3.0 MTPA FLNG配電系統(tǒng)設計分析

劉小慶

（上?；萆Ｑ蠊こ逃邢薰?，上海 201210）

0 引 言

浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置（Floating Liquefied Natural Gas Production，Storage and Unloading Device，F(xiàn)LNG）具有處理、液化、儲存和裝卸天然氣的功能。隨著平臺處理規(guī)模的增大，F(xiàn)LNG 電氣負荷用電量增大，目前3.0 百萬噸每年（Million Tonnes Per Annum，MTPA）FLNG總電站容量已達到70 ～80 MW，單臺發(fā)電機組的容量也已達到20 ～30 MW。隨著電網(wǎng)容量的增大，配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡型式對平臺的經(jīng)濟性和生產(chǎn)供電的可靠性的影響更為顯著。電網(wǎng)容量的增大意味著電壓等級的升高，同等級電壓下系統(tǒng)的短路電流增大，配電系統(tǒng)保護存在限制，需對其進行分析；平臺主尺度的增大意味著電纜長度的增加，電力系統(tǒng)對地電容電流大幅度增大，單相接地故障電流增大，需對平臺電力系統(tǒng)的接地方式進行研究［1］；功率管理系統(tǒng)網(wǎng)絡架構對供電的可靠性有影響，也是較為關鍵的部分。

1 FLNG主要工況及發(fā)電機組配置

根據(jù)工藝流程需求，主要將FLNG工況分為正常液化工況、降低液化工況、液化卸載工況、基本工況和應急工況等5 種。表1 為某3.0 MTPA FLNG在這5 種工況下的用電情況。主電站作為FLNG的心臟，為生活和生產(chǎn)設施提供電能，是確保整個生產(chǎn)設施可靠、連續(xù)、安全運轉的核心設備［2］。該FLNG 配置3 臺透平電機組，單機功率約為25 MW；正常液化工況和液化卸載工況下使用2 臺25 MW機組，1 臺機組備用；降低液化工況下使用1 臺25 MW機組。該FLNG的設計溫度為30 ℃，燃氣透平機組功率受環(huán)境溫度的影響較大，需考慮機組降容，廠家標稱功率為國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）15 ℃對應的功率30 MW，當設計溫度為30 ℃時，單機組發(fā)出功率修正為25 MW。

表1 某3.0 MTPA FLNG在5 種工況下的用電情況 單位：kW

2 配電系統(tǒng)的型式

根據(jù)短路電流計算，該FLNG主配電網(wǎng)電壓選擇11 kV。功率大于250 kW的設備屬于大功率設備，一般需由中壓配電板供電，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）貨泵、液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，LPG）貨泵和冷凝泵廠家一般只提供6.6 kV電壓等級，其他大功率設備的供電電壓可選11 kV或6.6 kV。

2.1 饋線式配電網(wǎng)

饋線式供電系統(tǒng)由主配電板直接向各區(qū)域配電板供電，結構簡單，保護裝置動作較容易，發(fā)生事故時只需斷開相應的開關即可，饋線式11 kV配電網(wǎng)方案單線圖見圖1。若大功率設備的電壓均選用6.6 kV，則可在該方案的基礎上通過增加變壓器實現(xiàn)。

圖1 饋線式11 kV配電網(wǎng)方案單線圖

2.2 環(huán)路式配電網(wǎng)

主干式環(huán)路式供電系統(tǒng)主要使主配電板、11 kV頂部配電板和11 kV基本配電板形成閉合環(huán)路，使所有用電設備都可從環(huán)路供電，供電靈活性和可靠性強，但環(huán)路結構較為復雜，保護裝置整定復雜。

2.3 配電網(wǎng)方案分析比較

2.3.1 經(jīng)濟性

分別對3 種配電網(wǎng)方案中各設備的特性進行對比分析（見表2），從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)方案的經(jīng)濟性分析。

表2 3 種配電網(wǎng)方案經(jīng)濟性對比

1）對于饋線式配電網(wǎng)方案，若大功率設備選用6.6 kV電壓，配電板短路電流會小很多，但6.6 kV設備需經(jīng)變壓器從主配電板供電，變壓器數(shù)量較多且容量較大，價格昂貴。因此，對于饋線式電網(wǎng)，大功率設備選11 kV電壓較為經(jīng)濟。

2）對于環(huán)路式配電網(wǎng)方案，主配電板與所有區(qū)域配電板采用同一網(wǎng)絡，因此所有配電板的容量都很大，且配電板間用電纜載流量也將增大，因此環(huán)路式配電方案相比饋線式配電網(wǎng)方案價格更高。

綜合上述對比可知，采用饋線式配電網(wǎng)，且大功率設備選用11 kV電壓的方案為經(jīng)濟性更好的方案。

2.3.2 供電可靠性

1）對于饋線式配電網(wǎng)：主配電板分左、右2 個獨立分段，中間設常閉開關；區(qū)域配電板分左、右2 個獨立分段，中間設常開開關。區(qū)域配電板分別從主配電板左右分段供電，進線開關和中間開關采用3 選2 模式，即當主配電板任意一段失電，或任意一臺變壓器發(fā)生故障時，在剩余發(fā)電機組功率范圍內，區(qū)域配電板仍可工作。

2）對于環(huán)路式配電網(wǎng)，所有11 kV配電板都在同一環(huán)路上，之間設常閉開關，當任意一段配電板失電時，在剩余發(fā)電機組功率范圍內，其余配電板仍可工作。環(huán)路供電系統(tǒng)特別適合負荷比較集中、密度大而每個分站的用電負荷不是特別大的場合，分站數(shù)一般6 ～10 個比較經(jīng)濟合理［3］。此處環(huán)路式配電網(wǎng)不能特別發(fā)揮優(yōu)勢。

對于供電可靠性，優(yōu)化設計的饋線式配電網(wǎng)和環(huán)路式配電網(wǎng)都具有較強的供電可靠性。

綜上分析，采用饋線式配電網(wǎng)，且大功率設備選用11 kV 電壓的方案經(jīng)濟性好，可靠性強，為3.0 MTPA FLNG最佳配電網(wǎng)方案。

3 配電系統(tǒng)設計關鍵點

3.1 中壓配電系統(tǒng)保護

根據(jù)短路電流計算，F(xiàn)LNG主配電板最大對稱短路電流為43 kA，最大峰值短路電流為115 kA。目前主流廠家的12 kV真空斷路器額定短路開斷（耐受）電流最大為50 kA，額定短路關合電流峰值（額定峰值耐受電流）為125 kA，因此可滿足要求。此外，若電站容量增大，導致主配電板最大對稱短路電流超過50 kA，可在配電板左右段間加裝快速限流器，即當短路電流超過50 kA 時，快速限流器快速動作，配電板分成左右2段排，左右排短路電流互無貢獻，使單排短路電流減小。

3.2 接地方式選擇

3.2.1 接地方式選擇原則

中性點接地方式基本上可分為大電流接地和小電流接地2 種，其中：大電流接地有直接接地和低阻接地2 種；小電流接地有中性點不接地、經(jīng)高阻接地和經(jīng)消弧線圈接地等3 種［4］。FLNG電力系統(tǒng)對供電可靠性和連續(xù)性有較高的要求，因此FLNG電力系統(tǒng)主要考慮采用小電流接地方式。

國家標準和電力行業(yè)各標準均對接地方式做出了規(guī)定，一般規(guī)定：

1）對于發(fā)電機額定電壓在6.3 kV以上的系統(tǒng)，當發(fā)電機內部發(fā)生單相接地故障不要求瞬時切機時，若采用中性點不接地方式，對于電壓為11 kV的系統(tǒng)，發(fā)電機單相接地故障電容電流最大允許值為3 A，大于該值時應采用中性點諧振接地方式。［5］

2）對于6 kV和10 kV配電系統(tǒng)及發(fā)電廠用電系統(tǒng)，當單相接地故障電容電流不大于7 A時，可采用中性點高阻接地方式，故障總電流不應大于10 A。該標準參考了有關資料，全塑絕緣電纜單相接地故障電流不大于20 A，油紙絕緣電纜單相接地故障電流不大于15 A，對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜單相接地故障電流不大于10 A時電弧可熄滅［5］。

根據(jù)國際上的一般概念，當電容電流超過15 A，至多20 A之后，就已不再采用高阻接地方式［4］，此時對高阻接地系統(tǒng)故障電流的限制最大為20 A。根據(jù)電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）Std C37.101《發(fā)電機接地保護導則》的規(guī)定，中性點高阻接地發(fā)電機故障電流為10 ～25 A。［6］因此，首先需計算系統(tǒng)單相接地故障電容電流和故障總電容電流。

3.2.2 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障電容電流

在中性點不接地系統(tǒng)中，故障總電流僅為接地故障電容電流。中性點不接地系統(tǒng)圖和中性點不接地系統(tǒng)向量圖分別見圖2 和圖3。

圖2 中性點不接地系統(tǒng)圖

圖3 中性點不接地系統(tǒng)向量圖

從圖3 中可看出，當中性點單相故障發(fā)生之后，單相接地故障電容電流的計算公式為

FLNG系統(tǒng)線電壓為11 kV，相電壓為6.35 kV，角頻率為314 rad/s，只有相對地電容為未知，電力系統(tǒng)相對地電容主要由發(fā)電機、變壓器、電纜和電動機組成，參數(shù)由廠家提供，在最大工況下，發(fā)電機組和變壓器總相對地電容為0.416 μF。FLNG總長較長，配電網(wǎng)絡具有分布性特點，因此需充分考慮電纜長度和對地電容，單根電纜對地電容可由電纜廠家提供，F(xiàn)LNG在最大工況下的電纜對地總電容約為1.15 μF，則系統(tǒng)對地總電容為1.566 μF。單相接地故障電容電流IC=9.37 A，超過3 A，不建議采用中性點不接地系統(tǒng)。

3.2.3 中性點高阻接地系統(tǒng)單相接地故障電容電流

對于中性點高阻接地系統(tǒng)，接地故障總電流為接地故障電容電流與高阻電流的疊加。高阻接地系統(tǒng)圖和高阻接地系統(tǒng)向量圖分別見圖4 和圖5。從圖5 中可看出，高阻接地系統(tǒng)單相接地故障發(fā)生之后，接地故障總電流ID為系統(tǒng)接地故障電容電流IC與系統(tǒng)高阻電流IR的疊加,一般稍大于IC，則當系統(tǒng)總電阻電流IR取10 A時，接地故障總電流ID=13.7 A。

圖4 高阻接地系統(tǒng)圖

圖5 高阻接地系統(tǒng)向量圖

根據(jù)國內標準需采用經(jīng)消弧線圈接地方式，根據(jù)國際可采用高阻接地方式。消弧線圈接地方式的設計較為復雜，在海洋石油工程中使用極少；同時，據(jù)了解，國際上一些項目的接地故障總電流約為20 A 時仍采用高阻接地方式，且運行正常。因此，后續(xù)可對接地故障總電流為10 ～20 A的接地系統(tǒng)作進一步的試驗研究。目前認為若采用高阻接地方式，則應與設備廠家確認設備絕緣等，同時在設計配電系統(tǒng)時，配電柜的位置需盡可能地合理優(yōu)化，并盡量縮短電纜長度，以盡可能地減小單相接地故障電流，防止間歇性電弧接地過電壓。

3.3 功率管理系統(tǒng)

FLNG的電站管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS）需實現(xiàn)發(fā)電機組控制與調度、有功無功分配、優(yōu)先脫口、重載問詢、負載轉移、狀態(tài)監(jiān)測和自診斷等功能［7］。

PMS網(wǎng)絡結構主要分為操作層、控制層和設備層等3 層。從空間上設集中控制室、頂部電氣間和平臺電氣間，其中：集中控制室負責整個PMS監(jiān)控，包括主發(fā)電機組和基本發(fā)電機組監(jiān)控；頂部電氣間設置PMS 控制機柜，負責透平發(fā)電機組及頂部配電系統(tǒng)信號處理；平臺電氣間設置PMS控制機柜，負責基本發(fā)電機組和平臺配電系統(tǒng)信號處理。整個系統(tǒng)采用冗余設計，PMS 服務器互為備用，操作層和控制層均采用冗余網(wǎng)絡，任意網(wǎng)絡發(fā)生故障，不影響PMS的功能［7］。PMS 網(wǎng)絡可通過防火墻連接至全船集成控制系統(tǒng)，并在集成控制系統(tǒng)中顯示。

設計PMS時盡量將頂部PMS與平臺PMS統(tǒng)一考慮，避免因廠家不同而引發(fā)軟件權限問題。

4 結 語

目前我國自主研發(fā)生產(chǎn)的FLNG 極少，對年產(chǎn)量較大的FLNG 還缺乏設計和建造經(jīng)驗，本文結合3.0 MTPA FLNG，分析了大容量配電網(wǎng)型式。11 kV饋線式配電網(wǎng)較為經(jīng)濟可靠，可滿足3.0 MTPA FLNG對可靠安全生產(chǎn)的需求。對于大容量配電系統(tǒng)，短路電流有可能略超過保護裝置最大值，此時可在配電板間加裝快速限流器保護。由于FLNG的主尺度較大，電網(wǎng)容量大，電纜較長，單相接地故障電流較大，當單相接地故障電流在限制內時，可采用高阻接地方式。但是，隨著平臺容量的增大，單相接地故障電流可能會超過限值，有可能需采用經(jīng)消弧線圈接地方式或其他方式，而這些方式在海洋石油工程中極少應用，需進一步研究。