梅業(yè)偉 孟曉龍 張 龍 王雨薇

油氣田電氣孤網(wǎng)系統(tǒng)設計要點研究

梅業(yè)偉 孟曉龍 張 龍 王雨薇

（中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 100085）

海外偏遠地區(qū)油氣田地面工程與海洋平臺多利用油田生產(chǎn)的天然氣、伴生氣、原油等為原料建設自備電站，配套相應的輸配電系統(tǒng)，滿足油氣田生產(chǎn)與生活的用電需求。本文結(jié)合油氣田生產(chǎn)特點、實際工程經(jīng)驗與國內(nèi)外技術規(guī)定與要求，從負荷計算、自備電站選型與設計、應急電源設置、系統(tǒng)中性點接地方式等方面對油氣田電氣孤網(wǎng)系統(tǒng)的設計要點進行研究。

孤網(wǎng)系統(tǒng)；自備電站；電氣主接線；中性點接地

海外油氣田及海洋平臺一般自建電站，利用油田生產(chǎn)的天然氣、伴生氣或原油發(fā)電，個別采用柴油發(fā)電，以保證油氣田的生產(chǎn)生活用電。以自建電站為中心，連同電站周邊處理站或平臺、單井、計量站、注水站、脫氣站、轉(zhuǎn)油站等工藝設施的供配電系統(tǒng)，構(gòu)成了一套完整的電氣孤網(wǎng)系統(tǒng)。

近年來，隨著越來越多的中國能源企業(yè)走向海外，加入海外油氣田的勘探與開發(fā)行列，中國企業(yè)接觸到越來越多的海外油氣田電氣孤網(wǎng)系統(tǒng)的設計。本文對油氣田電氣孤網(wǎng)系統(tǒng)設計要點進行歸納總結(jié)，主要考慮海外陸上油氣田，兼顧海洋平臺，希望能夠在類似項目中提高設計效率、保證工程建設的安全可靠以及加快建設進度。

1 負荷分類與計算

1.1 負荷分類

油氣田負荷分類與計算是油氣田電氣系統(tǒng)規(guī)劃與設計的基礎，國外油氣田開發(fā)項目一般將負荷分為連續(xù)運行負荷、間斷負荷、備用負荷3類，用于負荷計算，并根據(jù)工藝生產(chǎn)要求、安全性、可靠性與經(jīng)濟性綜合考慮供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

國外項目對負荷無強制的負荷分級規(guī)定，一般強調(diào)經(jīng)濟性與可靠性的統(tǒng)一，對母線接線方式無強制規(guī)定，具體執(zhí)行中靈活性較大，這與國內(nèi)項目首先按GB 50052對負荷進行分級后確定供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不太一致。

國外項目低壓系統(tǒng)負荷分類可參考IEC 60364-1。根據(jù)負荷對切換時間的不同要求，可將其分為5類。

1.2 負荷計算

油氣田負荷計算是進行設備選型及方案比選的基礎，一般按照不同的工藝系統(tǒng)進行分區(qū)統(tǒng)計，如油處理及原油外輸系統(tǒng)、氣處理及氣外輸系統(tǒng)、污水處理及注水系統(tǒng)、公用設施及站外單井系統(tǒng)等。站外油井采用電潛泵時，實際負荷與原油含水率關系較大，需重點考慮其逐年的實際負荷率。

負荷計算一般依賴于長期經(jīng)驗得來的各種系數(shù)及各用電設備與設施的實際運行特點，一般可采用下面幾種方法進行計算。

對于陸上油氣田站場生產(chǎn)裝置（或單元）的機泵等用電設備，可采用軸功率法計算；對于機械采油、機修、化驗室、辦公室等單元的用電設備，可按需要系數(shù)法進行計算，結(jié)合工藝生產(chǎn)情況得出相應的最大、最小負荷。

在進行海洋平臺電力負荷計算時，考慮的工況較多，典型工況大致可分為：①正常生產(chǎn)和生活時的正常工況；②發(fā)生火災時的消防和逃生的應急工況；③主發(fā)電機維修或發(fā)生故障時，為防止海底管線堵塞，對海底管線進行油水置換的應急置換工況。根據(jù)上述工況按連續(xù)、備用和間斷負載來區(qū)分各種用電設備的不同運行狀態(tài)；確定各用電設備的負載系數(shù)，計算各用電設備的所需功率，并計算出各工況下所需總功率；在上述計算結(jié)果的基礎上，考慮網(wǎng)絡損失，計算出所需總功率。

國外油氣田負荷一般基于連續(xù)（）、間斷負荷（）與備用負荷（）的分類計算總運行負荷與峰值負荷，其中峰值負荷用于選擇供電變壓器與發(fā)電容量。

（2）

式中，為總運行負荷；為峰值負荷；c、i、s分別為連續(xù)、間斷、備用負荷的負荷系數(shù)，取值一般分別為1.0、0.3、0.1。

2 孤網(wǎng)系統(tǒng)方案

油氣田電力負荷主要包括處陸上處理站內(nèi)或綜合平臺上的油、氣、水、公用系統(tǒng)及處理站周邊的單井或井場平臺等。油氣田電氣孤網(wǎng)系統(tǒng)方案應在工藝方案的基礎上，結(jié)合負荷計算結(jié)果進行規(guī)劃和設計，滿足前述負荷的用電需求，保證工藝生產(chǎn)安全、連續(xù)運行及必要的生活用電，主要包括發(fā)電、輸電、變電、配電幾個環(huán)節(jié)。

孤網(wǎng)系統(tǒng)的核心為自備電站，小規(guī)模油氣田一般一座自備電站既能滿足負荷需求，地理位置較分散的小規(guī)模油氣田也可能幾座自備內(nèi)燃機電站，電站間一般不聯(lián)網(wǎng)。大規(guī)模油氣田一般有一座或幾座電站，電站間一般需要聯(lián)網(wǎng)，形成規(guī)模較大的電氣孤網(wǎng)系統(tǒng)。圖1給出了一個比較典型的油氣田孤網(wǎng)系統(tǒng)電氣主接線圖，一座3×5.5MW快速上產(chǎn)階段燃氣輪機電站，一座后續(xù)5×30MW主燃氣輪機電站，三座變電?？焖偕袭a(chǎn)階段電站與主電站通過132kV架空輸電線路聯(lián)網(wǎng)，在主電站投運后快速上產(chǎn)階段可轉(zhuǎn)為備用電站。

圖1 某油田孤網(wǎng)系統(tǒng)電氣主接線圖

自備電站的具體數(shù)量主要是依據(jù)工藝方案的處理站和平臺布置方案、各生產(chǎn)區(qū)塊負荷大小及與電源距離。油氣田典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有集中建站與分散建站兩種。

1）集中建站的主力電站一般毗鄰油氣田中心處理站，再經(jīng)架空輸電線路或動力電纜將電能輸送至站外系統(tǒng)，中心處理站及各站外設施分別建配電系統(tǒng)。

2）分散建站的各電站一般毗鄰各油氣田中心處理站，為中心處理站及其周邊站外設施供電，各電站之間是否聯(lián)網(wǎng)根據(jù)實際需求、站間距離及技術經(jīng)濟性確定。

海洋平臺孤網(wǎng)系統(tǒng)設計與陸上系統(tǒng)原則一致，綜合平臺集中或分散發(fā)電也是取決于平臺距離及各平臺負荷，采用集中發(fā)電時，采用海底電纜為周邊平臺供電。

3 自備電站設計

3.1 機組選型

機組選型主要根據(jù)燃料類型及品質(zhì)、油田負荷及開發(fā)方案等選擇：①負荷不大時，燃料氣品質(zhì)較好，可以采用內(nèi)燃機燃氣發(fā)電機組；②燃料氣品質(zhì)不太好，可以采用柴油與天然氣或伴生氣混燒內(nèi)燃機發(fā)電機組；③油氣比較低的油田，或者天然氣&伴生氣品質(zhì)太差導致燃氣發(fā)電技術經(jīng)濟性較差，也可采用原油發(fā)電機組，條件允許的情況下也可有少數(shù)采用柴油發(fā)電機組的情況。

負荷較大時，一般采用透平發(fā)電機機組，多選用雙燃料或者燃氣機組與雙燃料機組按比例配置。

根據(jù)設計經(jīng)驗及目前主要制造水平，陸上油田一般單機功率3MW以上優(yōu)先選用燃氣輪機發(fā)電機組，但是根據(jù)實際情況，3～8MW也可選用內(nèi)燃機發(fā)電機組。海洋平臺一般單機功率1.5MW以下選用內(nèi)燃機發(fā)電機組，1.5～3MW按技術經(jīng)濟性考慮，3MW以上選用燃氣輪機發(fā)電機組。

3.2 電壓等級及機組數(shù)量

陸上油氣田發(fā)電機組額定電壓等級一般結(jié)合項目所在地的標準電壓進行選擇，典型電壓等級為11kV與6.6kV，小型電站也可直接采用0.4kV。

在滿足安全可靠的前提下，海洋平臺的電壓等級選擇還需考慮設備的尺寸、質(zhì)量等因素，如國內(nèi)海洋平臺工程經(jīng)驗表明，輸送相同的功率（500kVA）以上，10kV的線路比6kV的線路節(jié)省有色金屬40%。因此，在均能滿足電能需求的情況下，海洋平臺還應考慮選擇的電壓等級應能減小電氣設施和設備的總體重量。

發(fā)電機組數(shù)量一般需考慮油氣田開發(fā)方案、電站管理與維修、機房布置或者建設場地、機組的經(jīng)濟運行工況、機組備用率等因素。

陸上油氣田自備電站為一次規(guī)劃建設時，機組數(shù)量宜為3～5臺；分期建設時，根據(jù)不同開發(fā)階段，尤其是有些油氣田早投階段負荷較小，后續(xù)開發(fā)單井潛液泵、注水、天然氣處理等負荷較大，電站的規(guī)劃和建設也可分為早投階段電站和后期主力電站兩部分，兩部分可分別獨立建設后并網(wǎng)，也可統(tǒng)一建設，但并聯(lián)運行的機組功率之比應不超過3∶1，且具有相似的調(diào)速特性。

海洋平臺一般以3臺或4臺為佳，6臺及以上除特殊情況一般不宜采用。

3.3 電站主接線

電站主接線與電站在系統(tǒng)中的地位、裝機容量、負荷重要性及出線回路數(shù)量、油氣田近期開發(fā)方案及遠期規(guī)劃來確定。

33kV及以下的中低壓系統(tǒng)優(yōu)先采用單母分段接線方式，主要工藝系統(tǒng)設備一般采用+1或者+2設置，將相應工藝設備分散布置在兩端母線上，正常并列運行，一段失電或檢修，另一段母線帶全部負荷，從工藝與電氣兩個方面共同提高系統(tǒng)可靠性。132kV系統(tǒng)接線方式需結(jié)合在系統(tǒng)中的地位、可靠性要求、進出線回路數(shù)確定，主電站或變電站多采用雙母線接線方式，進出線數(shù)量較少時可采用單母線接線方式，終端變電站也可采用橋形接線或線路變壓器組接線方式。發(fā)電機組單機容量較大時，采用發(fā)電機—變壓器組接線方式，將發(fā)電機出口電壓升至33kV或132kV，部分地區(qū)也可采用66kV電壓等級，具體應用需結(jié)合發(fā)電容量、設備制造水平、站外輸電系統(tǒng)輸送容量等確定匯流母線電壓等級。對于小型電站與無重要負荷的小型配電室，也可直接采用單母線接線方式。

4 輸配電系統(tǒng)設計

輸電系統(tǒng)主要是將電站的電能輸送至站外系統(tǒng)負荷，保證油氣田的安全、持續(xù)生產(chǎn)，一般優(yōu)先采用環(huán)網(wǎng)或干線式供電結(jié)構(gòu)。陸上油田采用站外架空線路或動力電纜為站外系統(tǒng)輸電；海洋平臺采用海底電纜為周圍井口平臺輸電。

配電系統(tǒng)主要包括處理站內(nèi)或綜合平臺的配電。油氣田規(guī)模不大時，自備電站變電站與處理站或平臺變電站合建，采用單母分段接線方式，為整個油氣田供電。油氣田規(guī)模較大時，處理站內(nèi)或綜合平臺可在工藝處理區(qū)分別設置變電站，一般均采用單母分段接線方式，為原油處理區(qū)、天然氣處理區(qū)、水處理區(qū)等供電，各區(qū)變電站兩段母線分別引自電站的不同母線。

站外設施配電系統(tǒng)接線方式主要根據(jù)負荷重要性、技術經(jīng)濟性來確定。站外系統(tǒng)采用雙回路或環(huán)網(wǎng)供電時，站外設施的變電站一般采用單母分段，雙進線帶互投功能；當站外采用132（66）kV直供系統(tǒng)時，站外各負荷中心變電站可雙母線接線方式；生產(chǎn)設施極為簡單的單井，可由ESP撬變壓器提供400V AC 50Hz抽頭供電，不另設井口配電設施。

5 中性點接地方式

中性點接地方式可參考國內(nèi)規(guī)范及技術規(guī)定。發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生單相接地故障要求瞬時切機時，中性點宜采用高電阻接地方式。對于主要由電纜構(gòu)成的6.6～33kV油氣田配電系統(tǒng)，單相接地故障電容電流較大時，可采用中性點低電阻接地方式。6.6kV和11kV配電系統(tǒng)單相接地故障電纜不大于7A。為防止諧振、間歇性電弧接地過電壓等對設備的損害，可采用高電阻接地方式。

對于孤網(wǎng)系統(tǒng)中壓變壓器中性點的接地，需要考慮供電可靠性、系統(tǒng)的絕緣耐受水平、繼電保護靈敏性、輸配電系統(tǒng)的電容電流。油氣田電力系統(tǒng)有大量的電纜，電容電流較大，一般采用電阻接地，高壓及低壓繞組中性點一般直接接地。

6 應急電源

油氣田應急電源主要有獨立于正常電源的發(fā)電機組、UPS不間斷電源、EPS應急電源、蓄電池。當有外部后備電源時，若有自投功能且為專用饋線的供電回路，則可作為應急電源。

發(fā)電機組多選應急柴發(fā)，為安全、必須連續(xù)運行的工藝設備、如儀表風、熱媒爐、消防泵、自然條件極為惡劣地區(qū)的制冷或供暖設備及設施。應急發(fā)電機組在投產(chǎn)初期或在電站失電后重起過程中也需為一些生產(chǎn)或工藝設施供電，即為黑起動工況供電。陸上油氣田油料儲備量應根據(jù)應急時間確定，海洋平臺電動消防泵、所有控制站和機器控制室等應急供電持續(xù)時間需不小于18h，平臺油料儲備量應滿足要求。

UPS不間斷電源為通信、儀表系統(tǒng)及設備供電；EPS應急電源一般用于保證對供電連續(xù)性要求極高的設備或設施；蓄電池組可作為平臺導航燈等的應急電源。

7 控制系統(tǒng)

油氣田控制系統(tǒng)一般包括電站控制系統(tǒng)及變電站站控系統(tǒng)。

1）電站控制系統(tǒng)一般由電站控制系統(tǒng)（PMS）、發(fā)電機組單機控制盤（UCP）、電站輔助設施控制系統(tǒng)構(gòu)成。PMS和UCP一般可由發(fā)電機廠家成套提供，滿足電站的控制、低周減載、同期并機運行等功能；UCP為發(fā)電機組的單機控制單元，對發(fā)電機組進行直接控制，并可與PMS通信，上傳發(fā)電機組狀態(tài)及接收PMS的控制命令。電站輔助設施控制系統(tǒng)主要是燃料供應控制系統(tǒng)，輪機可能還會有相應的供水控制系統(tǒng)，這些輔助控制系統(tǒng)接入電站PMS，進行狀態(tài)上傳并在PMS控制下保證電站輔助系統(tǒng)滿足電站的安全、平穩(wěn)運行。

2）變電站站控系統(tǒng)（EICS & IMCS）主要是協(xié)助上級控制系統(tǒng)對配電系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控，監(jiān)控對象一般包括中壓開關柜、UPS、直流系統(tǒng)、低壓進線及母聯(lián)、變頻器等設備。系統(tǒng)規(guī)模較小時，上述設備直接接入PMS系統(tǒng)，系統(tǒng)規(guī)模較大時，油氣大型陸上油氣田電氣系統(tǒng)，必要時還需建設電力SCADA系統(tǒng)，集中監(jiān)控與調(diào)度各發(fā)電站及變電站。單井配電系統(tǒng)是否需要遠程架空需根據(jù)油氣田生產(chǎn)特點及工程的技術經(jīng)濟型綜合確定。

8 結(jié)論

石油與天然氣是主要的一次能源，中國及世界范圍內(nèi)的需求量巨大，但隨著勘探難度的不斷增加，偏遠地區(qū)及海洋是傳統(tǒng)油氣行業(yè)的勘探開發(fā)重點，而油氣田地面工程電氣孤網(wǎng)系統(tǒng)是保證其生產(chǎn)的關鍵，因此不斷總結(jié)并優(yōu)化其設計十分必要。本文對油氣田地面工程電氣孤網(wǎng)系統(tǒng)的主要設計內(nèi)容及相應的要點，在結(jié)合國內(nèi)外設計標準及工程經(jīng)驗的基礎上進行了總結(jié)與歸納，希望能為類似工程提供一些思路和借鑒。

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Design Summary of Oil & Gas Field Independent Power System

Mei Yewei Meng Xiaolong Zhang Long Wang Yuwei

(China Petroleum Engineering Co., Ltd, Beijing, Beijing 100085)

Remote oversea offshore oil and gas field surface engineering facilities and onshore platform are normally powered by self-powered station using the natural gas, associated gas or crude oil, etc. and combined with relevant power transmission & distribution system to fuifill the power demand for production and living. This paper summarizes the key technical design points for oil & gas field independent power system integrated with the requirements of china and oversea standards, technical sepcifications. These key technical design points include load calculation, self-powered station selection and design, emergency power system design, system neutral grounding design, etc.

independent power system; self-powered station; bus arrangement; neutral grouding

梅業(yè)偉（1985-），男，河南信陽人，碩士研究生，工程師，主要從事油氣田地面工程電力系統(tǒng)設計工作。