張 強

（中海油研究總院 北京 100027）

0 引 言

海上油氣田開發(fā)過程中通常是在每一個油氣田的中心平臺建一座獨立的主電站，為本平臺或周邊平臺提供電力。該供電模式下各油氣田電源單一，且各油氣田電站之間沒有聯(lián)系。為保證供電可靠性，每一平臺均需預(yù)留一臺等同容量的備用發(fā)電機組，這不僅電源投資增大，能夠為油氣田后期調(diào)整及新油田開發(fā)預(yù)留的電量也十分有限。

為解決上述問題，需在經(jīng)濟(jì)性與供電可靠性間尋求平衡點，將各平臺電源組網(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 海上平臺電力組網(wǎng)的必要性

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

（1）平臺之間可互供電力、互為備用，減少事故及大型負(fù)荷啟動備用容量，提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)性；同時增強電網(wǎng)抵抗事故能力，實現(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，避免因平臺電站出現(xiàn)問題造成整個平臺供電的中斷。

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

（3）可減少備用機組數(shù)量，節(jié)省投資及運行維護(hù)成本。兩平臺可以通過共享一臺備用電站，節(jié)省投資及平臺的占用空間。

2 海洋石油平臺電力組網(wǎng)方案設(shè)計

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

圖1 南海油田群平臺分布圖

南海DPPA、南海DPPB與南海WHPA三個平臺的用電負(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10.5 kV、50 Hz、7600 kW的原油發(fā)電機組，通過海底電纜對其進(jìn)行電力組網(wǎng)。兩個平臺可共享備用發(fā)電機組。

2.1 電力組網(wǎng)電壓等級的選擇

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僅為110 kV的1/3～1/2。因此海纜線路電壓等級推薦采用35 kV。

2.2 電網(wǎng)運行方式計算

本實例對南海DPPA與南海DPPB平臺原油發(fā)電機的單機最大出力按90%額定功率6840 kW考慮，平臺負(fù)荷的功率因數(shù)按0.86考慮。

根據(jù)平臺上的電站開機臺數(shù)以及平臺的負(fù)荷情況，對組網(wǎng)后的六種較典型的運行方式進(jìn)行潮流計算。方式一、三分別為南海DPPB通過海纜聯(lián)絡(luò)線向南海DPPA端輸送電力為一臺發(fā)電機組和兩臺發(fā)電機組最大出力的工況；方式二、四分別為南海DPPA通過海纜聯(lián)絡(luò)線向南海DPPB端輸送電力為一臺發(fā)電機組和兩臺發(fā)電機組最大出力的工況；方式五、六分別為平臺利用海底電纜為另一個待恢復(fù)生產(chǎn)平臺輸送最小電力的工況。

表1 南海DPPA/DPPB平臺潮流計算條件表 單位:kW

續(xù)表

六種典型運行方式下各平臺電站的出力、平臺用電負(fù)荷、海纜的潮流分布以及平臺電壓情況如圖2～7所示。經(jīng)過以上潮流分析，通過調(diào)整各平臺發(fā)電機無功出力與變壓器分接頭，各平臺電壓及發(fā)電機功率因數(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

（1）主變?nèi)萘窟x擇

南海DPPA與南海DPPB分別配置兩臺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，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。上述兩平臺10 kV側(cè)均采用單母線分段接線。

（3）同期點的設(shè)置

南海DPPA與南海DPPB之間的同期點設(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)，同期裝置單獨設(shè)置，布置于相應(yīng)開關(guān)柜內(nèi)。

（4） 35 kV 線路

為充分利用發(fā)電機的發(fā)電能力，同時考慮周邊可能的負(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行，根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(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。

每個中心平臺的兩臺35 kV變壓器中性點共用一組消弧線圈補償裝置，通過聯(lián)動開關(guān)實現(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21.22 kV（），裝設(shè)于主變中性點上，調(diào)節(jié)范圍為65～145 A。

（5） 無功配置

經(jīng)過潮流計算分析，各平臺無需配置電容器。考慮到為增加電壓調(diào)節(jié)手段，避免負(fù)荷低谷期時出現(xiàn)電壓過高，發(fā)電機進(jìn)相運行等情況?？紤]在南海DPPA、南海DPPB及南海WHPA三個平臺分別安裝一組容量為0.5 MVA的10 kV可投切電抗器。

（6）勵磁涌流解決方案

為解決變壓器空載合閘時最大勵磁涌流為額定電流的6～10倍的情況，經(jīng)過方案論證，在主變壓器高壓側(cè)配置涌流抑制器，該涌流抑制器通過變壓器斷電時電壓的分閘相位角獲知此路剩磁的極性，下一次合閘時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)配置了高度自動化的EMS系統(tǒng)，來實現(xiàn)各平臺發(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)各平臺站（DPPA、DPPB、WHPA）。 它的特點是功能高度集成化，即電網(wǎng)的全部監(jiān)視、控制需由一個系統(tǒng)來完成。因此EMS系統(tǒng)功能需包括SCADA/EMS、在線安控和電站自動化等三個功能應(yīng)用群。它的另一個特點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時性為毫秒級，陸上電網(wǎng)EMS系統(tǒng)實時性為秒級。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中心站可以完成對全電網(wǎng)監(jiān)視和控制，包括對電網(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。同時各站EMS系統(tǒng)還能實現(xiàn)如下功能:

a.各發(fā)電機組的監(jiān)視和控制:對發(fā)電機組各種信息如有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)、油溫、油壓、運行狀態(tài)、故障信號等的采集；機組的起停順序控制；機組的同步；機組的頻率［有功］和電壓［無功］調(diào)整等等。

b.斷路器監(jiān)視和控制。

c.站內(nèi)無功功率、無功功率出力的分配調(diào)節(jié)。

d.優(yōu)先脫扣功能。

e.電動機回路啟動管理功能。

f.電網(wǎng)（電站）黑啟動功能。

g.與平臺“關(guān)斷”系統(tǒng)的配合功能。

h.完備的報表、趨勢以及分析工具等當(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/操作員工作站以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。各平臺主機/操作站經(jīng)授權(quán)，可以相互備用。

b.站控層

站控層包括各平臺的現(xiàn)場控制器、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)備的通信并實現(xiàn)在線安控、電站自動化等功能。

c.間隔層

間隔層包括各平臺的繼電保護(hù)測控裝置、測控裝置，包括35 kV線路保護(hù)測控裝置、主變壓器保護(hù)及測控裝置、發(fā)電機保護(hù)測控裝置、10 kV保護(hù)測控裝置、公用測控裝置、UPS等其他智能裝置。站控層的現(xiàn)場控制器通過現(xiàn)場總線對上述間隔層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對各間隔電氣設(shè)備的保護(hù)、測量和控制。

圖8 EMS系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 論

本設(shè)計對海上石油平臺的電力組網(wǎng)進(jìn)行了實踐，解決海纜小型孤立電網(wǎng)組網(wǎng)的技術(shù)難題，為海上平臺電源系統(tǒng)的設(shè)計開辟了新的思路。根據(jù)海洋石油開發(fā)的特點，電網(wǎng)的規(guī)模隨著資源優(yōu)化配置范圍的擴大而擴大，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)展過程，因此海上油田的電力組網(wǎng)在制定方案時除了要滿足本期工程的需要，還要著眼于未來的發(fā)展。

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

［2］陳戎生，戈東方，鐘大文，等.電力工程電氣設(shè)計手冊［M］.1版.北京:中國電力出版社，1989.