孟凡然

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司， 天津 300452)

0 引 言

我國海洋石油平臺主要采用燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組作為主電站，一般在陸地建造階段主電站就必須完成安裝和調(diào)試。近年來隨著渤海油田的開發(fā)，平臺分布也相對密集，一些平臺通過海底電纜將主電站組成電網(wǎng)，形成區(qū)域化供電模式。但是這些區(qū)域電網(wǎng)也面臨著改造的需要，而對于如何改造，特別是投產(chǎn)狀態(tài)下的海洋平臺如何避免新增電站并入電網(wǎng)的沖擊，國內(nèi)還沒有系統(tǒng)的方法總結(jié)。本文采用將平臺供電系統(tǒng)“分段隔離+反送電”的方法，成功實現(xiàn)了投產(chǎn)狀態(tài)下的并網(wǎng)試驗，同時合理利用一部分平臺負(fù)載用于試驗，節(jié)約了試驗資源，可為今后大型電站在海上平臺的并網(wǎng)調(diào)試提供參考。

1 項目概述

渤海墾利油田群包括BZ35-2區(qū)塊、KL3-2區(qū)塊和KL10-1區(qū)塊，該油田群電網(wǎng)由9臺額定功率為10 500 kW的索拉泰坦130燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組(Gas Turbine Generator，GTG)并網(wǎng)組成，通過能量管理系統(tǒng)(Energy Management Syste，EMS)組成電網(wǎng)并控制負(fù)荷分配。9臺電站分包位于各自區(qū)塊的中心平臺(Central Equipment Platform，CEP)上。隨著新油田的接入和油田群內(nèi)更多新井投產(chǎn)，現(xiàn)有電網(wǎng)容量已不能保證油田群高峰期的用電需求，需要在BZ35-2CEPA平臺新增1臺泰坦130機(jī)組并與其余9臺機(jī)組并網(wǎng)，以滿足油田群日趨增長的用電需要。擴(kuò)容后的油田群電網(wǎng)如圖1所示。

圖1 墾利油田群電網(wǎng)示例

2 負(fù)載試驗方案確定

本次新增發(fā)電機(jī)組調(diào)試的主要內(nèi)容為:(1)單機(jī)運(yùn)行25%、50%、75%和100%額定負(fù)載試驗；(2)單機(jī)運(yùn)行0～50%負(fù)荷突加/突卸試驗；(3)單機(jī)100%～0負(fù)荷突卸試驗；(4)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行有功、無功分配試驗。發(fā)電機(jī)組的額定運(yùn)行是指其輸出電壓、電流、頻率、功率因數(shù)都達(dá)到額定值，因此調(diào)試用負(fù)載必須保證能夠滿足以上所有調(diào)試需求，備選方案有以下3個：

(1) 將機(jī)組直接并入電網(wǎng)調(diào)試。這種方案不需要模擬負(fù)載，成本最低，但風(fēng)險很大。由于試驗地點是生產(chǎn)平臺，機(jī)組突加/突卸對電網(wǎng)擾動很大，極有可能造成電網(wǎng)失電和平臺停產(chǎn)，生產(chǎn)平臺無法接受直接并網(wǎng)帶來的風(fēng)險，故不推薦此方案。

(2) 使用干式負(fù)荷裝置加載。干式負(fù)荷裝置(俗稱干電阻)是將干式電阻器和帶氣隙的鐵芯電抗器集成在1個集裝箱內(nèi)分別作為有功和無功負(fù)載，箱內(nèi)配有強(qiáng)制通風(fēng)風(fēng)機(jī)，阻值基本不會受到電流和溫度的影響，有功、無功功率調(diào)節(jié)都非常準(zhǔn)確方便，且設(shè)備便于運(yùn)輸；缺點是租金相對較高，技術(shù)上優(yōu)先推薦使用此方案。

(3) 使用水電阻加載。在大容器中注入鹽水，用電極板引出接線，即構(gòu)成水電阻有功負(fù)載，同時配備電抗器作為無功負(fù)載。水電阻租金相對干電阻低，但是操作復(fù)雜，其負(fù)載大小與水量、鹽度相關(guān)，加載后水分蒸發(fā)會造成阻值不穩(wěn)，須操作人員隨時補(bǔ)水或放水，很難精確調(diào)節(jié)到25%、50%、75%和100%額定負(fù)載。另外，水電阻的尺寸重量較大，實際運(yùn)行中由于水的沸騰還需要一片較大的安全隔離區(qū)，需安裝專門的試驗臺，不適合在生產(chǎn)平臺這種空間相對狹小的環(huán)境中試驗，故不推薦此方案。

3 詳細(xì)調(diào)試方案設(shè)計

3.1 不斷電調(diào)試方案的設(shè)計和理論依據(jù)

周邊油田滾動開發(fā)是渤海油田開發(fā)的新趨勢，新油田的持續(xù)接入往往需要將原電網(wǎng)擴(kuò)容來滿足增長的用電需求。在渤海以往類似項目中，習(xí)慣性的做法是將平臺停產(chǎn)，首先保證調(diào)試的安全進(jìn)行，但是會造成一定的產(chǎn)量損失。為了積極響應(yīng)低油價形勢下“降本、提質(zhì)、增效”的號召，本項目力求在不斷電、不停產(chǎn)的條件下完成機(jī)組調(diào)試。

通過研究BZ35-2CEPA平臺電氣單線圖(見圖2)發(fā)現(xiàn)：該平臺透平電站輸出的10.5 kV電直接到中壓盤，中壓盤被母聯(lián)開關(guān)VCB105分隔為MA、MB 2段。本次新增機(jī)組D機(jī)位于MA段。由圖2得知：MA段和MB段分別有獨立的通路分別向低壓盤和高壓盤供電，而平臺生產(chǎn)設(shè)備也在MA、MB段均勻分布且互為備用。如果能確定平臺MA和MB段單段能夠獨立運(yùn)行且互不影響，即可考慮將中壓母聯(lián)開關(guān)VCB105斷開，將MA段用于新機(jī)組調(diào)試，MB段正常向平臺生產(chǎn)和生活設(shè)施供電。

圖2 BZ35-2CEPA電氣系統(tǒng)單線圖

根據(jù)《海洋石油工程設(shè)計指南》第3冊第2章的描述：“當(dāng)主電站是由2臺以上的發(fā)電機(jī)組成時，應(yīng)將主配電盤至少分成2個獨立的分段，每段至少由1臺發(fā)電機(jī)供電，分段匯流排之間的連接通過母聯(lián)開關(guān)實現(xiàn)?！边@種供電方式的優(yōu)點是：如果匯流排的一側(cè)需檢查和測試時，可以斷開母聯(lián)開關(guān)，通過連接到另一側(cè)匯流排上的發(fā)電機(jī)繼續(xù)為油田的用電設(shè)備供電。當(dāng)某路饋線發(fā)生短路故障時，由于母聯(lián)開關(guān)的迅速跳開，切斷了另一側(cè)匯流排上供給的短路電流，使饋線上的短路電流相應(yīng)減少。BZ35-2CEPA平臺正是采取這種分段設(shè)計的，中壓盤MA、MB段都有獨立帶動全平臺負(fù)載的能力，因此將新增D機(jī)所在的MA段單獨隔離出來進(jìn)行調(diào)試是完全可行的。但是，由于新增D機(jī)所在的MA段須隔離，同樣位于MA段的BZ35-2WHPA平臺可能會受到影響?？紤]到WHPA平臺的主要負(fù)載為井口設(shè)施，負(fù)載相對較少，為了避免WHPA平臺停產(chǎn)，可以在MA段隔離前啟動BZ35-2CEPA平臺上的應(yīng)急發(fā)電機(jī)給WHPA應(yīng)急盤LE段送電，通過應(yīng)急盤母聯(lián)開關(guān)ACB5反送電至WHPA低壓盤，維持WHPA平臺生產(chǎn)用電。

3.2 調(diào)試方案的不足與再優(yōu)化

3.1節(jié)中“分段隔離+反送電”的方案雖然可以滿足平臺不停產(chǎn)調(diào)試的需求，但是仍有不足之處。特別是如果參照以往項目的做法，租用與單臺機(jī)組容量匹配的干電阻，干電阻的數(shù)量需要4套，會產(chǎn)生以下幾方面的問題。

圖3 干電阻擺放示例

(1) 施工現(xiàn)場位于投產(chǎn)平臺，空間相對狹小，擺放干電阻等大型設(shè)備的空間也相對緊張。干電阻擺放示例如圖3所示，擺放4套干電阻和變壓器的空間預(yù)計為23 m×20 m，投產(chǎn)平臺很難提供這么大的空間。

(2) 4臺干電阻就位后，臨時電纜的鋪設(shè)、連接和盤柜繼電保護(hù)系統(tǒng)的臨時整定需要協(xié)調(diào)平臺提供4臺中壓盤用于連接。這部分工作對投產(chǎn)平臺的正常生產(chǎn)秩序有較大影響，協(xié)調(diào)難度較大，施工費(fèi)用也相對較高。

通過分析可知：干電阻是所有調(diào)試資源中最關(guān)鍵的設(shè)備，大部分施工費(fèi)用也是圍繞干電阻產(chǎn)生的。如果干電阻的數(shù)量可以減少，不僅施工費(fèi)用和施工工作量會減少，施工過程與平臺正常生產(chǎn)秩序發(fā)生沖突的可能性也會隨之降低。

分析干電阻在調(diào)試各個階段的功能，其提供的負(fù)載屬性可分為動態(tài)負(fù)載和穩(wěn)定負(fù)載2種：動態(tài)負(fù)載要求負(fù)載值能夠精確調(diào)整且對電網(wǎng)不產(chǎn)生影響，干電阻在這方面的優(yōu)勢一般不能被其他資源替代；而穩(wěn)定負(fù)載要求機(jī)組運(yùn)行電壓、電流、頻率、功率因數(shù)達(dá)到額定值且負(fù)載功率一直保持穩(wěn)定，這些特性與生產(chǎn)平臺負(fù)載的特性一致。考慮到單機(jī)調(diào)試完成后，機(jī)組最終也要并入油田電網(wǎng)帶動生產(chǎn)負(fù)載，通過分析調(diào)試各階段負(fù)載的屬性，研究調(diào)試中各個階段用生產(chǎn)負(fù)載替代干電阻的可行性，盡可能地優(yōu)化干電阻的數(shù)量，是本次方案再優(yōu)化的重要方向。

3.3 調(diào)試各階段負(fù)載屬性分析與流程優(yōu)化

將調(diào)試各階段進(jìn)行更加詳細(xì)的分解，并對每一步的負(fù)載屬性、干電阻的可替代性和替代風(fēng)險進(jìn)行研究，結(jié)果見表1(N為不可行，Y為可行)。

表1 各階段負(fù)載屬性與可替代性分析

通過分析可知：第1項“25%額定負(fù)載試驗”和第5項“0～50%負(fù)載突加/突卸試驗”必須使用干電阻，而第7項“機(jī)組并網(wǎng)試驗”是其余各項工作采用生產(chǎn)負(fù)載代替干電阻得以實施的前提，應(yīng)安排在其他項工作之前進(jìn)行。經(jīng)過重新梳理，將原方案(方案A)和優(yōu)化方案(方案B)的工作流程和所使用的資源進(jìn)行對比，如圖4所示。

圖4 2種方案流程與資源對比

由圖4可知：方案B只需要發(fā)電機(jī)50%容量的干電阻，經(jīng)核實只需要20 m×7 m的擺放空間，較方案A的20 m×23 m節(jié)約了70%的空間，且可以利用平臺現(xiàn)有的備用中壓開關(guān)進(jìn)行連接，無需像方案A那樣臨時拆除已投用的中壓設(shè)備，對正常生產(chǎn)秩序的影響較低，費(fèi)用也大幅降低，因此優(yōu)先選擇按方案B執(zhí)行。

3.4 平臺電氣盤柜的操作步驟

平臺電氣盤柜的操作步驟為：(1)將MA段運(yùn)行的設(shè)備全部轉(zhuǎn)移至MB段運(yùn)行；(2)閉合低壓盤母聯(lián)開關(guān)ACB104將低壓盤LA段與LB段串聯(lián)，之后隔離低壓變壓器TR-001，平臺低壓盤由TR-002和TR-003供電；(3)啟動應(yīng)急機(jī)DEG給BZ35-2CEPA應(yīng)急盤LE段送電，閉合ACB110、ACB6給BZ35-2WHPA應(yīng)急盤LE段送電，將ACB5調(diào)至反送電模式，利用ACB5和ACB4上的同期裝置，將應(yīng)急機(jī)并入電網(wǎng)給WHPA平臺低壓盤送電；(4)將MA段斷電隔離，BZ35-2WHPA平臺全部由應(yīng)急機(jī)供電；(5)利用平臺備用中壓開關(guān)VCB112接入干電阻進(jìn)行調(diào)試。

3.5 調(diào)試方案校核

對前述方案B中幾個關(guān)鍵點的電氣設(shè)備容量進(jìn)行校核，結(jié)果見表2，主要參考平臺EMS的實時數(shù)據(jù)。

表2 墾利油田群電網(wǎng)實時數(shù)據(jù) kW

3.6 試驗結(jié)果

D機(jī)實際試驗中的各項數(shù)據(jù)見表3，其調(diào)速、調(diào)壓、頻率等各項指標(biāo)均滿足要求。

表3 調(diào)試試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

通過本次對墾利油田去電網(wǎng)擴(kuò)容改造不斷電試驗方案的設(shè)計、優(yōu)化和實施，證明優(yōu)化方案的可行性。該方案具有良好的經(jīng)濟(jì)效益：共節(jié)約2套干電阻的租金及往返海上平臺的運(yùn)輸費(fèi)，共計人民幣約180萬元，避免油田產(chǎn)量損失折合人民幣約170萬元，總計節(jié)約人民幣約350萬元。

從油田開發(fā)設(shè)計的角度看，對于有后期電網(wǎng)擴(kuò)容需求的油田，在油田建設(shè)初期應(yīng)采用主配電盤分段設(shè)計且具備分段獨立供電運(yùn)行能力的設(shè)計方案，方便后期擴(kuò)容施工和調(diào)試的需求。