海洋鉆井平臺電站無功補償技術應用分析

董呈彬（中國石化勝利石油工程有限公司海洋鉆井公司）

中國石化勝利石油工程有限公司海洋鉆井公司平臺的電站設備大多是19 世紀80年代的產品，電站由多臺柴油發電機組并網發電，發出600 V 交流電，經過可控硅整流系統整流成直流電，驅動直流電動機，帶動絞車、泥漿泵、轉盤或頂驅等鉆井設備。隨著海上勘探事業的發展，平臺電站電力不足、能耗量大的問題越發突出[1]。結合海上生產實際，在勝利9 號平臺應用了動態無功功率補償技術，對平臺設備進行了技術改造。實踐表明，此舉改善了電站功率因數[2]，提升了平臺的施工作業能力，降低了平臺能耗，取得了明顯的經濟效益。

1 鉆井平臺電站無功分析

1.1 影響平臺電站功率因數的因素

1）變壓器、電動機設備造成的穩態無功。在海洋鉆井平臺電站形成的小電網供電網絡中，絕大多數用電設備如直流電動機、變壓器、交流異步電動機等均屬于感性負載，這些設備運行過程中不但要從供電系統取用有功功率P ，還將取用大量的無功功率Q ，系統中的視在功率為。功率因數為λ=P/S=cos φ ，φ 是負載的阻抗角，也就是說由負載本身的性質決定功率因數的大小。

2）鉆井工況特點造成的諧波。海洋鉆井平臺上柴油發電機組發出的600 V 交流電首先經過SCR系統整流成直流電，然后再驅動鉆井絞車、泥漿泵、頂驅/轉盤等設備的直流電動機，拖動鉆井設備進行鉆井生產。SCR 整流裝置采取移相控制，從600 V 電網中吸收的正弦波缺角，電網中留下的另一部分正弦波也缺角，顯然在留下的部分正弦波中含有大量的諧波，4 臺可控硅整流裝置是SCR 系統的主要諧波源。

此外，鉆井絞車在接鉆桿或起下鉆具時，通常以較大的電流啟動，從空載到滿載、再從滿載到空載不停的變化，造成600 V 電網供電系統很大的沖擊，使鉆井平臺電站電網造成很大的電壓波動。此時，可控硅整流裝置處于深度控制，系統的功率因數通常降低為0.4 左右。

1.2 無功的增加對線路的影響

系統無功的增加，使電網的功率因數大大降低，對供電系統造成了巨大危害。

1）功率損耗增大。以單回路進行分析，設線路電流為I ，線路電阻為R ，則該線路的損耗功率ΔP 是：

式中Ue為額定電壓，Q 為無功功率。

將上式變形為：

由（2）知，當線路的額定電壓和有功功率均為定值時，線路有功損耗與功率因數的平方成反比，即功率因數越低，線路損耗越大[3]。

2）電壓損失增大。供電線路的電壓損失ΔU 為：

線路的無功功率越大，功率因數就越低，線路中的損失電壓就相對越大。

3）設備的供電能力降低。鉆井平臺電站由大功率柴油發電機組供電，用視在功率S 表示供電能力（容量）。由可知，由于功率因數降低，無功功率就增大，一定容量的柴油發電機組提供的有功功率就減少，也就大大降低了柴油發電機機組功率發揮。

2 改造方案

勝利九號鉆井平臺電站由4 臺1000 kW 的卡特柴油發電機組構成，主要用電設備為絞車、泥漿泵、轉盤或頂驅等鉆井設備的8 臺直流電動機、大量的驅動輔助機械的交流異步電動機以及生活設施等等。

為了提高平臺電站功率因數，減少負載電流，根據鉆井機械負載的運行特性以及改造計劃，在平臺維修期間對平臺電站進行改造：在電控房內發電機配電盤供電母線上連接低壓實時無功功率動態補償裝置。利用電腦控制晶閘管投切電抗器和電容器組成的串聯電路進行無功補償，達到濾除電網中高次諧波、提高功率因數和電網質量的目的。

補償系統結構圖與無功功率動態無功補償裝置見圖1。

圖1 補償系統結構圖

3 補償技術應用效果

海洋鉆井平臺在進行升降平臺作業、鉆井、試油作業等各種工況時的總負荷是差異很大的。發電機的額定值為1000 kW、600 V、1375 A，表層鉆井、二開鉆進等大負荷作業工況時，需要3 臺及以上柴油發電機組供電。

以海洋鉆井公司勝利九號鉆井平臺在施工埕北6FA-6 井時，采取高壓大排量鉆進工況為例，分析對比補償裝置應用前后電網功率因數的變化情況。

假定4 臺柴油發電機組并車供電，并且載荷均衡分配。

高壓大排量鉆井工況下，2 臺泥漿泵滿載荷運行，泵沖速為100 min-1，泵壓為21 MPa，每臺泥漿泵都是2 臺直流電動機驅動，負載電流是2×1150 A，電傳柜的額定輸出電流為2300 A，換算到交流側電流為1877 A；絞車也是由2 臺直流電動機驅動，大約運行一半負荷時，電流是1050 A，電傳柜的額定輸出電流是1050 A，換算到交流側電流是857 A；頂驅由1 臺直流電動機驅動，大約運行一半負荷時，電流為550 A，換算到交流側電流為449 A。補償裝置投入前后電網系統對比見表2。

表2 補償裝置投入前后電網系統對比

由表2 可以看出，投入動態無功功率補償裝置后，系統功率因數提高至0.95，發電機電流和無功功率大幅降低，降低了系統線路損耗和設備磨損，改善了電網電壓波形質量，延長平臺用電設備的使用壽命，達到了節能目的，同時，節約了設備的維修費用，獲得較好的經濟效益和社會效益。

4 結論

通過在勝利九號鉆井平臺電站安裝無功功率補償裝置，電站小電網系統的功率因數提升了，供電質量得到了改善，在鉆井工作可靠性提高的同時也大幅降低了生產成本，達到了節能降耗增效的目的，是一項簡單易行、投資少收益大的有效節能措施。隨著海上油田的進一步開發，控制成本、節能降耗是未來發展的趨勢，作為一項重要的節能措施，無功補償裝置在鉆井平臺電站的推廣潛力巨大。

[1]崔隨來,張銅鋆,郭擁軍,等.鉆井平臺電站無功補償[J].石油礦場機械,2004,33(5):87-88.

[2]馮莉萍,戴春芳,王濱海,等.海洋鉆井平臺諧波成因與治理分析[J].石油礦場機械,2007,36(6):23-25.

[3]楊永清.功率因數對電站發電機的影響及提高方法[J].移動電源與車輛,2003(4):7-9.