duì)供配電方案的改進(jìn)，不僅降低了平臺(tái)建造成本，還提高了供電可靠性。邊際油田開發(fā)開采的過程中，經(jīng)常存在經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)較差或達(dá)不到盈利目標(biāo)，因此，只有通過多方面改進(jìn)技術(shù)方案，降低平臺(tái)建造成本，才能使原本經(jīng)濟(jì)上不可行的油田變成經(jīng)濟(jì)上可行的油田。但是，改進(jìn)后的供配電方案與平臺(tái)整體設(shè)計(jì)的匹配性，還需要進(jìn)一步根據(jù)平臺(tái)電力系統(tǒng)的短路電流計(jì)算和電氣設(shè)備選型后進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。