劉生 ，巴硯

（1. 中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州510663；2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028）

海洋油田群受海底油氣資源分布限制，通常距離陸地較遠，以孤島形式建設(shè)。油田群平臺目前主要通過透平發(fā)電機組等自發(fā)電設(shè)備為用電負荷提供電能，自發(fā)電在保障海上油田開發(fā)電力供應(yīng)的同時也帶來了一系列的問題，主要體現(xiàn)在：（1）透平發(fā)電機組基本都是進口設(shè)備，費用高，核心技術(shù)被國外壟斷；（2）每個油田平臺都需要設(shè)置自發(fā)電設(shè)備；（3）自發(fā)電設(shè)備以原油或天然氣為燃料，由于單一平臺的容量小且效率低，導(dǎo)致發(fā)電成本較高。

通過從陸上向海上供電可以很好地解決上述問題。陸地電力一方面控制技術(shù)成熟，調(diào)度靈活，供電可靠性高；另一方面陸地能源中水電、核電、風(fēng)電等清潔能源占比較高，能夠大幅減少海上自發(fā)電過程中產(chǎn)生的溫室氣體和污染氣體直接排放，為地區(qū)環(huán)境治理作出貢獻。因此，這一技術(shù)將會是海洋油田群電力解決方案的主要發(fā)展方向。

海上降壓變電站是油田群供電的核心內(nèi)容，承擔(dān)著電能分配和改善電能質(zhì)量的重要功能。目前國內(nèi)油田群海上降壓變電站尚無工程應(yīng)用案例。相比于陸上電網(wǎng)的變電站和用于海上風(fēng)電送出的海上升壓站，海上降壓變電站功能區(qū)域更多、建設(shè)難度更大，成本更高。本文提出的海上降壓變電站布置方案對滿足工藝流程、保障設(shè)備檢修和維護便利以及最大程度減少平臺尺寸具有重要的指導(dǎo)作用和參考價值。

1 海上降壓變電站的特點

1.1 海上降壓變電站介紹

本文研究的海上降壓變電站通過高壓交流海纜接收陸地電網(wǎng)電力，再通過降壓變壓器變低至負荷側(cè)電壓，最后通過交流海纜輸送至海上油氣田集群。

1.2 海上降壓變電站與海上升壓站差異

本文研究的海上降壓變電站與發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域用于風(fēng)電送出的海上升壓站有以下兩處明顯的不同。

首先是拓撲結(jié)構(gòu)的不同。對于海上升壓站，不管是單個還是多個，都屬于點對點拓撲，海上風(fēng)場經(jīng)過升壓站升壓后送至陸地。但是對于海上降壓變電站，屬于海上組網(wǎng)拓撲，彼此之間存在互聯(lián)，接線和控制復(fù)雜程度高。

其次是無功補償設(shè)備的配置。對于海上升壓站，由于風(fēng)電場已具備一定的電壓控制及無功調(diào)節(jié)能力，同時陸上集控站內(nèi)都會配置無功補償設(shè)備，所以升壓站內(nèi)不再配置。但是對于海上降壓變電站，一方面，為了保證各個方向的配電長度均衡，一般深入油田群中心，遠離陸地，長距離輸電需要配置無功補償設(shè)備以抑制過電壓水平；另一方面，油田群負荷主要是電動機類負荷，大量消耗無功，需要配置無功補償設(shè)備以改善電能質(zhì)量。

最后是電壓等級的不同，海上升壓站一般有220 kV、35 kV 和 0.38 kV 三個電壓等級，220 kV 用于電能匯集后集中送出，35 kV用于風(fēng)機集電線路，0.38 kV用于輔助系統(tǒng)；海上降壓變電站一般有220 kV、35 kV、10 kV 和 0.38 kV 四個電壓等級，220 kV 用于接收陸地電網(wǎng)電力，35 kV 和10 kV 用于不同的油氣田傳輸電力，0.38 kV用于輔助系統(tǒng)。

1.3 海上輸電平臺主要布置型式

根 據(jù) 《Offshore substations for wind farms》（DNV-OS-J201）的分類，海上平臺分為無人操作的海上平臺，臨時或者長期有人駐守的海上平臺和無人操作的海上平臺加一個生活平臺三種類型。

目前建成的大多數(shù)海上輸電平臺均為無人操作，此類平臺不考慮人員臨時或永久在平臺上居住，只需在平臺上布置電氣設(shè)備，平臺布置緊湊，整體較小，上部結(jié)構(gòu)重量輕，方便施工。

2 海上降壓變電站工藝流程和設(shè)計原則

2.1 工藝流程

根據(jù)功能定位和工作原理，海上降壓變電站可劃分為220 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)、變壓器區(qū)、35 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)、10 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)、無功補償區(qū)和輔助房間六大區(qū)域。

每個功能區(qū)域在有機聯(lián)系的同時，應(yīng)盡量獨立成區(qū)，減弱各區(qū)域間的交互影響。

各功能分區(qū)間的工藝流程如圖1所示。

圖1 海上降壓變電站的工藝流程Fig.1 Technological process of offshore step-down substation

2.2 設(shè)計原則

在滿足工藝流程的前提下，應(yīng)考慮以下設(shè)計原則：

1）220 kV 降壓變壓器重量200~250 t，是海上降壓變電站里最重的單體設(shè)備，并且位于工藝流程的核心位置，應(yīng)布置在平臺中央，這樣一方面利于重心控制，另一方面方便進出線，避免交叉。

2）電氣二次設(shè)備室和通信設(shè)備室應(yīng)盡量與蓄電池室緊鄰布置，減少供電回路電壓偏差。

3）對于較重的設(shè)備，為了方便吊裝，應(yīng)盡量布置在上層，頂部設(shè)置檢修孔。

4）為使平臺上下層尺寸匹配，考慮在各層靈活布置功能房間。

3 海上降壓變電站布置方案研究

3.1 220 kV開關(guān)設(shè)備區(qū)

高壓開關(guān)設(shè)備有敞開式和GIS 組合電器兩種布置方式，如圖2所示。

圖2 高壓開關(guān)設(shè)備布置方式Fig.2 Layout of high voltage switchgear

GIS組合電器與敞開式相比有以下優(yōu)點：

1）占地面積小、設(shè)備體積小，元件全部密封在金屬殼體內(nèi)，不受環(huán)境干擾。

2）運行可靠性較高，采用SF氣體絕緣，缺陷/故障發(fā)生概率低，維護工作量小，其主要部件的維修間隔大于20年。

3）GIS 采用整體運輸，安裝方便、周期短、費用較低。

為實現(xiàn)海上平臺的緊湊化布置，海上降壓變電站220 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)推薦采用GIS組合電器，同時將相關(guān)設(shè)備如測量裝置、避雷器、電壓互感器、接地開關(guān)等集成在GIS內(nèi)。

3.2 變壓器區(qū)

變壓器分為單相變壓器和三相一體變壓器兩種型式。為油田群供電的海上降壓變電站重要等級高，變壓器作為核心設(shè)備，應(yīng)考慮備用。變壓器采用單相變壓器時，需要設(shè)計備用相的快速切換方案，接線復(fù)雜，輔助設(shè)備較多；采用三相變壓器時，雖然需要兩臺三相變壓器，但是相比單相變壓器方案省去了快速切換設(shè)備，減少了平臺尺寸和重量。因此，變壓器推薦采用兩臺三相變壓器，正常運行時各承擔(dān)50%的負荷，當(dāng)一臺變壓器故障時，另一臺變壓器應(yīng)承擔(dān)100%的負荷。

變壓器本體和散熱器分體布置，冷卻方式為自冷，主變?nèi)齻?cè)均為電纜引出。

變壓器是平臺上最重的電氣設(shè)備，應(yīng)盡量布置在中央，重心居中有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計。變壓器也是海上降壓變電站內(nèi)最重要的設(shè)備之一，為了方便運維和檢修，應(yīng)盡量布置在平臺上層，頂部設(shè)置檢修孔。

變壓器散熱器應(yīng)盡量布置在平臺外側(cè)，處于敞開空間，附近不應(yīng)有遮擋，以保證有足夠的通風(fēng)面積形成有效的空氣流動實現(xiàn)散熱器的自然冷卻。

變壓器上方應(yīng)布置運行檢修通道，方便運維人員在設(shè)備帶電運行期間查看設(shè)備運行狀態(tài)。

3.3 35 kV開關(guān)設(shè)備區(qū)

35 kV 開關(guān)設(shè)備一般選用開關(guān)柜型式，分為空氣絕緣開關(guān)柜和氣體絕緣開關(guān)柜兩種類型，如圖3所示。

圖3 35 kV開關(guān)柜布置方式Fig.3 Layout of 35 kV switchgear

空氣絕緣開關(guān)柜采用組裝結(jié)構(gòu)，開關(guān)設(shè)備各功能室均采用金屬隔板分隔，絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)為空氣。

氣體絕緣開關(guān)柜是將各元器件組合封閉在接地的金屬殼體內(nèi)，絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)為SF氣體。

空氣絕緣開關(guān)柜尺寸約為（寬）1.2 m×（深）2.8 m，氣體絕緣開關(guān)柜尺寸為（寬）0.6 m~0.8 m×（深）1.76 m（深），氣體絕緣開關(guān)柜較空氣絕緣開關(guān)柜體積更小，更能適應(yīng)海上平臺緊湊化的布置要求。同時由于采用封閉式結(jié)構(gòu)，不受海上惡劣環(huán)境影響，運行更為安全和可靠。因此，海上降壓變電站35 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)推薦選用氣體絕緣開關(guān)柜布置型式。

3.4 10 kV開關(guān)設(shè)備區(qū)

10 kV 開關(guān)設(shè)備一般選用開關(guān)柜型式，分為空氣絕緣開關(guān)柜和氣體絕緣開關(guān)柜兩種類型。

目前國內(nèi)10 kV 開關(guān)柜大都采用空氣絕緣，雖然柜體稍大，但由于其絕緣性能可靠、維護方便和造價較低等優(yōu)點，仍是主流。10 kV 氣體絕緣開關(guān)柜主要應(yīng)用在城市軌道交通供電系統(tǒng)，具有節(jié)省空間、高可靠和少維護的優(yōu)點。

3.5 無功補償區(qū)

無功補償區(qū)是海上降壓變電站相對于海上升壓站特有的功能分區(qū)。傳統(tǒng)無功補償設(shè)備包括電抗器和電容器。

電抗器用于消耗感性無功，一般布置在電源側(cè)，主要功能是抑制過電壓水平。電容器用于發(fā)出容性無功，一般布置在負荷側(cè)，主要功能是提高功率因數(shù)。

海上平臺均為鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)選用電抗器時，一般選用油浸式電抗器，漏磁小，對鋼結(jié)構(gòu)影響小，抗震性能和抗污穢能力也優(yōu)于干式電抗器。

當(dāng)選用電容器時，設(shè)備型式分為框架式、集合式和成套裝置三種類型，如圖4所示。

電容器回路包含串聯(lián)電抗器、電容器組、接地開關(guān)和避雷器四類設(shè)備。

框架式電容器和集合式電容器的相同點在于回路中的四類設(shè)備都是獨立的單體設(shè)備，占地面積大，區(qū)別在于電容器組的型式不同，前者由一個個電容器單元組成，含油少，后者屬于油浸式設(shè)備，結(jié)構(gòu)型式類似變壓器，含油多。成套裝置是將集合式電容器回路的四類設(shè)備集成在一個油浸式設(shè)備中，大大減小了占地面積?？紤]到海上平臺緊湊型的布置要求，推薦電容器選用成套裝置。

圖4 電容器布置方式Fig.4 Layout of capacitor

除了常規(guī)補償設(shè)備外，STATCOM（又稱作SVG）新型無功補償設(shè)備憑借動態(tài)收發(fā)無功和快速響應(yīng)的優(yōu)越性能在電力領(lǐng)域大量應(yīng)用，不過目前主要應(yīng)用在陸上變電站，海上降壓變電站尚未有應(yīng)用案例。

4 海上降壓變電站典型布置方案研究

基于前面的布置原則，本文針對油田群項目中的海上降壓變電站提出一種既滿足工藝流程要求，又充分考慮設(shè)備檢修和維護便利，同時最大程度減少平臺尺寸的典型布置方案，如圖5~圖8所示。

圖5 下層布置圖Fig.5 Lower layout

海上降壓變電站的布置方案按照圖1 的工藝流程設(shè)計，布置方案力求緊湊合理，出線方便，減少面積，節(jié)省投資。

圖6 上層布置圖Fig.6 Upper layout

圖7 頂部布置圖Fig.7 Top layout

圖8 斷面圖Fig.8 Section view

底層是導(dǎo)管架與上部組塊之間的過渡層，布置有大量的斜撐，因此底層不考慮布置功能房間，僅考慮作為電纜層，布置電纜吊架和J 型管，同時可布置集油罐和逃救生設(shè)備等輔助設(shè)施，按敞開式空間設(shè)計。

下層布置變壓器室、220 kV GIS 室、35 kV 配電室、10 kV 配電室、電抗器室、10 kV 電容器室、接地變室、站用電室、應(yīng)急電源室和消防設(shè)備間。

變壓器室布置在平臺中央，利于控制重心。220 kV GIS室和35 kV配電室、10 kV配電室布置在變壓器室的兩側(cè)，方便進出線，避免交叉和迂回。接地變兼做站用變，接地變室緊鄰站用電室和應(yīng)急電源室布置，節(jié)省低壓電纜長度。電抗器室緊鄰220 kV GIS室布置，減少高壓電纜長度。

上層布置繼電器及通信室、蓄電池室、35 kV電容器室和暖通機房。

繼電器及通信室緊鄰蓄電池室布置，降低供電回路電壓偏差。暖通機房布置在上層，提升散熱效率。

35 kV 電容器室布置在上層的原因是35 kV 電容器相對10 kV 電容器的外形和重量較大，方便利用頂部吊機實施設(shè)備的檢修和維護。

頂部布置有吊機和直升機平臺，同時在220 kV GIS 室、電抗器室、變壓器室和35 kV 電容器室房間頂部設(shè)置檢修蓋板用于吊機作業(yè)。吊機應(yīng)布置在外艙壁以避免在作業(yè)視野出現(xiàn)死區(qū)，吊機選型應(yīng)盡量滿足所有房間的吊裝需求。

上下層甲板外側(cè)一周設(shè)置外走廊和連通的樓梯，是否設(shè)置內(nèi)走廊和內(nèi)樓梯由具體工程確定。

整個典型布置方案具有模塊化和普適化特點，可利用和推廣價值高。

5 結(jié) 論

本文針對油田群項目中的海上降壓變電站的功能分區(qū)及工藝布置、緊湊型電氣設(shè)備連接和電氣設(shè)備安裝運維展開研究，結(jié)合系統(tǒng)要求和設(shè)備配置，充分考慮建設(shè)可行性、經(jīng)濟性及運行的可靠型、靈活性等要求，得出以下結(jié)論：

1）220 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)：對比GIS 組合電器和敞開式的布置特點，推薦選用GIS組合電器。

2）變壓器區(qū)：考慮設(shè)備的運行可靠性與運維便利性，推薦變壓器按一用一備全容量配置，選用三相一體有載調(diào)壓變壓器，本體和散熱器分體布置。變壓器布置在平臺中央，頂部設(shè)置檢修孔。

3）35 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)、10 kV 開關(guān)設(shè)備區(qū)：對比空氣絕緣開關(guān)柜和氣體絕緣開關(guān)柜的布置特點，35 kV開關(guān)設(shè)備推薦選用氣體絕緣開關(guān)柜，10 kV開關(guān)設(shè)備推薦選用空氣絕緣開關(guān)柜。

4）無功補償區(qū)：對比框架式電容器、集合式電容器和成套裝置的布置特點，推薦選用成套裝置。

本文針對油田群項目中的海上降壓變電站提出了一種既滿足工藝和維護要求，又最大程度減少平臺尺寸的典型布置方案，帶來的有益效果如下：

1）針對油田群岸電項目中的海上降壓變電站開展了布置方案研究，具有較高的參考和推廣價值。

2）充分考慮海上降壓變電站和升壓變電站的差異，研究了無功補償設(shè)備的選型和布置方案。

3）通過統(tǒng)籌考慮功能房間和輔助房間的布置需求，給出了典型布置方案，既保證了各設(shè)備之間電氣連接的順暢，又最大程度減少平臺尺寸，節(jié)省用鋼量，同時在平面設(shè)計時充分考慮了主要電氣設(shè)備的運維通道，方便檢修維護。