自升式鉆井平臺電站無功補償?shù)挠懻?/h1>
2018-10-24 06:24陳鑫
機電信息 2018年30期
陳 鑫
（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司，天津300451）
0 引言
海洋鉆井平臺（drilling platform）是一種大型的鉆探油氣資源的海上結(jié)構(gòu)物。鉆井平臺上大多包括鉆修井、配電、通信、儀表、導(dǎo)航等設(shè)備。海洋鉆井平臺主要有移動式和固定式兩種結(jié)構(gòu)，其中，移動式鉆井平臺又包括自升式、鉆井浮船、坐底式、半潛式等等。本文講述的就是一種200尺自升式鉆井平臺。
海上石油自升式鉆井平臺電網(wǎng)是一個獨立的系統(tǒng)，它由自己的發(fā)電系統(tǒng)、電站控制系統(tǒng)、配電中心及所控制的負載系統(tǒng)組成，能滿足海上石油鉆井工況下的負荷用電需要及在特殊工況下的用電需求，自成一體。在一般情況下，約80%的發(fā)電機功率經(jīng)可控硅整流后驅(qū)動直流電動機，完成鉆井作業(yè)。由于鉆井平臺電力系統(tǒng)的不良影響由無功功率及高次諧波產(chǎn)生，使得功率因數(shù)較低，發(fā)電機不足以帶動大負載運行，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)的配電能力降低，造成資源和能源的巨大浪費。
因此，要應(yīng)用無功補償技術(shù)，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，使電站的供電能力提高30%左右，不僅能夠滿足快速鉆井作業(yè)的功率需求，同時每年還能節(jié)省燃油300 m3左右，完成擴容減耗的目標(biāo)，延長電力機械設(shè)備年限，獲得可觀的經(jīng)濟效益及社會效益。本文以中國海洋石油921自升式鉆井平臺為例，就此問題進行探討。
1 平臺電站低功率因數(shù)技術(shù)分析
1.1 低功率因數(shù)分析
在921鉆井平臺電網(wǎng)中投入了大量泥漿泵、絞車、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤等大功率負載設(shè)備，每臺設(shè)備的額定功率都是800 kW，而發(fā)電機組的總額定功率也只是6 000 kW。此類大功率用電負荷運行時，需要電站提供感性的無功功率，它們使電流滯后于電壓，使有功電流遠小于總電流，因此使得電網(wǎng)的功率因數(shù)偏低[1]。由于平臺發(fā)電機輸出總電流，即有功電流與無功電流的矢量和（圖1），總有功功率=總視在功率×功率因數(shù)。因此，在總功率一定的情況下，功率因數(shù)低，總有功功率就低。
圖1 負載電流向量分解圖
1.2 高次諧波分析
在給可控硅整流系統(tǒng)供電的同時，也把高次諧波帶到了電網(wǎng)系統(tǒng)中。
之所以可控硅整流系統(tǒng)能給電網(wǎng)帶來高次諧波，是因為整流裝置為非線性負荷。理想正弦系統(tǒng)電壓給這些非線性負荷供電時，工作電流也為非正弦電流。非正弦電流波形能分解為基波及諧波。諧波電流通過電力系統(tǒng)中各供配電設(shè)備，必將造成非正弦的電壓降，使平臺電壓發(fā)生畸變。反過來，畸變電壓又影響了整流裝置輸入電流波形。因此，諧波電流和諧波電壓相互影響、相伴而生。
1.3 危害性分析
負載功率因數(shù)偏低（0.6～0.75），無功電流是電站額定電流的30%～35%，限制有功功率，不能發(fā)揮發(fā)電機正常的供電能力。為了滿足鉆機平臺生產(chǎn)需求，需投入更多的發(fā)電機組。
同時，當(dāng)可控硅大負荷投入運行時，使電網(wǎng)波形發(fā)生畸變，對平臺電網(wǎng)造成不良影響?？煽毓鑼?dǎo)通時，突加電流，發(fā)電機不能及時提供足夠的突加電流，電網(wǎng)電壓瞬間變低，電壓波形呈鋸齒正弦波，如圖2所示。頻率隨之發(fā)生波動，所以鉆井平臺啟動泥漿泵時，頻率波動3～5 Hz。
圖2 電網(wǎng)畸變
并且當(dāng)可控硅導(dǎo)通投入后，使電網(wǎng)電壓中含有5、7、11、13等高次諧波成分[2]，其對應(yīng)的諧波頻率分別為300 Hz、420 Hz、660 Hz、780 Hz，從而降低了電力系統(tǒng)供電質(zhì)量，高次諧波嚴(yán)重影響了平臺內(nèi)部電力系統(tǒng)設(shè)備的運行，其危害性表現(xiàn)如下：
（1）系統(tǒng)中并聯(lián)的可控硅之間互相干擾。
（2）諧波電流會引起電網(wǎng)中同步發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子部分的附加損耗及附加溫升，造成發(fā)電機的額定出力降低。
（3）平臺上的通信系統(tǒng)會受到很大的不良影響。因為非線性負荷供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對與其鄰近的通信線路產(chǎn)生了靜電感應(yīng)及電磁感應(yīng)。
（4）高次諧波比重大時，會使電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，易導(dǎo)致嚴(yán)重后果。
2 電站無功補償
2.1 補償原理
電網(wǎng)中的感性負載使電流滯后于電壓，但電容器具有與電感相反的特性，它能夠使電流超前電壓變化，因此，通過在感性電路中增加容性補償裝置就可以使較低的功率因數(shù)得以補償，由圖3可知，φ1減小到φ2，則cos φ2＞cos φ1，功率因數(shù)提高了。通過負載與容性補償設(shè)備間的無功交換，減小系統(tǒng)無功電流。在電流限值不變的情況下，能夠提高電站配電能力。
圖3 采用補償裝置后的電路與電流向量圖
2.2 補償方式
電網(wǎng)無功補償方式包括線路補償和終端補償。
2.2.1 線路補償
線路補償是在母線線路上安裝并聯(lián)電容器，使得電網(wǎng)功率因數(shù)提高，實現(xiàn)降損升壓的目的。這種補償主要應(yīng)用場所為10 kV電網(wǎng)，而在低壓配電電網(wǎng)中應(yīng)用較少。該補償方式具有初期投資成本低、回收周期短、補償效果好、易于管理和維護等優(yōu)點，對于功率因數(shù)較低、負荷較重的遠距離輸配電線路特別適用。
2.2.2 終端補償
終端補償即就地補償，通過在低壓配電線路末端直接配置無功功率設(shè)備，減小低壓電網(wǎng)的無功功率，降低線損和線路電壓降。終端補償方式的優(yōu)點：線損率可降低至20%；電壓損耗降低，使得電壓質(zhì)量得以提高，改善負載設(shè)備啟動和運行狀況，提高線路配電能力。
在海洋石油921鉆井平臺上，最大電壓也只是0.6 kV，并且在0.6 kV/0.4 kV主變壓器以下的電網(wǎng)的功率因數(shù)是0.8，主要無功負載都在0.6 kV鉆井設(shè)備上，因此，在海洋石油921鉆井平臺應(yīng)選用終端補償較為合理。
落實補償位置是進行無功補償?shù)牡谝画h(huán)節(jié)，是平衡無功的重要環(huán)節(jié)。在鉆井平臺上，無功負載主要在直流傳動系統(tǒng)上，所以，補償位置就選擇在直流傳動系統(tǒng)兩端。
由于線路末端負荷波動幅度大，啟動負荷數(shù)量不確定，因此需要根據(jù)實際情況來確定一種補償方式。
目前使用頻率較高的補償方式是前饋補償方式，通過可控硅、交流變壓器等實現(xiàn)對用電設(shè)備電流的檢測，通過電流疊加電路進行電流計算，計算值輸入解調(diào)電路，解調(diào)電路輸出負載無功電流值到控制模塊?？刂颇K實現(xiàn)對補償裝置投切時間及投入量的控制，使電容投切時間為交流正弦波的零幅值位，避免高電流對補償裝置的壽命產(chǎn)生影響。
避免諧波諧振對電容器產(chǎn)生影響。在電容器接通回路中串入感性電抗器，可以抑制諧振，且可吸收高次諧波電流。通過電抗器、電容器串聯(lián)，能避免諧振現(xiàn)象。自振頻率是在最低諧波頻率和基波頻率之間，而高于自振頻率的諧波表現(xiàn)為感性，能避免諧振；50 Hz的基波頻率呈容性，因而可以獲得無功功率補償。
串聯(lián)電抗器可抑制合閘瞬時涌流，能抑制、吸收諧波電流，具有濾波功能，有效提高電網(wǎng)安全性。但是，串抗與電容器不可任意組合，需考慮電容裝置接入處電網(wǎng)的實際情況，根據(jù)921自升式鉆井平臺的現(xiàn)實情況，諧波主要以5次為主，建議選擇4.5%的串聯(lián)電抗器。
2.2.3 補償裝置參數(shù)計算
由原來的功率因數(shù)補償?shù)剿璧墓β室驍?shù)，需要并聯(lián)的電容器容量可用下式計算：
式中，Q為應(yīng)補償?shù)臒o功功率（kvar）；P為最大負荷的平均有功功率（kW）；cos φ1為補償前的功率因數(shù)；cos φ2為補償后的功率因數(shù)。
在實際應(yīng)用中，可根據(jù)事先計算好的表格查出所需補償?shù)臒o功容量。
通過補償，發(fā)電機輸出電流有效下降，功率因數(shù)由0.65優(yōu)化到0.9以上，濾除5次以上的高次諧波，電壓波動小，幅值平穩(wěn)，電網(wǎng)質(zhì)量得以提升。
根據(jù)921鉆井平臺的實際數(shù)據(jù)，計算最大應(yīng)補償?shù)臒o功功率。
直流傳動的最大功率可達到4 800 kW，通過下列公式可計算：
計算結(jié)果Q=3 264 kvar。
3 結(jié)語
目前，中國海洋石油921鉆井平臺配備4臺1 500 kW的河南柴油機公司TBD620V16型柴油機，在運行周期內(nèi)，不可避免地會出現(xiàn)柴油機老化、輸出能力降低的問題，如果通過增加發(fā)電機解決鉆井最大工況下的峰值負荷缺口，是很不經(jīng)濟的，通過引入無功補償設(shè)備，可將發(fā)電機的功率因數(shù)提高0.2～0.3，發(fā)電機的輸出能力提高25%～30%，同時可以減少柴油機積碳，保持電網(wǎng)穩(wěn)定，提高用電設(shè)備壽命，特別是對功率因數(shù)低于0.8的海上、陸地鉆井平臺電站具有很大的推廣價值。
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海上石油自升式鉆井平臺電網(wǎng)是一個獨立的系統(tǒng)，它由自己的發(fā)電系統(tǒng)、電站控制系統(tǒng)、配電中心及所控制的負載系統(tǒng)組成，能滿足海上石油鉆井工況下的負荷用電需要及在特殊工況下的用電需求，自成一體。在一般情況下，約80%的發(fā)電機功率經(jīng)可控硅整流后驅(qū)動直流電動機，完成鉆井作業(yè)。由于鉆井平臺電力系統(tǒng)的不良影響由無功功率及高次諧波產(chǎn)生，使得功率因數(shù)較低，發(fā)電機不足以帶動大負載運行，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)的配電能力降低，造成資源和能源的巨大浪費。
因此，要應(yīng)用無功補償技術(shù)，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，使電站的供電能力提高30%左右，不僅能夠滿足快速鉆井作業(yè)的功率需求，同時每年還能節(jié)省燃油300 m3左右，完成擴容減耗的目標(biāo)，延長電力機械設(shè)備年限，獲得可觀的經(jīng)濟效益及社會效益。本文以中國海洋石油921自升式鉆井平臺為例，就此問題進行探討。
1 平臺電站低功率因數(shù)技術(shù)分析
1.1 低功率因數(shù)分析
在921鉆井平臺電網(wǎng)中投入了大量泥漿泵、絞車、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤等大功率負載設(shè)備，每臺設(shè)備的額定功率都是800 kW，而發(fā)電機組的總額定功率也只是6 000 kW。此類大功率用電負荷運行時，需要電站提供感性的無功功率，它們使電流滯后于電壓，使有功電流遠小于總電流，因此使得電網(wǎng)的功率因數(shù)偏低[1]。由于平臺發(fā)電機輸出總電流，即有功電流與無功電流的矢量和（圖1），總有功功率=總視在功率×功率因數(shù)。因此，在總功率一定的情況下，功率因數(shù)低，總有功功率就低。
圖1 負載電流向量分解圖
1.2 高次諧波分析
在給可控硅整流系統(tǒng)供電的同時，也把高次諧波帶到了電網(wǎng)系統(tǒng)中。
之所以可控硅整流系統(tǒng)能給電網(wǎng)帶來高次諧波，是因為整流裝置為非線性負荷。理想正弦系統(tǒng)電壓給這些非線性負荷供電時，工作電流也為非正弦電流。非正弦電流波形能分解為基波及諧波。諧波電流通過電力系統(tǒng)中各供配電設(shè)備，必將造成非正弦的電壓降，使平臺電壓發(fā)生畸變。反過來，畸變電壓又影響了整流裝置輸入電流波形。因此，諧波電流和諧波電壓相互影響、相伴而生。
1.3 危害性分析
負載功率因數(shù)偏低（0.6～0.75），無功電流是電站額定電流的30%～35%，限制有功功率，不能發(fā)揮發(fā)電機正常的供電能力。為了滿足鉆機平臺生產(chǎn)需求，需投入更多的發(fā)電機組。
同時，當(dāng)可控硅大負荷投入運行時，使電網(wǎng)波形發(fā)生畸變，對平臺電網(wǎng)造成不良影響?？煽毓鑼?dǎo)通時，突加電流，發(fā)電機不能及時提供足夠的突加電流，電網(wǎng)電壓瞬間變低，電壓波形呈鋸齒正弦波，如圖2所示。頻率隨之發(fā)生波動，所以鉆井平臺啟動泥漿泵時，頻率波動3～5 Hz。
圖2 電網(wǎng)畸變
并且當(dāng)可控硅導(dǎo)通投入后，使電網(wǎng)電壓中含有5、7、11、13等高次諧波成分[2]，其對應(yīng)的諧波頻率分別為300 Hz、420 Hz、660 Hz、780 Hz，從而降低了電力系統(tǒng)供電質(zhì)量，高次諧波嚴(yán)重影響了平臺內(nèi)部電力系統(tǒng)設(shè)備的運行，其危害性表現(xiàn)如下：
（1）系統(tǒng)中并聯(lián)的可控硅之間互相干擾。
（2）諧波電流會引起電網(wǎng)中同步發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子部分的附加損耗及附加溫升，造成發(fā)電機的額定出力降低。
（3）平臺上的通信系統(tǒng)會受到很大的不良影響。因為非線性負荷供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對與其鄰近的通信線路產(chǎn)生了靜電感應(yīng)及電磁感應(yīng)。
（4）高次諧波比重大時，會使電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，易導(dǎo)致嚴(yán)重后果。
2 電站無功補償
2.1 補償原理
電網(wǎng)中的感性負載使電流滯后于電壓，但電容器具有與電感相反的特性，它能夠使電流超前電壓變化，因此，通過在感性電路中增加容性補償裝置就可以使較低的功率因數(shù)得以補償，由圖3可知，φ1減小到φ2，則cos φ2＞cos φ1，功率因數(shù)提高了。通過負載與容性補償設(shè)備間的無功交換，減小系統(tǒng)無功電流。在電流限值不變的情況下，能夠提高電站配電能力。
圖3 采用補償裝置后的電路與電流向量圖
2.2 補償方式
電網(wǎng)無功補償方式包括線路補償和終端補償。
2.2.1 線路補償
線路補償是在母線線路上安裝并聯(lián)電容器，使得電網(wǎng)功率因數(shù)提高，實現(xiàn)降損升壓的目的。這種補償主要應(yīng)用場所為10 kV電網(wǎng)，而在低壓配電電網(wǎng)中應(yīng)用較少。該補償方式具有初期投資成本低、回收周期短、補償效果好、易于管理和維護等優(yōu)點，對于功率因數(shù)較低、負荷較重的遠距離輸配電線路特別適用。
2.2.2 終端補償
終端補償即就地補償，通過在低壓配電線路末端直接配置無功功率設(shè)備，減小低壓電網(wǎng)的無功功率，降低線損和線路電壓降。終端補償方式的優(yōu)點：線損率可降低至20%；電壓損耗降低，使得電壓質(zhì)量得以提高，改善負載設(shè)備啟動和運行狀況，提高線路配電能力。
在海洋石油921鉆井平臺上，最大電壓也只是0.6 kV，并且在0.6 kV/0.4 kV主變壓器以下的電網(wǎng)的功率因數(shù)是0.8，主要無功負載都在0.6 kV鉆井設(shè)備上，因此，在海洋石油921鉆井平臺應(yīng)選用終端補償較為合理。
落實補償位置是進行無功補償?shù)牡谝画h(huán)節(jié)，是平衡無功的重要環(huán)節(jié)。在鉆井平臺上，無功負載主要在直流傳動系統(tǒng)上，所以，補償位置就選擇在直流傳動系統(tǒng)兩端。
由于線路末端負荷波動幅度大，啟動負荷數(shù)量不確定，因此需要根據(jù)實際情況來確定一種補償方式。
目前使用頻率較高的補償方式是前饋補償方式，通過可控硅、交流變壓器等實現(xiàn)對用電設(shè)備電流的檢測，通過電流疊加電路進行電流計算，計算值輸入解調(diào)電路，解調(diào)電路輸出負載無功電流值到控制模塊?？刂颇K實現(xiàn)對補償裝置投切時間及投入量的控制，使電容投切時間為交流正弦波的零幅值位，避免高電流對補償裝置的壽命產(chǎn)生影響。
避免諧波諧振對電容器產(chǎn)生影響。在電容器接通回路中串入感性電抗器，可以抑制諧振，且可吸收高次諧波電流。通過電抗器、電容器串聯(lián)，能避免諧振現(xiàn)象。自振頻率是在最低諧波頻率和基波頻率之間，而高于自振頻率的諧波表現(xiàn)為感性，能避免諧振；50 Hz的基波頻率呈容性，因而可以獲得無功功率補償。
串聯(lián)電抗器可抑制合閘瞬時涌流，能抑制、吸收諧波電流，具有濾波功能，有效提高電網(wǎng)安全性。但是，串抗與電容器不可任意組合，需考慮電容裝置接入處電網(wǎng)的實際情況，根據(jù)921自升式鉆井平臺的現(xiàn)實情況，諧波主要以5次為主，建議選擇4.5%的串聯(lián)電抗器。
2.2.3 補償裝置參數(shù)計算
由原來的功率因數(shù)補償?shù)剿璧墓β室驍?shù)，需要并聯(lián)的電容器容量可用下式計算：
式中，Q為應(yīng)補償?shù)臒o功功率（kvar）；P為最大負荷的平均有功功率（kW）；cos φ1為補償前的功率因數(shù)；cos φ2為補償后的功率因數(shù)。
在實際應(yīng)用中，可根據(jù)事先計算好的表格查出所需補償?shù)臒o功容量。
通過補償，發(fā)電機輸出電流有效下降，功率因數(shù)由0.65優(yōu)化到0.9以上，濾除5次以上的高次諧波，電壓波動小，幅值平穩(wěn)，電網(wǎng)質(zhì)量得以提升。
根據(jù)921鉆井平臺的實際數(shù)據(jù)，計算最大應(yīng)補償?shù)臒o功功率。
直流傳動的最大功率可達到4 800 kW，通過下列公式可計算：
計算結(jié)果Q=3 264 kvar。
3 結(jié)語
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