大電機起動在海上電力孤網中的研究與分析

摘 要：近年來隨著海上油氣田平臺的滾動開發，油氣田規模越來越大，電力負荷接近電站額定載荷，電網熱備容量匱乏。而平臺對空氣壓縮機、注水泵、原油輸送泵等大電機的功率需求越來越大，以及平臺間輸、變電變壓器容量的提升。諸如大功率電機及大容量變壓器設備的起動過程，對海上電力孤網系統造成較大沖擊，嚴重危害海上電網的穩定性和可靠性。本文通過對大電機起動方式的研究及工程案例分析，探索適于海上電力孤網系統的大負載起動模式。

關鍵詞：海上油氣田平臺；電力孤網；大電機起動

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.159

1 海上平臺電網簡介

海上油氣田的供電方式主要有集中供電和獨立（分散）供電。集中供電系統電力網主要為單回路的放射式系統和單回路的鏈式系統兩大類。目前海上平臺電網多為孤島模式，主電站的總裝機容量以及單機容量都偏小，主機燃料類型多為天然氣、原油、柴油或雙燃料混合型。目前天然氣發電數量有所增加，降低了平臺電網的穩定性。

目前海上平臺常用的大電機起動方式主要有直起和降壓起動，降壓起動又包括星-三角起動、軟起動、變頻起動。下述以渤中13-1油田降壓增產項目為案例進行分析。

2 案例分析

渤中13-1油田新建一座4腿BOP平臺，與原WHPB平臺通過棧橋連接。根據生產要求，BOP需增設3臺天然氣壓縮機，單臺額定功率1500kW，采用6.3kV交流供電。新建BOP平臺與WHPB平臺電力電網并網運行，電站包括兩部分。

其一：原WHPB平臺上設有2臺額定功率4800kW的燃氣透平發電機組（6.3kV/50Hz），機組一用一備運行。主發電機組除了滿足本平臺正常的生產、生活外，還通過1臺6.3kV/10.5kV、1600kVA升壓變壓器和1條海底電纜（3×120mm2，17.32km）給CFD18-1平臺供電，另通過1臺6.3kV/10.5kV、2500kVA升壓變壓器和1條海底電纜（3×120mm2，10.48km）給CFD18-2平臺供電。

目前WHPB平臺、CFD18-1平臺和CFD18-2平臺總用電負荷最大共計約1420kW。

其二：新建BZ13-1BOP平臺新增最大總負荷共計約4708kW。BOP平臺配置三臺然氣發動機發電機組（6.3kV/50Hz，950kW/臺），通過同期裝置與WHPB平臺的兩臺TAURUS 60燃氣渦輪發電機組（6.3kV/50Hz，4800kW/臺）聯網，最大負荷年正常情況下1臺透平機組備用，其余機組運行。并通過EMS系統進行電站管理。

最大負荷年總負荷為6128kW。需1臺4800kW的透平機組和3臺950kW的然氣發動機發電機組并網運行，均負荷率80.1%。WHPB平臺另1臺4800kW的透平機組備用。電力系統一次圖如下：

壓縮機啟動分析：

計算模擬分析采用EDSA軟件，模型的建立基于電力一次單線圖及負荷計算等。 考慮正常生產情況下的發電機組運行工況：BOP平臺的三臺950kW然氣機組運行；WHPB平臺的1臺4800kW透平機組運行，1臺備用，應急機組備用。

模擬分析按照1臺壓縮機正常運行，啟動第2臺1500kW的壓縮機考慮，仿真表明：全壓直起時母線壓降16.89%，“Y-△”起動時母線壓降8.12%。可知，全壓直啟壓降過大，近于20%，需采用“Y-△”、軟起動或變頻起動方式，以滿足 “大電機啟動所造成的壓降應該限制在標稱系統電壓20%以內”的技術要求，天然氣發電機組和透平均無過載。

鑒于天然氣發電機組本身特性，通過與卡特彼勒、康明斯和瓦錫蘭發電機廠家技術交流，并結合海上平臺然氣發電機組的使用現狀，分析如下：然氣發電機均無過載能力，抗沖擊能力較弱；天然氣發電機的突加負載能力較弱，常規然氣發電機需分六次平穩加至滿負荷，首次最大突加 25% 負荷，隨后負荷遞減增加，時間總計2分鐘，每次頻率變化10%，恢復到穩定狀態需15秒，且突加負載能力隨發電機負荷率上升而下降；機組需多次才能加載到滿負荷，且時間過長。

通過上述分析，并考慮BOP電站與WHPB電站組網的情況，配置了能量管理系統（EMS），用于負荷分配，也便于在大電機起動過程中提供應對策略。鑒于然氣發電機自身出力偏小，在BOP平臺存在一種“小馬拉大車”現象，故將然氣發電機組調節至恒功率模式，通過外部（EMS系統）給定功率值或者自身設定給定功率值，以期最低限度承擔電網的波動，對然氣發電機組起到保護作用。但進一步考慮到然氣發電機組的動態響應情況很難做到實時模擬，加上海洋平臺電力孤網的脆弱，給出了如下2種解決措施：

（1）壓縮機采用變頻起動。采用變頻起動，能夠控制起動電流，降低電機起動時對于電網容量的要求，能夠最大限度降低對電網的沖擊。

（2）壓縮機仍采用軟起動，并配置配套無功補償裝置（SVG）。在大電機起動過程，通過SVG動態跟蹤電網電能質量變化，實時調節無功補償，保證啟動大電機的無功需求，且動太響應時間不大于5ms。

3 總結

該項目考慮平臺空間的限制及費用投資，采用“二拖三”變頻器起動模式，提高了起動穩定性。在后期投產應用上得到驗證，很好地完成了設備起動，對電網沖擊也遠遠低于規范要求。在隨后的岐口18-1調整項目電網遺留問題優化工程中，將“軟起動+SVG”模式用于大電機起動，也達到了預期效果。給海上平臺后期涉及大動機起動的工程，提供了解決方案和依據。

參考文獻：

[1]胡育文，黃文新，張蘭紅.異步電機起動/發電系統的研究[J].電工技術學報，2006（05）.

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