海上平臺(tái)與模塊鉆機(jī)電力組網(wǎng)模式的應(yīng)用分析及探討

崔勝 郭明荃 張?zhí)靸x 伍宏明

摘要：介紹了海上平臺(tái)組塊電站與鉆機(jī)發(fā)電機(jī)組網(wǎng)供電的設(shè)計(jì)，在平臺(tái)海上聯(lián)合調(diào)試期間，組網(wǎng)狀態(tài)下平臺(tái)主電站可以為模塊鉆機(jī)提供臨時(shí)主電，同時(shí)在后期實(shí)際生產(chǎn)過程中，平臺(tái)主電站可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)負(fù)荷情況，在供電能力允許的條件下與鉆機(jī)自備柴油發(fā)電機(jī)組網(wǎng)共同給模塊鉆機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)與生產(chǎn)組塊電氣一體化。

關(guān)鍵詞：組網(wǎng);海洋平臺(tái);模塊鉆機(jī);EMS

0? ? 引言

在海上平臺(tái)電氣系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)中，平臺(tái)電站在平臺(tái)調(diào)試投產(chǎn)初期向模塊鉆機(jī)供電，平臺(tái)正式投產(chǎn)后，模塊鉆機(jī)轉(zhuǎn)由自身電站供電。平臺(tái)電站只向模塊鉆機(jī)提供一路400 V的維保電源、一路應(yīng)急電源以及UPS和導(dǎo)航電源。為進(jìn)一步創(chuàng)新降本，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)與平臺(tái)電氣系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，海上某氣田采用了海上平臺(tái)與模塊鉆機(jī)電力組網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，以下針對(duì)此類型電力組網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要分析。

1? ? 組網(wǎng)方案介紹

1.1? ? 總體電氣系統(tǒng)方案

平臺(tái)組網(wǎng)電力系統(tǒng)包含平臺(tái)組塊和模塊鉆機(jī)兩部分，具體說明如下：

1.1.1? ? 平臺(tái)組塊電力系統(tǒng)

設(shè)置主電站，包括2臺(tái)10.5 kV燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)，設(shè)有兩臺(tái)10.5/0.4 kV主變壓器，為平臺(tái)低壓用電設(shè)備提供電源。組塊另設(shè)置2臺(tái)10.5/0.69 kV降壓變壓器，在透平發(fā)電機(jī)供電能力允許的條件下，通過該2臺(tái)變壓器給模塊鉆機(jī)提供電力或與模塊鉆機(jī)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)供電。

1.1.2? ? 模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)

模塊鉆機(jī)設(shè)置主電站，包括4臺(tái)0.69 kV柴油發(fā)電機(jī);鉆機(jī)模塊母排被分成LA和LB兩段，由平臺(tái)組塊提供兩路電源供電。

1.2? ? 組網(wǎng)工況介紹

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果及電站情況進(jìn)行考慮，組網(wǎng)供電可行性及工況分析如表1所示。

2? ? 電力系統(tǒng)計(jì)算分析

在此次設(shè)計(jì)中，通過組網(wǎng)模型建模，先后進(jìn)行了潮流、短路及穩(wěn)定性分析。

2.1? ? 潮流分析

潮流計(jì)算的目標(biāo)是針對(duì)投產(chǎn)后的兩種組網(wǎng)工況（表1）進(jìn)行潮流校核，計(jì)算結(jié)果用來檢驗(yàn)各工況下組塊和模塊鉆機(jī)電壓是否滿足要求。

平臺(tái)各工況下潮流計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，兩種工況下，各母排最大壓降均不超過3%，滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

2.2? ? 短路分析

短路計(jì)算的目的是計(jì)算組網(wǎng)系統(tǒng)各母排預(yù)期的短路電流值，為平臺(tái)及模塊鉆機(jī)主要電氣設(shè)備選型提供依據(jù)。

短路電流計(jì)算需選取可能出現(xiàn)的各種工況，考慮模塊鉆機(jī)690 V母排容易出現(xiàn)短路電流超出母排最大短路容量的情況，因此針對(duì)模塊鉆機(jī)690 V母排進(jìn)線開關(guān)及母聯(lián)開關(guān)不同狀態(tài)進(jìn)行短路電流組合分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

通過計(jì)算結(jié)果分析可知，當(dāng)模塊鉆機(jī)母聯(lián)閉合時(shí)，為滿足短路容量要求，在運(yùn)行2臺(tái)以上透平機(jī)組時(shí)，可同時(shí)運(yùn)行2臺(tái)柴油機(jī)組;在運(yùn)行1臺(tái)透平機(jī)組時(shí)，可同時(shí)運(yùn)行3臺(tái)柴油機(jī)組;以上工況必須保證進(jìn)線1和進(jìn)線2不同時(shí)閉合。當(dāng)模塊鉆機(jī)母聯(lián)斷開時(shí)，在全部發(fā)電機(jī)組同時(shí)在線運(yùn)行時(shí)也可滿足短路容量要求。

因此，建議在組網(wǎng)供電工況下，采用兩種方案滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行要求：

（1）采用操作規(guī)程限制，平時(shí)模塊鉆機(jī)母聯(lián)開關(guān)保持常開狀態(tài)。

（2）采用快速限流器裝置，在短路電流超出短路容量時(shí)自動(dòng)斷開母聯(lián)開關(guān)。

2.3? ? 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性分析是通過軟件仿真石油平臺(tái)組網(wǎng)工況下，平臺(tái)發(fā)生發(fā)電機(jī)組故障和組網(wǎng)變壓器故障的暫態(tài)過程，分析平臺(tái)組網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響[1]。

穩(wěn)定性分析的工況分類如表1所示，分別針對(duì)各工況做如下分析：

2.3.1? ? 工況1下切除1臺(tái)燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)

工況1下聯(lián)網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，若切除一臺(tái)燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)，電網(wǎng)電壓和頻率會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，在7 s左右降到0，單純依靠自身無法保持穩(wěn)定。在此情況下，如在0.2 s后切除3.5 MW負(fù)載，則可保證系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。

2.3.2? ? 工況2下切除3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)

工況2下聯(lián)網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，若切除3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，電網(wǎng)電壓和頻率會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，且在8 s左右降到0，單純依靠自身無法保持穩(wěn)定。在此情況下，如在0.2 s后切除3.5 MW負(fù)載，則可保證系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。

2.3.3? ? 工況2下組網(wǎng)變壓器故障

工況2下聯(lián)網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，若組網(wǎng)變壓器發(fā)生故障，若在0.2 s內(nèi)切除故障變壓器，則系統(tǒng)解列為組塊和模塊鉆機(jī)兩個(gè)子系統(tǒng)。兩個(gè)子系統(tǒng)均可恢復(fù)穩(wěn)定。

針對(duì)3種情況的分析，結(jié)論如下：

（1）建議在組塊或模塊鉆機(jī)故障時(shí)，若系統(tǒng)無法依靠自身恢復(fù)穩(wěn)定，應(yīng)優(yōu)先考慮卸載組塊負(fù)載。

（2）若組網(wǎng)變壓器故障，切除故障后，電網(wǎng)解列為組塊和模塊鉆機(jī)兩個(gè)系統(tǒng)。由于該工況兩個(gè)系統(tǒng)功率交換較小，因此系統(tǒng)依靠自身能力能夠恢復(fù)穩(wěn)定。

3? ? EMS系統(tǒng)

為滿足組網(wǎng)電力調(diào)度、故障處理等功能需求，根據(jù)組塊及模塊鉆機(jī)實(shí)際情況，設(shè)置對(duì)全電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)視和控制的EMS系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)采集和安全監(jiān)視、頻率調(diào)整和控制、電壓調(diào)整和控制、優(yōu)先脫扣等功能[2]。總體方案如下：

3.1? ? 平臺(tái)組塊EMS中心站配置

組網(wǎng)后在平臺(tái)組塊設(shè)置EMS中心站，配置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，配置操作員工作站和工程師站，同時(shí)該EMS中心站配置現(xiàn)場冗余控制器、冗余網(wǎng)絡(luò)模塊、冗余電源、I/O單元等控制設(shè)備。中心站主要完成平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和安全監(jiān)視、頻率調(diào)整和控制、電壓調(diào)整和控制、優(yōu)先脫扣等功能。

3.2? ? 模塊鉆機(jī)配置EMS控制站

模塊鉆機(jī)配置EMS控制站，主要完成平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和安全監(jiān)視、頻率調(diào)整和控制、電壓調(diào)整和控制、優(yōu)先脫扣等功能。

4? ? 結(jié)論及建議

根據(jù)以上平臺(tái)組塊和模塊鉆機(jī)組網(wǎng)實(shí)例分析，這類組網(wǎng)是有效、可行的，同時(shí)也有需要注意的問題，如組網(wǎng)后短路電流過大，因此建議設(shè)計(jì)時(shí)采用合理的組塊與模塊鉆機(jī)電氣系統(tǒng)安全調(diào)度運(yùn)行機(jī)制，使用電氣聯(lián)鎖及完善的操作規(guī)程來保證安全生產(chǎn)，同時(shí)采用快速限流器等先進(jìn)設(shè)備，從硬件上解決此類問題。

組塊和模塊鉆機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，可以發(fā)揮組網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，節(jié)省模塊鉆機(jī)電站的柴油消耗，同時(shí)也為操作提供了更高的靈活性，實(shí)現(xiàn)組塊和模塊鉆機(jī)的電站電能互補(bǔ)，這將是海洋石油平臺(tái)電站設(shè)計(jì)走向智能化、高效化的一個(gè)有效方案。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 許瑞生，肖凱，龔萍，等.海上油氣田電力組網(wǎng)技術(shù)探討[J].電工技術(shù)，2013（6）：62-64.

[2] 李鑫，楊炳發(fā)，魏澈，等.電力組網(wǎng)技術(shù)在海洋油氣田平臺(tái)開發(fā)中的應(yīng)用[J].中國海洋平臺(tái)，2011，26（2）：53-56.

收稿日期：2020-09-01

作者簡介：崔勝（1985—），男，天津人，高級(jí)工程師，主要從事海洋工程電氣設(shè)計(jì)工作。

郭明荃（1986—），女，天津人，高級(jí)工程師，主要從事海洋工程電氣設(shè)計(jì)工作。