劉 萍，郭 駿

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 油田建設(shè)工程分公司，天津300452)

0 引言

SZ36-1 二期WHPE 平臺隨著外掛平臺調(diào)整井逐漸投產(chǎn)、大泵提液項目的進行，以及注水泵投運數(shù)量的增加，最終導(dǎo)致E 平臺的用電負(fù)荷越來越高，已經(jīng)逼近主變壓器的額定容量，在保證油氣生產(chǎn)不受影響的前提下，降低主變負(fù)荷率，保障油田正常生產(chǎn)已對井口平臺電力負(fù)荷管理帶來了很嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

由于國家對石油能源需求不斷增加，綏中作業(yè)區(qū)油氣生產(chǎn)任務(wù)艱巨。因此，如何能夠在不影響生產(chǎn)的情況下解決E 平臺供電主變壓器負(fù)荷率偏高的問題便成為研究的重點問題。

結(jié)合上述電力供需矛盾和不允許停產(chǎn)的要求，對E 平臺現(xiàn)場情況進行了仔細(xì)分析，并對其電能質(zhì)量進行了檢測，發(fā)現(xiàn)其低壓側(cè)母線功率因數(shù)及電壓都偏低，存在很大的無功補償余量，據(jù)此提出在E 平臺低壓母線增加無功補償裝置，通過減少E 平臺整體無功功率來達(dá)到降低主供電變壓器的負(fù)荷率，并提高E 平臺電能質(zhì)量的目的。同時，無功補償后E 平臺供電線路電流減小，相應(yīng)損耗也會降低，將產(chǎn)生明顯的節(jié)能減排效果。

由于補償裝置容量占E 平臺整體負(fù)荷容量比重較大，因此，無功補償裝置對E 平臺電力系統(tǒng)電壓、諧波等電能質(zhì)量重要指標(biāo)會產(chǎn)生明顯影響，因此，在項目實施前創(chuàng)新性的使用DDRTS(電力系統(tǒng)實時暫態(tài)仿真系統(tǒng))對加入無功補償后電力系統(tǒng)的運行情況進行仿真分析，利用該項技術(shù)來對無功補償安裝可行性及效果進行評估。

1 無功補償技術(shù)簡介

1.1 無功補償技術(shù)原理

電力系統(tǒng)中的許多電設(shè)備是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，如電動機需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動;變壓器需要無功功率建立磁場，使二次線圈感應(yīng)出電壓，在這個過程中消耗的功率稱之為無功功率，因此，無功功率并不是沒有用的功率。無功功率雖然不可缺少，但是真正對負(fù)荷做功的是有功功率，并且由于無功功率同樣由電源供給，由輸電線路輸送至負(fù)荷，當(dāng)電力系統(tǒng)無功功率比重較大時，發(fā)電機、供電線路和變壓器容量都要增大，不僅增加供電投資、降低設(shè)備利用率，也增加了線路損耗。因此，降低電力系統(tǒng)無功流動對維護平臺電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，降低電源容量浪費和輸電線路損耗具有重要的意義［3］。

無功補償裝置的作用即是通過容性負(fù)荷發(fā)出感性設(shè)備所消耗的部分無功功率，如無功補償裝置裝設(shè)在負(fù)載側(cè)，則負(fù)載側(cè)的無功功率部分由所在地的無功補償裝置提供，從而降低供電線路功率，實現(xiàn)降低線損的目的。

1.2 無功補償裝置作用

1.2.1 提高輸變電系統(tǒng)設(shè)備利用率

電力系統(tǒng)輸變電設(shè)備容量是有限的，它的實際傳輸功率由有功功率和無功功率組成，由下式進行計算:

式中:S 為輸變電系統(tǒng)傳輸視在功率，(kVA);P為輸變電系統(tǒng)傳輸有功功率，(kW);Q 為輸變電系統(tǒng)傳輸無功功率，(kVar)。

由上式可見，當(dāng)輸變電系統(tǒng)傳輸同樣有功功率時，如果傳輸?shù)臒o功功率下降，則實際系統(tǒng)傳輸?shù)娜萘恳哺S下降，換言之，同樣容量的輸變電系統(tǒng)可以傳輸更多的有功功率。因此，無功補償裝置可以顯著提升輸變電系統(tǒng)的容量利用率。

1.2.2 降低線路損耗

電流在供配電線路及變壓器繞組中傳輸過程中將產(chǎn)生損耗，三相交流輸電系統(tǒng)功率損耗由下式進行計算:

式中:I 為線路電流，(A);U 為線路電壓，(V);R 為每相線路電阻，(Ω)。

可見在輸送有功功率不變的情況下，ΔP 與cosφ 成反比，由于無功補償裝置有效提高了功率因數(shù)，因此，可以明顯降低線路功率損耗，達(dá)到降損節(jié)電的目的。

1.2.3 降低系統(tǒng)電壓損失，提高末端電壓水平

由于輸變電系統(tǒng)存在阻抗，當(dāng)負(fù)荷電流通過時，會在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生壓降，使末端電壓降低，線路產(chǎn)生的電壓損失由下式計算:

式中:X 為線路及變壓器電抗，(A);UN為線路額定電壓，(V)。

由此可見，電壓損失包含有功和無功損失兩部分。由于平臺使用的電纜截面積較大，因此無功部分損失較大，當(dāng)采用無功補償技術(shù)后，無功部分電壓降低，從而提升末端電壓。

通過式(3)，可以發(fā)現(xiàn)越靠近負(fù)載側(cè)，負(fù)載電流所經(jīng)傳輸線路電抗越大，功率及電壓損耗越大，因此，采用負(fù)載側(cè)無功就地補償技術(shù)可以使補償效果最大化。

2 SZ36-1WHPE 平臺無功就地補償仿真研究

2.1 無功補償裝置安裝點選擇

理想情況下無功補償裝置容量應(yīng)滿足動態(tài)調(diào)整需求，但結(jié)合不允許因安裝補償器停產(chǎn)并且安裝空間狹小的平臺現(xiàn)場實際情況，所以選擇通過630 A 備用開關(guān)作為補償器與低壓母線的連接節(jié)點，但這在一定程度上限制了無功補償容量。

結(jié)合現(xiàn)場情況，無功補償裝置的接入點定為變壓器W1-TRN-02 和W1-TRN-03 低壓側(cè)對應(yīng)的400 V 母線上，如圖1 所示。

圖1 SZ36-1 WHPE 平臺無功補償裝置安裝地點

2.2 無功補償仿真研究

SZ36-1WHPE 平臺電力系統(tǒng)電氣設(shè)備數(shù)學(xué)模型參數(shù)采用《綏中36-1Ⅱ期油田、旅大油田及綏中36-1Ⅰ期調(diào)整電力組網(wǎng)工程項目詳細(xì)設(shè)計——電氣部分》中相關(guān)電氣參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場電能質(zhì)量檢測采集的當(dāng)前運行負(fù)荷數(shù)據(jù)及設(shè)備運行情況搭建最大負(fù)荷工況下WHPE 平臺潮流分析模型。

由于無功補償裝置會顯著抬升末端電壓，因此需要對當(dāng)前工況潮流進行仿真分析，同時對就地補償效果進行評估。

2.2.1 未加無功補償，系統(tǒng)當(dāng)前工況潮流仿真

對當(dāng)前工況下未投入無功補償裝置進行系統(tǒng)潮流分析主要目的為校驗系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定是否合理，潮流計算結(jié)果應(yīng)與現(xiàn)場實際工況相吻合。圖2 所示為當(dāng)前工況下未投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖。

圖2 當(dāng)前工況下未投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖

2.2.2 進行無功就地補償后(每段各補償350 kVar)，系統(tǒng)當(dāng)前荷工況潮流仿真

對當(dāng)前工況下投入無功補償裝置進行系統(tǒng)潮流分析可以發(fā)現(xiàn)無功補償裝置顯著降低了主變負(fù)載率，由83%下降至75%，無功補償裝置安裝地點A 段母線電壓由381 V 提升至391 V，B 段母線電壓由385 V 提升至390 V，提升效果明顯，并在合理范圍內(nèi)。圖3 所示為當(dāng)前工況下投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖。

圖3 當(dāng)前工況下投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖

通過上述仿真表明，在當(dāng)前工況下，裝設(shè)無功就地補償裝置效果明顯，不會產(chǎn)生末端電壓過高的風(fēng)險。

為了保證在最大工況下供電變壓器的可靠性，還需要對系統(tǒng)最大負(fù)荷工況進行潮流分析。

2.2.3 未投入無功補償，系統(tǒng)最大負(fù)荷工況潮流仿真

通過仿真分析發(fā)現(xiàn)如不增加無功補償裝置，E平臺在未來預(yù)測最大負(fù)荷下主供電變壓器將發(fā)生超載。同時，LA 段電壓下降至373 V，LB 段電壓下降至368 V，對電氣設(shè)備安全運行構(gòu)成一定影響，此種情況下平臺只能通過降低負(fù)載來維持電力系統(tǒng)正常工作，進而造成生產(chǎn)不便甚至減產(chǎn)。圖4 所示為最大負(fù)荷工況下未投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖。

2.2.4 進行無功就地補償后(每段各補償350 kVar)，系統(tǒng)最大負(fù)荷工況潮流仿真

圖4 最大負(fù)荷工況下未投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖

圖5 最大負(fù)荷工況下投入無功補償裝置系統(tǒng)潮流分布圖

由圖5 可見，增加無功補償裝置后，有效避免了主供電變壓器超載的可能性，LA 段電壓提升至384 V，LB 段電壓提升至379 V，無功補償裝置接入點電壓抬升在合理范圍內(nèi)，因此增加無功補償裝置方案具有可行性。

3 SZ36-1WHPE 平臺無功補償就地補償實施效果

3.1 投入無功補償后系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測結(jié)果

經(jīng)無功補償后，SZ36-1 WHPE 平臺主供電變壓器的負(fù)荷率有了明顯的下降，同時，負(fù)荷側(cè)母線電壓及諧波情況都有了明顯的改善，無功補償裝置投入前后A 段母線受總ACB1 及B 段母線受總ACB2 的電能質(zhì)量檢測結(jié)果如表1，2 所示。

表1 ACB1 電能質(zhì)量分析結(jié)果

表2 ACB2 電能質(zhì)量分析結(jié)果

3.2 投入無功補償后供電變壓器CEP-TRN-01 負(fù)載率變化情況

WHPE 平臺經(jīng)無功補償后，同等工況下WHPE 平臺供電變壓器CEP-TRN-01 無功負(fù)荷由2 119 kVar 降低至1 491 kVar，共降低628 kVar，負(fù)荷率則由81．8%降低至76．5%，共降低5．3%，為供電變壓器出節(jié)約265 kVA 的載荷容量，同時將其負(fù)荷功率因數(shù)由0．85 提升至0．92。

由補償前后電能質(zhì)量測試結(jié)果可以明顯發(fā)現(xiàn)各電氣運行數(shù)據(jù)得到明顯改善，電力系統(tǒng)末端電壓和功率因數(shù)得到顯著上升。同時，由于電抗器與電容器構(gòu)成諧振電路，降低了各次諧波的含量，致使THD(總諧波畸變率)有了明顯下降。

4 無功補償節(jié)能減排效果

WHPE 平臺供電變壓器CEP-TRN-01 經(jīng)無功補償后無功功率下降630 kVar，從電源至E 平臺0．4 kV 母線共經(jīng)6．3 kV/10．5 KV/0．4 kV 三次變壓，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB12497 《三相異步電動機經(jīng)濟運行》中的規(guī)定按照無功經(jīng)濟當(dāng)量的三次變壓取值，則有:KQ=0．08～0．1 選取中值0．09。暨:630 ×0．09=56．7 kW。按1 kW·h=0．1 mm3油田天然氣(《GB/T 2589-2008:綜合能耗計算通則》)，1 度電排放0．216 kg 二氧化碳(《省級溫室氣體清單編制指南 發(fā)改委氣候【2011】1041號》)計算，則無功補償柜運行1 年(全天運行):

節(jié)電40 824 ×12=489 888 kW·h;節(jié)氣4 082 ×12=48 984 mm3油田天然氣;減排8 820 ×12=105 840 kg 二氧化碳;

可見無功就地補償節(jié)能減排效果非常顯著。

5 就地?zé)o功補償實施在實際工作中需要注意的問題

就地?zé)o功補償可以改善系統(tǒng)無功潮流分布，提高功率因數(shù)及電能質(zhì)量，但在海洋平臺施工過程中，需要注意以下幾點:

(1)相對陸地電網(wǎng)，海洋鉆井平臺空間狹小，對無功補償裝置的體積有嚴(yán)格限制，因此在實施無功補償前，需對安裝環(huán)境進行調(diào)研，這與陸地電網(wǎng)按補償容量選擇補償裝置的原則有很大區(qū)別;

(2)無功補償方案制定前應(yīng)先對補償點進行電能質(zhì)量檢測，分析補償點的電壓和諧波情況，合理選擇補償方式和消諧電抗器參數(shù)，如補償點電壓偏高，則宜采用有源濾波器，避免因安裝無功補償裝置造成系統(tǒng)電壓過高，威脅油氣安全生產(chǎn);

(3)海洋石油平臺屬易燃、易爆高危環(huán)境，因此無功補償施工必須將安全和可靠性放在首位，無功補償裝置應(yīng)考慮安裝通訊裝置與電源管理系統(tǒng)連接，以便實時監(jiān)控其運行狀態(tài)。必要時，應(yīng)為中控系統(tǒng)提供干接點，以便緊急情況遠(yuǎn)程關(guān)斷。

6 結(jié)論

首次在海洋石油系統(tǒng)內(nèi)采用無功補償裝置解決因井口平臺負(fù)荷增加帶來的主供電變壓器超載運行隱患，并帶來電能質(zhì)量提高、產(chǎn)生節(jié)能減排等一系列附加價值，為未來處理平臺電力系統(tǒng)供需矛盾提供了一種新思路。同時，采用DDRTS 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)搭建平臺電力系統(tǒng)模型，為項目實施前進行可行性分析和效果預(yù)評價提供了新的技術(shù)手段。

該工程的實施能夠在解決海洋石油平臺電力系統(tǒng)供求矛盾問題的同時，帶來電能質(zhì)量提高以及顯著的節(jié)能減排效益，符合國家提倡的創(chuàng)建節(jié)約型社會以及節(jié)能減排戰(zhàn)略。

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