劉暉

摘? 要：通過對海洋內(nèi)的資源進行廣泛利用，可以提高國內(nèi)的社會經(jīng)濟水平，海洋鉆井平臺電站具有能耗量過高、功率較低等問題，為了對鉆井平臺電站的供電水平進行改善，提升鉆井平臺的生產(chǎn)時效性，對鉆井平臺的功率進行分析，通過在鉆井平臺電站中應(yīng)用無功補償技術(shù)，可以顯著改良電站的供電狀況。以便達(dá)到鉆井平臺的節(jié)能目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：鉆井平臺電站;無功補償技術(shù);應(yīng)用措施

引言

海洋鉆井企業(yè)配備的電站設(shè)施普遍是傳統(tǒng)的產(chǎn)品，伴隨海上勘探產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展，鉆井平臺電站缺少足夠的電力，存在能源消耗過高的問題，綜合海上的實際生產(chǎn)狀況，在鉆井平臺上借助動態(tài)無功功率補償技術(shù)，對平臺設(shè)備進行技術(shù)創(chuàng)新。對電站功率因數(shù)進行有效改善，提高鉆井平臺的施工效率，減少鉆井平臺的能耗量，獲取顯著的經(jīng)濟效益。

1、鉆井平臺負(fù)載的特點及無功損耗對電站的影響

海上鉆井平臺一般采用電動鉆機。根據(jù)電流差的不同，把電驅(qū)動鉆機劃分為交直流驅(qū)動可控硅鉆機和交直流交流變頻驅(qū)動變頻器鉆機兩類。針對SCR驅(qū)動系統(tǒng)，柴油發(fā)電機組可以產(chǎn)生690V交流電，并通過三相整流電路將AC轉(zhuǎn)換為DC，對直流電動機進行直接管控，繼而滿足鉆井工藝要求進行實時調(diào)控，針對VFD傳動系統(tǒng)，可以把三相整流電路整流轉(zhuǎn)化為直流電，通過逆變形式轉(zhuǎn)化為交流電，對交流電動機進行直接控制，進行動態(tài)調(diào)速。不管采取哪種形式，鉆井平臺的電驅(qū)動設(shè)備反復(fù)從空載變化到滿載狀態(tài)，作為典型的沖擊性負(fù)荷。比如，鉆井絞車在開展工作的過程中具有以下變化，逐漸從空載狀態(tài)變化到滿載狀態(tài)，頂部驅(qū)動設(shè)備對鉆入地層造成影響，負(fù)荷開始實時變化，沖擊性負(fù)荷會對電網(wǎng)電壓造成壓力產(chǎn)生波動，導(dǎo)致供電質(zhì)量不斷降低。除此之外，因為存在晶閘管，在交直流變流器向系統(tǒng)中注入以6k±1次（k=1，2，…，n）特征諧波，諧波會對電網(wǎng)中的設(shè)備造成不良影響，例如把海洋931鉆井平臺為例：這個鉆井平臺配備了3臺2350kW柴油機發(fā)電機組。690V系統(tǒng)供電設(shè)備主要有頂部驅(qū)動、絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、泥漿攪拌器及690V/380V變壓器。頂部驅(qū)動裝置利用交流變頻（VFD）的方式開展驅(qū)使工作。運用10臺以上的直流調(diào)速裝置品迫使相關(guān)裝置進行有效驅(qū)動。因為使用了大量的整流設(shè)備和旋轉(zhuǎn)設(shè)施，致使電網(wǎng)中的無功需求量明顯提升。依照設(shè)計要求，兩臺發(fā)電機組就可以滿足所有的鉆井工作，但是在實際的應(yīng)用過程中并不能夠?qū)崿F(xiàn)，在開展一開及二開倒劃眼作業(yè)時，無功需求的急劇提高，促使系統(tǒng)功率因數(shù)下降0.65，確保這3臺主機全部并網(wǎng)才可以滿足需求。與此同時，會產(chǎn)生高度的功率損耗，會破壞電能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、分析鉆井平臺電站無功

2.1影響平臺電站功率因數(shù)的因素

第一點是變壓器和電動機設(shè)備引發(fā)的穩(wěn)態(tài)無功，海洋鉆井平臺電站形成了小電網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)，其主要應(yīng)用以下的電設(shè)備，包括直流電動機、變壓器、交流異步電動機等，這些都屬于感性負(fù)載，這類設(shè)備在運行的過程中，不僅要從供電系統(tǒng)中獲取有功功率P，同時要獲取足夠的無功功率Q，確保系統(tǒng)中的視在功率為S=P'+Q。功率因數(shù)為λ=P/S=cosφ，φ作為負(fù)載的阻抗角，負(fù)載的特點直接決定了功率因素的多少。

第二點是由鉆井平臺的實際工況引發(fā)的諧波。海上鉆井平臺柴油發(fā)電機組產(chǎn)生的600V交流電源首先通過SCR系統(tǒng)整流為直流電源，然后通過直流電機驅(qū)動鉆井絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤等設(shè)備，提升鉆井設(shè)備進行鉆井生產(chǎn)?？煽毓枵髌鞑捎靡葡嗫刂?。600V電網(wǎng)吸收的正弦波存在缺角現(xiàn)象，電網(wǎng)中剩余的正弦波也存在缺角現(xiàn)象。剩余的正弦波中有許多諧波。可控硅系統(tǒng)的主要諧波源是四個可控硅整流裝置。除此之外，鉆井絞車在接鉆桿或起下鉆具時，通常需要以較大的電流才可以開啟，從空載-滿載、從滿載-空載進行不斷變化，對600V電網(wǎng)供電系統(tǒng)造成了嚴(yán)重沖擊，使鉆井平臺電站電網(wǎng)造成一定的電壓波動。通過對可控硅整流裝置進行嚴(yán)格管控，確保電站的功率因數(shù)不至于過低而導(dǎo)致過勵磁報警甚至全船停電。

2.2無功的增加對線路造成的影響

由于系統(tǒng)無功的提高，致使電網(wǎng)的功率因素不斷降低，對供電系統(tǒng)造成了嚴(yán)重危害。首先是功率損耗的增加。根據(jù)單回路分析，假設(shè)線路電流為I，線路電阻為r。該線路的損耗功率為：△ P=3I2r×10-3=（P2/U2+Q2/U2）R×103。（1）式中為額定電壓，Q為無功功率。將上式變形為：△P=PR×10-3（U2，COS2φ）（2）可以得知，當(dāng)線路的額定電壓和有功功率保持定值，線路的有功損耗因數(shù)越低，則線路損耗會越大。其次是電壓損失增大。換而言之，線路的無功功率越大，功率因數(shù)越低，線路中的損失電壓相對較大。最后，鉆井電臺設(shè)備的供電能力下降，因為鉆井平臺電站普遍是由大功率柴油發(fā)電機組進行供電，用視在功率S表示供電能力。由于功率因素不斷降低，則會增大無功功率，會使固定容積的柴油發(fā)電機組提供的有功功率減少。

3、海洋鉆井平臺的技術(shù)改造方案

海洋鉆井平臺電站普遍是由3-4臺柴油發(fā)電機組成的，同時需要利用其它的配電設(shè)備，包括絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)等鉆井設(shè)備的8臺直流電動機、大量的驅(qū)動輔助機械的交流異步電動機、以及生活設(shè)備等等。為了對鉆井平臺的功率因素進行提升，降低負(fù)載電流，依據(jù)鉆井機械的負(fù)載運行特點，以及相關(guān)的技術(shù)改造方案，在鉆井平臺的維修過程中，需要對平臺電站進行改造。低壓實時無功動態(tài)補償裝置連接至電氣控制室內(nèi)發(fā)電機配電盤的電源母線。在計算機控制晶閘管投切的幫助下，采用由電抗器和電容器組成的串聯(lián)電路進行無功補償，以濾除電網(wǎng)中的高次諧波，提高功率因數(shù)和電網(wǎng)質(zhì)量。補償系統(tǒng)和無功動態(tài)無功補償裝置。

4、補償技術(shù)的應(yīng)用成果

海洋鉆井平臺在開展升降平臺、鉆井、試油等不同工種時，不同工種的總負(fù)荷存在較大差異。發(fā)電機具有標(biāo)準(zhǔn)的額定數(shù)值，在開展大負(fù)荷的工作時，需要引進表層鉆井、二開鉆進等設(shè)備，需要配備3臺及以上柴油發(fā)電機組進行供電。以海洋石油931的鉆井平臺為基礎(chǔ)，在施工過程中采用的高壓大排量鉆井工況，分析比較了補償裝置應(yīng)用前后電網(wǎng)功率因數(shù)的變化。假設(shè)四臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)供電，負(fù)載均勻分布。在高壓大排量鉆井條件下，兩臺泥漿泵進行超負(fù)荷的運行，泵沖轉(zhuǎn)速可以達(dá)到100t/min，泵壓為21MPa。每臺泥漿泵由兩臺直流電機驅(qū)動，負(fù)載電流2x1150A，電傳柜額定輸出電流2300A，轉(zhuǎn)換交流側(cè)電流1877A;絞車也由兩臺直流電機驅(qū)動。運行到負(fù)載工作的一半時，電流達(dá)到了1050A，電傳柜的額定輸出電流為1050A，轉(zhuǎn)換到交流側(cè)方位的電流為857A;頂部驅(qū)動由直流電機驅(qū)動。當(dāng)大約一半負(fù)載運行時，電流為550A。在海洋鉆井平臺引用動態(tài)無功功率補償裝置后，可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，確保發(fā)電機電流可以快速降低，減少了系統(tǒng)線路損耗和設(shè)備損壞，對電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量進行改善，延長鉆井平臺機械設(shè)備的使用期限，節(jié)約了設(shè)備的維修費用，以便獲得一定的社會價值和成本效益。

5、結(jié)束語

簡而言之，通過在海洋鉆井平臺電站上安裝無功功率補償裝置，可以改善供電質(zhì)量，在增強鉆井安全性的同時減少了生產(chǎn)成本，達(dá)到節(jié)約能源、減少能耗、提高效率的目的。

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