吳 鋒 胡 輝 胡 鵬 鄒道標(biāo) 李大全

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司)

海上油氣田電力組網(wǎng)技術(shù)研究與實(shí)踐

吳 鋒 胡 輝 胡 鵬 鄒道標(biāo) 李大全

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司)

根據(jù)我國海上油氣田電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、邊際油氣田滾動(dòng)開發(fā)和節(jié)能降耗的生產(chǎn)需求,結(jié)合潿西南油田群實(shí)際情況,對(duì)長距離、小機(jī)組電力組網(wǎng)進(jìn)行了探索研究,提出了解決電壓控制、頻率波動(dòng)、發(fā)電機(jī)自激、勵(lì)磁涌流等技術(shù)難題的措施。潿西南油田群電力組網(wǎng)一期工程的投入運(yùn)行,標(biāo)志著我國海上油氣田電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)已取得重大突破,對(duì)海上油氣田開發(fā)和生產(chǎn)具有重要的戰(zhàn)略意義。

海上油氣田 長距離小機(jī)組電力組網(wǎng) 電壓控制 頻率波動(dòng) 發(fā)電機(jī)自激 勵(lì)磁涌流

以往我國海上油氣田的供電模式基本上是每個(gè)油氣田裝配一個(gè)獨(dú)立電站供電,其缺點(diǎn)是供電可靠性差、投資大,且擠占海上平臺(tái)空間。為增強(qiáng)我國海上油氣田電力系統(tǒng)供電可靠性,保障生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,滿足邊際油氣田滾動(dòng)開發(fā)和節(jié)能降耗的生產(chǎn)需求,中海石油(中國)有限公司湛江分公司于2006年5月對(duì)潿西南油田群提出了電力組網(wǎng)設(shè)想,針對(duì)該油田群電力系統(tǒng)現(xiàn)狀,開展了長距離、小機(jī)組電力組網(wǎng)探索研究,解決了電力組網(wǎng)所面臨的電壓不可控及無功平衡、頻率波動(dòng)、勵(lì)磁涌流等技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了潿西南油田群電力聯(lián)網(wǎng)供電,將過去各油田“獨(dú)立供電”變?yōu)榱恕熬W(wǎng)絡(luò)供電”,構(gòu)建了我國海上第一個(gè)由多機(jī)組、高壓輸送與低壓配電網(wǎng)絡(luò)組成的電力系統(tǒng)。

1 潿西南油田群電力組網(wǎng)前狀況及組網(wǎng)條件

1.1 電力組網(wǎng)前狀況

潿西南油田群已建海上油田終端各自裝配有獨(dú)立電站,各油田通過自備電站為其中心平臺(tái)、井口平臺(tái)提供電力。此外,潿洲島終端處理廠(以下簡(jiǎn)稱W ZIT)裝配有1個(gè)裝機(jī)4281 kW×4的主電站,組網(wǎng)前各油田之間及各油田與W ZIT之間沒有電力聯(lián)系。

潿西南油田群已建的油田終端電站有5個(gè),共有14臺(tái)發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量為49485 kW。目前潿西南各油田終端負(fù)載用電負(fù)荷總共為21539 kW,當(dāng)14臺(tái)發(fā)電機(jī)組全部運(yùn)行時(shí)剩余裝機(jī)容量為27946 kW1)。

1.2 電力組網(wǎng)條件

(1)各電站原發(fā)電機(jī)組的各種保護(hù)功能齊備,發(fā)電機(jī)組本身具備并車功能,現(xiàn)有的W ZIT、WZ12-1油田和WZ11-1油田自備電站的電壓等級(jí)、頻率、電制完全一樣。

(2)將現(xiàn)有的 WZIT、WZ12-1油田和 WZ11-1油田的獨(dú)立電站并聯(lián)組網(wǎng),所需增加的關(guān)鍵設(shè)備包括高/中壓配電裝置、帶負(fù)荷調(diào)壓干式變壓器、光電復(fù)合型海底電纜、能量管理系統(tǒng)、并網(wǎng)裝置、無功補(bǔ)償裝置等,這些設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,設(shè)備維護(hù)及元器件更換更為快捷、方便。

(3)能量管理系統(tǒng)(實(shí)時(shí)處理、提供及時(shí)和準(zhǔn)確的更新數(shù)據(jù))、各種繼電保護(hù)裝置、同期裝置、大電機(jī)禁止啟動(dòng)控制系統(tǒng)、低周減載保護(hù)裝置(用于優(yōu)先脫扣)、發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、開關(guān)過程管理系統(tǒng)等組網(wǎng)所需的控制功能技術(shù)成熟。

2 長距離、小機(jī)組電力組網(wǎng)技術(shù)難題及解決措施

2.1 配置電抗器進(jìn)行無功補(bǔ)償,以滿足電壓控制和無功平衡要求

潿西南油田群電力組網(wǎng)的特點(diǎn)之一是油田間海底電纜線路較長(最長距離為50 km),而正常情況下發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量較小,線路輸送潮流很輕,因此海底電纜充電電流較大(據(jù)計(jì)算合計(jì)約達(dá)50 A)。鑒于油田運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備大多數(shù)為異步電機(jī),平均功率因數(shù)約為0.8,正常生產(chǎn)情況下負(fù)荷波動(dòng)較小,最小負(fù)荷率往往在70%以下,加之本工程35 kV電纜線路較長,輕載時(shí)充電功率較大,因此為滿足電壓控制和無功平衡要求,本項(xiàng)目配置電抗器進(jìn)行無功補(bǔ)償[1]。

2.2 采用優(yōu)先脫扣技術(shù)解決頻率波動(dòng)問題

電網(wǎng)故障仿真計(jì)算表明,聯(lián)網(wǎng)后組成的小系統(tǒng)切機(jī)或切負(fù)荷對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行頻率影響較大,需裝設(shè)高周切機(jī)及低周減載保護(hù)裝置(優(yōu)先脫扣),當(dāng)運(yùn)行頻率高于52 Hz時(shí)需切除部分發(fā)電機(jī)組。目前現(xiàn)有設(shè)備可滿足這一要求,一旦出現(xiàn)單相或兩相斷線,必須快速切除電纜,否則將引起故障相電壓升高至額定電壓的2.4倍左右,影響供電安全。

2.3 并網(wǎng)時(shí)投入電抗器防止發(fā)電機(jī)自激

經(jīng)校核計(jì)算發(fā)現(xiàn),單臺(tái)發(fā)電機(jī)帶電纜線路會(huì)引起發(fā)電機(jī)自激(即自勵(lì)磁),而2臺(tái)發(fā)電機(jī)組同時(shí)帶電纜線路或并網(wǎng)時(shí)投入電抗器可以防止發(fā)電機(jī)自激。因此,本項(xiàng)目并網(wǎng)采用2臺(tái)發(fā)電機(jī)組同時(shí)投入電抗器的方式。

2.4 采用涌流抑制器解決變壓器勵(lì)磁涌流問題

潿西南油田群的電力組網(wǎng)為小發(fā)電機(jī)組大變壓器組網(wǎng),變壓器空載合閘時(shí)最大勵(lì)磁涌流將達(dá)到額定電流的6～10倍。由于發(fā)電機(jī)機(jī)組數(shù)量較少,總?cè)萘啃?勵(lì)磁涌流將對(duì)電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)電壓的建立產(chǎn)生較大的影響,本項(xiàng)目采用涌流抑制器解決變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流問題[2]。

3 潿西南油田群電力組網(wǎng)整體方案研究

3.1 電力組網(wǎng)設(shè)計(jì)

為充分利用各油田的裝機(jī)容量,提高各平臺(tái)的供電可靠性及經(jīng)濟(jì)性,解決各平臺(tái)在電源檢修或發(fā)生事故退出運(yùn)行時(shí)的供電問題,并降低油田開發(fā)、生產(chǎn)成本,對(duì)潿西南油田群進(jìn)行了電力組網(wǎng)規(guī)劃,將W ZIT、W Z12-1 油田、W Z11-1N 油田(不設(shè)電站 ,由電網(wǎng)供電)和WZ11-1油田通過海底電纜聯(lián)接構(gòu)成小型電力系統(tǒng),同時(shí)預(yù)留出給待開發(fā)油田供電的容量和接口。

從潿西南油田群各油田終端裝機(jī)容量、負(fù)荷與油田間距離情況來看,最大裝機(jī)容量小于20000 kW,各油田負(fù)荷均在10000 kW以下,相隔最遠(yuǎn)的2座平臺(tái)相距約為50 km,輸電線路均處在35 kV及110 kV電壓等級(jí)供電適用范圍內(nèi)?？紤]到線路輸送潮流較輕,從經(jīng)濟(jì)性出發(fā),組網(wǎng)主干線路的電壓等級(jí)推薦采用35 kV;而WZ11-1N油田到WZ11-1油田距離小于3 km,推薦其輸電線路電壓等級(jí)采用10 kV。由于各油田終端均無特殊供電要求且均有自備電站,在海底電纜出現(xiàn)故障時(shí)這些自備電站可供電給各自油田,因此,從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)提出了以下電力組網(wǎng)設(shè)計(jì):在 WZIT與 WZ12-1油田、WZ12-1油田與 W Z11-1N油田、W Z11-1N油田與 W Z11-1油田間各敷設(shè)一條海底電纜,構(gòu)成鏈?zhǔn)焦╇娤到y(tǒng)(圖 1)。

圖1 潿西南油田群35 kV電力組網(wǎng)設(shè)計(jì)示意圖

3.2 電氣主接線方式

電力組網(wǎng)一期工程首先要考慮 WZIT和WZ12-1油田的聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)供電可靠性及經(jīng)濟(jì)性要求,推薦WZIT和WZ12-1油田聯(lián)網(wǎng)的35 kV電氣主接線方式如下:

(1)WZIT電氣主接線(圖2a) WZIT電站裝機(jī)容量較大,是潿西南油田群電力系統(tǒng)的供電主力,為提高其供電可靠性,配置2臺(tái)12500 kVA的35 kV主變壓器,這樣在單臺(tái)主變壓器退出運(yùn)行的情況下,另一臺(tái)主變壓器仍可送出部分電力。單臺(tái)主變壓器容量為12500 kVA,采取有載調(diào)壓,變比為(38.5 kV±8 kV×1.25%)/6.3 kV。35 kV側(cè)主接線采用單母線接線,除往WZ12-1油田出線外,預(yù)留給待建平臺(tái)供電的出線接口;6.3 kV側(cè)主接線采用單母線分段接線。

圖2 潿西南油田群W ZIT和WZ12-1油田聯(lián)網(wǎng)電氣主接線方式

(2)WZ12-1油田電氣主接線(圖2b) 給W Z12-1油田電站配置1臺(tái)12500 kVA的35 kV主變壓器,采取有載調(diào)壓,變比為(38.5 kV±8 kV×1.25%)/6.3 kV。35 kV側(cè)主接線采用單母線接線,除往WZ12-1、WZ11-1N油田出線外,預(yù)留給待建平臺(tái)供電的出線接口;6.3 kV側(cè)主接線采用單母線接線,預(yù)留給負(fù)荷較輕的鄰近平臺(tái)供電的出線接口1)。

3.3 海底電纜選型

對(duì)組網(wǎng)后各種極端運(yùn)行方式下各海底電纜導(dǎo)線的輸送容量進(jìn)行了計(jì)算,其結(jié)果見表1。計(jì)算中綜合考慮了各油田供電能力及負(fù)荷,預(yù)計(jì)在WZIT負(fù)荷低谷期(負(fù)荷接近于0,4臺(tái)4281 kW機(jī)組均有能力向其他油田供電)以及 WZ12-1與 WZ11-1油田電站均不發(fā)電的情況下海底電纜輸送容量最大。

據(jù)此,規(guī)劃對(duì)潿西南油田群電網(wǎng)采用銅三芯、交聯(lián)聚乙烯絕緣、三相分相鉛包、聚乙烯外護(hù)層、鋼絲鎧裝、聚丙烯繩外披覆復(fù)合光單元的海底電力電纜。經(jīng)計(jì)算,W ZIT至 W Z12-1油田間選用3×185 mm2/35 kV復(fù)合光電海底電纜,W Z12-1油田至 W Z11-1N油田間選用 3×120 mm2/35 kV復(fù)合光電海底電纜,W Z11-1N油田至W Z11-1油田間選用3×150 mm2/6.3 kV復(fù)合光電海底電纜。

表1 潿西南油田群電力組網(wǎng)海底電纜輸送容量計(jì)算結(jié)果

3.4 中性點(diǎn)接地方式

經(jīng)計(jì)算,潿西南油田群電網(wǎng)35 kV海底電纜的電容電流約為103A,超出了SD—79《電力設(shè)備過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的35kV不接地系統(tǒng)電容電流不超過10A的要求,需要對(duì)系統(tǒng)采用經(jīng)消弧線圈接地的保護(hù)方式,因此對(duì)WZIT和WZ12-1油田的3臺(tái)主變壓器在高壓35 kV中性點(diǎn)各設(shè)置1臺(tái)消弧線圈接地裝置。

考慮到當(dāng)已建 WZ11-1、WZ11-1N平臺(tái)和在建的W Z6-8、W Z6-9井口平臺(tái)(隸屬于 W Z12-1油田)電力系統(tǒng)投入電網(wǎng)時(shí),因35 kV線路的負(fù)荷增加,電容電流大大增加(約達(dá)到225 A),此情況下將得不到足夠容量的消弧線圈進(jìn)行補(bǔ)償,但由于此時(shí)電網(wǎng)之間的聯(lián)系已經(jīng)加強(qiáng),發(fā)生故障時(shí)切除故障回路不會(huì)造成電網(wǎng)解裂,所以建議電力組網(wǎng)遠(yuǎn)景采用中阻接地。

3.5 系統(tǒng)通信方案

為滿足各采油平臺(tái)及中心站W(wǎng)ZIT之間各類語音、自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)、圖像和電纜線路繼電保護(hù)等信息的通信,規(guī)劃建設(shè) WZIT─WZ12-1油田─WZ11-1N油田─WZ11-1油田的光纜線路,其光纜采用 G.652光纖復(fù)合海底35 kV電力電纜,同時(shí)在W ZIT、W Z12-1油田、W Z11-1N 油田、W Z11-1油田站點(diǎn)各配置1套基于多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)的SDH設(shè)備(光同步數(shù)字傳輸設(shè)備)和 PCM設(shè)備(脈碼調(diào)制錄音設(shè)備),SDH設(shè)備采用光纖構(gòu)成155 M二纖通道保護(hù),同時(shí)每段光纜提供專用光纖傳輸35 kV電纜線路繼電保護(hù)信息[3]。由中心站 WZIT現(xiàn)有的交換機(jī)通過PCM設(shè)備遠(yuǎn)端放號(hào)為各采油平臺(tái)提供電話業(yè)務(wù),該光纖系統(tǒng)圖見圖3。

圖3 潿西南油田群光纖系統(tǒng)圖

3.6 能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思想是建設(shè)一套對(duì)潿西南油田群電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制的能量管理系統(tǒng),其主要功能包括數(shù)據(jù)采集與安全監(jiān)視、發(fā)電調(diào)整與控制、電壓調(diào)整與控制、低周減載、故障閉鎖與恢復(fù)、開關(guān)過程管理等。該系統(tǒng)包括1套主站系統(tǒng),4套子站系統(tǒng)。其中主站系統(tǒng)安裝在 W ZIT,子站系統(tǒng)分別安裝在 WZIT、W Z12-1油田、W Z11-1N油田和 WZ11-1油田,主站與子站通過網(wǎng)絡(luò)(由通信專業(yè)光纖通信系統(tǒng)提供100 M以太網(wǎng)通道)進(jìn)行通信。

3.7 二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潿西南油田群一次系統(tǒng)推薦方案是以35 kV電壓等級(jí)單回路鏈?zhǔn)竭B接W Z11-1N油田、W Z12-1油田和 WZIT,據(jù)此對(duì)其二次系統(tǒng)作如下設(shè)計(jì):在WZIT至 W Z12-1油田海底電纜 35 kV線路及WZ12-1油田至W Z11-1N油田海底電纜35 kV線路兩側(cè)各配置1套三相光纖電流差動(dòng)保護(hù)裝置,并要求該保護(hù)裝置除具備三相電流差動(dòng)保護(hù)功能外,還應(yīng)具有相間距離和接地距離保護(hù)、零序方向電流保護(hù)及三相一次重合閘功能,線路保護(hù)通道采用光纖專用芯通道。另外,為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)W ZIT、WZ12-1油田、WZ11-1N油田各配置一面6.3 kV低壓低周減載柜,同時(shí)對(duì)各臺(tái)機(jī)組均裝設(shè)高周切機(jī)裝置。

4 潿西南油田群電力組網(wǎng)方案實(shí)施效果及其意義

潿西南油田群電力組網(wǎng)項(xiàng)目一期工程(WZIT與WZ12-1油田電力組網(wǎng))已于2008年12月18日正式投入運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了我國第一個(gè)長距離、小機(jī)組海上油田群電力組網(wǎng),該電網(wǎng)系統(tǒng)投入使用以來,一直運(yùn)行穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著,主要體現(xiàn)在:

(1)電力組網(wǎng)減少了海上設(shè)施發(fā)電機(jī)開機(jī)臺(tái)數(shù),提高了單臺(tái)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率,提高了發(fā)電機(jī)機(jī)組效率,降低了透平發(fā)電機(jī)的損耗,節(jié)約了能源。經(jīng)測(cè)算,實(shí)施電力組網(wǎng)項(xiàng)目后潿西南油田群每年可以節(jié)約11283 t標(biāo)準(zhǔn)煤(未計(jì)算線路損耗)。

(2)利用該電網(wǎng)供電方案,可使正在實(shí)施的W Z11-1N油田開發(fā)工程項(xiàng)目節(jié)省投資約6000萬元,并可使后續(xù)的 W Z6-8、W Z6-9油田建設(shè)減少初始投資約6500萬元。

(3)海上油氣田透平發(fā)電機(jī)的操作成本及維修費(fèi)用一直居高不下,但實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)供電后減少了發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備,按照現(xiàn)有油田實(shí)際費(fèi)用計(jì)算,每年可節(jié)約上千萬元的維修、操作費(fèi)用。

(4)組建電網(wǎng)向海上油氣田供電并優(yōu)化機(jī)組配置,可以大大降低天然氣的消耗及CO2的排放。

(5)潿西南油田群電力組網(wǎng)是節(jié)約資源、減排降耗的重要舉措,也是建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的一次良好實(shí)踐,其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。該系統(tǒng)的投入運(yùn)行標(biāo)志著我國在海上油氣田電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)上取得了重大突破,對(duì)我國海上油田開發(fā)和生產(chǎn)具有重要的戰(zhàn)略意義。

致謝:福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院邱國華經(jīng)理和張繼芬總工程師,中海油研究總院王建豐總監(jiān)和向守安高級(jí)工程師對(duì)本項(xiàng)目研究工作給予了技術(shù)支持與指導(dǎo),中海石油(中國)有限公司開發(fā)生產(chǎn)部和湛江分公司相關(guān)部門也給予了大力支持和通力配合,在此表示衷心感謝。

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[2] 葉念國.抑制變壓器勵(lì)磁涌流的新方法[M/OL].中國工業(yè)電器網(wǎng),(2007-02).http://www.cnelc.com.2009-05-22.

[3] 王士政.電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化與配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

Study and practice of power group network technology for offshore oil and gas fields

Wu Feng Hu Hui Hu Peng Zou Daobiao Li Daquan
(Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,524057)

According to the requirements for stable running of power system for offshore oil and gas fields,the rolling development of marginal oil fields and the energy saving of production,combined with the actual situation of Weixinan oilfield group,we give a research on the long distance and small unit power group network in this paper.And we also propose some measures for solving the difficult technical problems such as voltage control,frequency fluctuation,generator self-excitation and inrush current.The operation of the Weixinan oilfield group first phase project marks a great breakthrough in the power network system for off shore oil and gas fields.And it has an important strategic significance to the development and production of offshore oil and gas fields.

offshore oil and gas fields;long distance and small unit power group network;voltage control;frequency fluctuation;generator self-excitation;inrush current

吳鋒,男,工程師,1992年畢業(yè)于北華大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)。地址:廣東省湛江市坡頭區(qū)22號(hào)信箱(郵編:524057)。電話:0759-3900331。

1)柯呂雄,俞進(jìn),等.潿西南油田群電力組網(wǎng)項(xiàng)目可研報(bào)告.中海石油(中國)有限公司湛江分公司生產(chǎn)部及福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,2007.

1)邱國華,張繼芬,等.潿西南油田群電力組網(wǎng)項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)收口文件.福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,2007.

2009-02-01改回日期:2009-08-26

(編輯:張金棣)