海上油氣田電力組網技術研究與實踐

吳 鋒 胡 輝 胡 鵬 鄒道標 李大全

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司)

海上油氣田電力組網技術研究與實踐

吳 鋒 胡 輝 胡 鵬 鄒道標 李大全

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司)

根據我國海上油氣田電力系統穩定運行、邊際油氣田滾動開發和節能降耗的生產需求,結合潿西南油田群實際情況,對長距離、小機組電力組網進行了探索研究,提出了解決電壓控制、頻率波動、發電機自激、勵磁涌流等技術難題的措施。潿西南油田群電力組網一期工程的投入運行,標志著我國海上油氣田電網系統建設已取得重大突破,對海上油氣田開發和生產具有重要的戰略意義。

海上油氣田 長距離小機組電力組網 電壓控制 頻率波動 發電機自激 勵磁涌流

以往我國海上油氣田的供電模式基本上是每個油氣田裝配一個獨立電站供電,其缺點是供電可靠性差、投資大,且擠占海上平臺空間。為增強我國海上油氣田電力系統供電可靠性,保障生產安全、穩定、經濟運行,滿足邊際油氣田滾動開發和節能降耗的生產需求,中海石油(中國)有限公司湛江分公司于2006年5月對潿西南油田群提出了電力組網設想,針對該油田群電力系統現狀,開展了長距離、小機組電力組網探索研究,解決了電力組網所面臨的電壓不可控及無功平衡、頻率波動、勵磁涌流等技術難題,實現了潿西南油田群電力聯網供電,將過去各油田“獨立供電”變為了“網絡供電”,構建了我國海上第一個由多機組、高壓輸送與低壓配電網絡組成的電力系統。

1 潿西南油田群電力組網前狀況及組網條件

1.1 電力組網前狀況

潿西南油田群已建海上油田終端各自裝配有獨立電站,各油田通過自備電站為其中心平臺、井口平臺提供電力。此外,潿洲島終端處理廠(以下簡稱W ZIT)裝配有1個裝機4281 kW×4的主電站,組網前各油田之間及各油田與W ZIT之間沒有電力聯系。

潿西南油田群已建的油田終端電站有5個,共有14臺發電機組,總裝機容量為49485 kW。目前潿西南各油田終端負載用電負荷總共為21539 kW,當14臺發電機組全部運行時剩余裝機容量為27946 kW1)。

1.2 電力組網條件

(1)各電站原發電機組的各種保護功能齊備,發電機組本身具備并車功能,現有的W ZIT、WZ12-1油田和WZ11-1油田自備電站的電壓等級、頻率、電制完全一樣。

(2)將現有的 WZIT、WZ12-1油田和 WZ11-1油田的獨立電站并聯組網,所需增加的關鍵設備包括高/中壓配電裝置、帶負荷調壓干式變壓器、光電復合型海底電纜、能量管理系統、并網裝置、無功補償裝置等,這些設備均可實現國產化,設備維護及元器件更換更為快捷、方便。

(3)能量管理系統(實時處理、提供及時和準確的更新數據)、各種繼電保護裝置、同期裝置、大電機禁止啟動控制系統、低周減載保護裝置(用于優先脫扣)、發電機遠程監控系統、開關過程管理系統等組網所需的控制功能技術成熟。

2 長距離、小機組電力組網技術難題及解決措施

2.1 配置電抗器進行無功補償,以滿足電壓控制和無功平衡要求

潿西南油田群電力組網的特點之一是油田間海底電纜線路較長(最長距離為50 km),而正常情況下發電機組單機容量較小,線路輸送潮流很輕,因此海底電纜充電電流較大(據計算合計約達50 A)。鑒于油田運轉設備大多數為異步電機,平均功率因數約為0.8,正常生產情況下負荷波動較小,最小負荷率往往在70%以下,加之本工程35 kV電纜線路較長,輕載時充電功率較大,因此為滿足電壓控制和無功平衡要求,本項目配置電抗器進行無功補償[1]。

2.2 采用優先脫扣技術解決頻率波動問題

電網故障仿真計算表明,聯網后組成的小系統切機或切負荷對發電機組運行頻率影響較大,需裝設高周切機及低周減載保護裝置(優先脫扣),當運行頻率高于52 Hz時需切除部分發電機組。目前現有設備可滿足這一要求,一旦出現單相或兩相斷線,必須快速切除電纜,否則將引起故障相電壓升高至額定電壓的2.4倍左右,影響供電安全。

2.3 并網時投入電抗器防止發電機自激

經校核計算發現,單臺發電機帶電纜線路會引起發電機自激(即自勵磁),而2臺發電機組同時帶電纜線路或并網時投入電抗器可以防止發電機自激。因此,本項目并網采用2臺發電機組同時投入電抗器的方式。

2.4 采用涌流抑制器解決變壓器勵磁涌流問題

潿西南油田群的電力組網為小發電機組大變壓器組網,變壓器空載合閘時最大勵磁涌流將達到額定電流的6～10倍。由于發電機機組數量較少,總容量小,勵磁涌流將對電網及發電機電壓的建立產生較大的影響,本項目采用涌流抑制器解決變壓器空載合閘時的勵磁涌流問題[2]。

3 潿西南油田群電力組網整體方案研究

3.1 電力組網設計

為充分利用各油田的裝機容量,提高各平臺的供電可靠性及經濟性,解決各平臺在電源檢修或發生事故退出運行時的供電問題,并降低油田開發、生產成本,對潿西南油田群進行了電力組網規劃,將W ZIT、W Z12-1 油田、W Z11-1N 油田(不設電站 ,由電網供電)和WZ11-1油田通過海底電纜聯接構成小型電力系統,同時預留出給待開發油田供電的容量和接口。

從潿西南油田群各油田終端裝機容量、負荷與油田間距離情況來看,最大裝機容量小于20000 kW,各油田負荷均在10000 kW以下,相隔最遠的2座平臺相距約為50 km,輸電線路均處在35 kV及110 kV電壓等級供電適用范圍內?？紤]到線路輸送潮流較輕,從經濟性出發,組網主干線路的電壓等級推薦采用35 kV;而WZ11-1N油田到WZ11-1油田距離小于3 km,推薦其輸電線路電壓等級采用10 kV。由于各油田終端均無特殊供電要求且均有自備電站,在海底電纜出現故障時這些自備電站可供電給各自油田,因此,從經濟性出發提出了以下電力組網設計:在 WZIT與 WZ12-1油田、WZ12-1油田與 W Z11-1N油田、W Z11-1N油田與 W Z11-1油田間各敷設一條海底電纜,構成鏈式供電系統(圖 1)。

圖1 潿西南油田群35 kV電力組網設計示意圖

3.2 電氣主接線方式

電力組網一期工程首先要考慮 WZIT和WZ12-1油田的聯網。根據供電可靠性及經濟性要求,推薦WZIT和WZ12-1油田聯網的35 kV電氣主接線方式如下:

(1)WZIT電氣主接線(圖2a) WZIT電站裝機容量較大,是潿西南油田群電力系統的供電主力,為提高其供電可靠性,配置2臺12500 kVA的35 kV主變壓器,這樣在單臺主變壓器退出運行的情況下,另一臺主變壓器仍可送出部分電力。單臺主變壓器容量為12500 kVA,采取有載調壓,變比為(38.5 kV±8 kV×1.25%)/6.3 kV。35 kV側主接線采用單母線接線,除往WZ12-1油田出線外,預留給待建平臺供電的出線接口;6.3 kV側主接線采用單母線分段接線。

圖2 潿西南油田群W ZIT和WZ12-1油田聯網電氣主接線方式

(2)WZ12-1油田電氣主接線(圖2b) 給W Z12-1油田電站配置1臺12500 kVA的35 kV主變壓器,采取有載調壓,變比為(38.5 kV±8 kV×1.25%)/6.3 kV。35 kV側主接線采用單母線接線,除往WZ12-1、WZ11-1N油田出線外,預留給待建平臺供電的出線接口;6.3 kV側主接線采用單母線接線,預留給負荷較輕的鄰近平臺供電的出線接口1)。

3.3 海底電纜選型

對組網后各種極端運行方式下各海底電纜導線的輸送容量進行了計算,其結果見表1。計算中綜合考慮了各油田供電能力及負荷,預計在WZIT負荷低谷期(負荷接近于0,4臺4281 kW機組均有能力向其他油田供電)以及 WZ12-1與 WZ11-1油田電站均不發電的情況下海底電纜輸送容量最大。

據此,規劃對潿西南油田群電網采用銅三芯、交聯聚乙烯絕緣、三相分相鉛包、聚乙烯外護層、鋼絲鎧裝、聚丙烯繩外披覆復合光單元的海底電力電纜。經計算,W ZIT至 W Z12-1油田間選用3×185 mm2/35 kV復合光電海底電纜,W Z12-1油田至 W Z11-1N油田間選用 3×120 mm2/35 kV復合光電海底電纜,W Z11-1N油田至W Z11-1油田間選用3×150 mm2/6.3 kV復合光電海底電纜。

表1 潿西南油田群電力組網海底電纜輸送容量計算結果

3.4 中性點接地方式

經計算,潿西南油田群電網35 kV海底電纜的電容電流約為103A,超出了SD—79《電力設備過電壓保護設計技術規程》規定的35kV不接地系統電容電流不超過10A的要求,需要對系統采用經消弧線圈接地的保護方式,因此對WZIT和WZ12-1油田的3臺主變壓器在高壓35 kV中性點各設置1臺消弧線圈接地裝置。

考慮到當已建 WZ11-1、WZ11-1N平臺和在建的W Z6-8、W Z6-9井口平臺(隸屬于 W Z12-1油田)電力系統投入電網時,因35 kV線路的負荷增加,電容電流大大增加(約達到225 A),此情況下將得不到足夠容量的消弧線圈進行補償,但由于此時電網之間的聯系已經加強,發生故障時切除故障回路不會造成電網解裂,所以建議電力組網遠景采用中阻接地。

3.5 系統通信方案

為滿足各采油平臺及中心站WZIT之間各類語音、自動化控制、數據、圖像和電纜線路繼電保護等信息的通信,規劃建設 WZIT─WZ12-1油田─WZ11-1N油田─WZ11-1油田的光纜線路,其光纜采用 G.652光纖復合海底35 kV電力電纜,同時在W ZIT、W Z12-1油田、W Z11-1N 油田、W Z11-1油田站點各配置1套基于多業務傳輸平臺的SDH設備(光同步數字傳輸設備)和 PCM設備(脈碼調制錄音設備),SDH設備采用光纖構成155 M二纖通道保護,同時每段光纜提供專用光纖傳輸35 kV電纜線路繼電保護信息[3]。由中心站 WZIT現有的交換機通過PCM設備遠端放號為各采油平臺提供電話業務,該光纖系統圖見圖3。

圖3 潿西南油田群光纖系統圖

3.6 能量管理系統設計

能量管理系統設計的總體思想是建設一套對潿西南油田群電網進行實時監視和控制的能量管理系統,其主要功能包括數據采集與安全監視、發電調整與控制、電壓調整與控制、低周減載、故障閉鎖與恢復、開關過程管理等。該系統包括1套主站系統,4套子站系統。其中主站系統安裝在 W ZIT,子站系統分別安裝在 WZIT、W Z12-1油田、W Z11-1N油田和 WZ11-1油田,主站與子站通過網絡(由通信專業光纖通信系統提供100 M以太網通道)進行通信。

3.7 二次系統設計

潿西南油田群一次系統推薦方案是以35 kV電壓等級單回路鏈式連接W Z11-1N油田、W Z12-1油田和 WZIT,據此對其二次系統作如下設計:在WZIT至 W Z12-1油田海底電纜 35 kV線路及WZ12-1油田至W Z11-1N油田海底電纜35 kV線路兩側各配置1套三相光纖電流差動保護裝置,并要求該保護裝置除具備三相電流差動保護功能外,還應具有相間距離和接地距離保護、零序方向電流保護及三相一次重合閘功能,線路保護通道采用光纖專用芯通道。另外,為保證電網安全穩定運行,對W ZIT、WZ12-1油田、WZ11-1N油田各配置一面6.3 kV低壓低周減載柜,同時對各臺機組均裝設高周切機裝置。

4 潿西南油田群電力組網方案實施效果及其意義

潿西南油田群電力組網項目一期工程(WZIT與WZ12-1油田電力組網)已于2008年12月18日正式投入運行,實現了我國第一個長距離、小機組海上油田群電力組網,該電網系統投入使用以來,一直運行穩定,經濟和社會效益顯著,主要體現在:

(1)電力組網減少了海上設施發電機開機臺數,提高了單臺發電機組的負荷率,提高了發電機機組效率,降低了透平發電機的損耗,節約了能源。經測算,實施電力組網項目后潿西南油田群每年可以節約11283 t標準煤(未計算線路損耗)。

(2)利用該電網供電方案,可使正在實施的W Z11-1N油田開發工程項目節省投資約6000萬元,并可使后續的 W Z6-8、W Z6-9油田建設減少初始投資約6500萬元。

(3)海上油氣田透平發電機的操作成本及維修費用一直居高不下,但實現電網供電后減少了發電機組及其附屬設備,按照現有油田實際費用計算,每年可節約上千萬元的維修、操作費用。

(4)組建電網向海上油氣田供電并優化機組配置,可以大大降低天然氣的消耗及CO2的排放。

(5)潿西南油田群電力組網是節約資源、減排降耗的重要舉措,也是建設節約型社會的一次良好實踐,其經濟效益和社會效益十分顯著。該系統的投入運行標志著我國在海上油氣田電網系統建設上取得了重大突破,對我國海上油田開發和生產具有重要的戰略意義。

致謝:福建省電力勘測設計院邱國華經理和張繼芬總工程師,中海油研究總院王建豐總監和向守安高級工程師對本項目研究工作給予了技術支持與指導,中海石油(中國)有限公司開發生產部和湛江分公司相關部門也給予了大力支持和通力配合,在此表示衷心感謝。

[1] 韓水.配電網無功優化及無功補償裝置[M].北京:中國電力出版社,2006.

[2] 葉念國.抑制變壓器勵磁涌流的新方法[M/OL].中國工業電器網,(2007-02).http://www.cnelc.com.2009-05-22.

[3] 王士政.電網調度自動化與配網自動化技術[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

Study and practice of power group network technology for offshore oil and gas fields

Wu Feng Hu Hui Hu Peng Zou Daobiao Li Daquan
(Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,524057)

According to the requirements for stable running of power system for offshore oil and gas fields,the rolling development of marginal oil fields and the energy saving of production,combined with the actual situation of Weixinan oilfield group,we give a research on the long distance and small unit power group network in this paper.And we also propose some measures for solving the difficult technical problems such as voltage control,frequency fluctuation,generator self-excitation and inrush current.The operation of the Weixinan oilfield group first phase project marks a great breakthrough in the power network system for off shore oil and gas fields.And it has an important strategic significance to the development and production of offshore oil and gas fields.

offshore oil and gas fields;long distance and small unit power group network;voltage control;frequency fluctuation;generator self-excitation;inrush current

吳鋒,男,工程師,1992年畢業于北華大學電氣自動化專業。地址:廣東省湛江市坡頭區22號信箱(郵編:524057)。電話:0759-3900331。

1)柯呂雄,俞進,等.潿西南油田群電力組網項目可研報告.中海石油(中國)有限公司湛江分公司生產部及福建省電力勘測設計院,2007.

1)邱國華,張繼芬,等.潿西南油田群電力組網項目初步設計收口文件.福建省電力勘測設計院,2007.

2009-02-01改回日期:2009-08-26

(編輯:張金棣)