無功補償技術(shù)在海上油田的應(yīng)用與評估

吳必章(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司，天津 300459)

1 海上油田電網(wǎng)的特點簡介

海上油田孤島電網(wǎng)一般由幾臺原油發(fā)電機組或者透平機組并網(wǎng)組成相對獨立的電力網(wǎng)，裝機容量有限，對于大功率設(shè)備投入運行比較敏感，失電造成的經(jīng)濟損失、設(shè)備沖擊比較大，因此對電網(wǎng)的穩(wěn)定性、精細管理提出更高要求。

1.1 油田電力負荷性質(zhì)分析

油田主要的用電設(shè)備是交流電動機、變壓器、變頻器等非線性設(shè)備。電動機需要吸收無功功率建立旋轉(zhuǎn)磁場；變壓器也需要消耗部分無功建立變換的空間磁場。變頻器、UPS、電弧焊接設(shè)備等產(chǎn)生諧波分量也日益污染電網(wǎng)質(zhì)量。

1.2 無功功率對電網(wǎng)的影響

(1)降低發(fā)電機有功輸出能力、變壓器使用裕度。在油田電網(wǎng)系統(tǒng)中，功率因素低，會導(dǎo)致電流和視在功率增加，從而使發(fā)電機、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線載荷的增加。

(2)增加用電設(shè)備及線路損耗。在油田電網(wǎng)系統(tǒng)中，功率因素低，無功功率增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路損耗增加。線路損耗：ΔP=(IP2+IQ2)R，IQ2R這部分損耗就是由無功功率引起的[1]。

(3)增大供配電線路電壓降。在油田電網(wǎng)系統(tǒng)中，功率因素低，無功功率增加，會導(dǎo)致電流和視在功率增加。功率角δ的改變，會引起平臺端電壓壓降增大，使電網(wǎng)電壓劇烈波動。

(4)降低電網(wǎng)穩(wěn)定性。有功功率的波動一般對電網(wǎng)的影響較小，電網(wǎng)電壓的波動主要是由于無功功率的波動引起的。非線性設(shè)備在運行時會產(chǎn)生大量諧波，對變壓器、電機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。使電容器、電纜等過熱、絕緣老化、壽命縮短等[2]。

1.3 油田電網(wǎng)存在的問題及解決措施

隨著油田的后期發(fā)展，油田電網(wǎng)系統(tǒng)面臨裝機容量有限、單點電滑環(huán)及海纜容量有限、變壓器使用裕度不足等無法滿足油田后續(xù)持續(xù)發(fā)展的電力窘境。

在平臺投用無功補償裝置，提高功率因數(shù)、電壓值，降低運行電流、銅損，增加變壓器使用裕度，滿足后期電力增加需求。

2 無功補償理論技術(shù)支持

海油油田孤島電網(wǎng)輸出的功率除了把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能、熱能、光能等等這部分功功率，還有作為電氣設(shè)備能夠正常工作而建立磁場或者電場，只在電網(wǎng)中與電能進行周期性轉(zhuǎn)換無功功率。無功功率不消耗，但在裝機容量有限的海上孤島電站，影響發(fā)電機有功功率輸出。

2.1 無功補償工作原理

把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。降低因輸送無功功率造成的電能損失。如圖1所示：S=P+JQ；S1=P+J(QL-QC)。

圖1 無功補償工作原理示意圖

按照“分級補償，就地平衡”的原則，油田采取的補償方式是在平臺0.4 kV低壓盤母排并聯(lián)電容器。

補償依據(jù)：利用電能質(zhì)量檢測儀采集數(shù)據(jù)，推算單臺變壓器所需的無功補償量；既要考慮到改善功率因數(shù)，又要避免放大5次及5次以上諧波電流。

2.2 無功補償?shù)膬?yōu)勢分析

(1)減少海纜輸電線路電流，如圖1所示：ΔI2=I1-I2

(2)改善電壓降，提升近端平臺和遠端平臺的電壓E≌IRcosθ+sinθ

(3)改善輸電線路損失，如圖2所示：

圖2 無功補償后的各參量關(guān)系

原輸電線路電能損失：P=I1I1R

改善輸電線路電能損失：P=I2I2R=(I1cosθ1/cosθ2)2R

(I2cosθ2=I1cosθ1，I2=I1cosθ1/cosθ2)

(4)增加變壓器使用裕度。無功補償裝置投用后增加平臺主變壓器的使用裕度：ΔP=PN后-PN前

(PN前=SN×PFN=0.8SNPN后=SN×PF后=0.95SN)

3 油田電網(wǎng)投入無功補償后的效益評估

3.1 投入無功補償裝置前后電力數(shù)據(jù)對比分析

6個平臺無功補償裝置安裝在400 V低壓側(cè)，采取動態(tài)跟蹤式投入電容器裝置，以下電力數(shù)據(jù)采集是在無功補償裝置設(shè)定功率因PF=0.95時，分別從電站側(cè)和平臺側(cè)檢測的數(shù)據(jù)[3]。

(1)平臺側(cè)電力數(shù)據(jù)對比分析。6個平臺無功補償裝置投運前，檢測平臺低壓母線電壓為376 V，無功補償裝置投運后，各平臺母線電壓為386 V，各平臺電壓提高約10 V。平臺運行電流變化明顯，低壓側(cè)運行電流減少約520 A。

(2)發(fā)電機側(cè)電力數(shù)據(jù)對比分析。6個平臺無功補償裝置投運前，在FPSO電站監(jiān)測電網(wǎng)的電力數(shù)據(jù)，有功功率基本沒變，在22.99～23.10 MW之間(因有間斷運行設(shè)定，該波動在合理范圍)，無功功率約15.6 MVar；裝置投運后無功補償無功功率約12 MVar，功率因數(shù)在裝置投運前后分別為0.80和0.89。

3.2 對油田電網(wǎng)系統(tǒng)的效益評估

(1)經(jīng)濟效益和社會效益顯著。由于降低燃油帶來經(jīng)濟效益的同時，減少了大量燃油廢熱的排放量，降低了環(huán)境污染程度，社會效益顯著。

(2)提高發(fā)電機有功輸出使用裕度。在裝機容量不變的情況下投入無功補償，發(fā)動機減少低無功輸出，可降低發(fā)動機視在功率，意味著提高了發(fā)動機的輸出有功功率裕度。為油田的發(fā)展提供的更大的電能空間。有功負荷一定時，發(fā)電機視在功率輸出減小。無功補償投用后發(fā)電機輸出功率的減少量為：

6個平臺投入無功補償裝置后，發(fā)電機在輸出有功不變情況下，增加1.8 MVA視功余量，大大緩解了油田用電緊張的局面，為后續(xù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

(3)提高系統(tǒng)運行電壓、降低運行電流。投入無功補償裝置后400 V低壓盤提升10 V左右，每個平臺減少運行電流500 A左右。減少輸電線路因電阻而產(chǎn)生的熱量消耗。減少了電潛泵等用電設(shè)備運行電流，延緩電潛泵定子繞組的絕緣老化，延長其使用壽命，進一步降低修井作業(yè)頻度，因而降低維修成本，節(jié)約大量的設(shè)備成本、施工成本。

(4)提高功率因數(shù)。因油田正常生產(chǎn)用電設(shè)備基本不變，即負荷量基本不變，也即發(fā)電機輸出有功功率基本不變，而因無功補償裝置的投用，減少了發(fā)動機無功功率的輸出，視在功率減小，功率因數(shù)由原來的PF=0.8提高到PF=0.95；提高線路輸送有功功率的能力；降低輸電電纜的線損[4]。

(5)增加變壓器使用裕度。無功補償裝置投用后增加平臺主變壓器的使用裕度：

平臺主主變壓器SN=2 MVA，PF=0.8，則PN=2×0.8=1.6 MW

投入無功補償電容器后，PF=0.95，PN=2×0.95=1.9 kW

ΔP=1.9-1.6=0.3 MW，ΔP總=0.3×6×2=3.6 MW

不需增加變壓器及輸電電纜等前提下增加3.4 MW使用裕度，為油田的后續(xù)發(fā)展提供有力保障，同時節(jié)約大量的設(shè)備成本，施工成本，意義重大。

(6)降低諧波畸變分量，改善電-源品質(zhì)。通過實時監(jiān)測，無功補償投用后，5次和7次諧波等主要諧波分量的諧波電壓及電流均降低約50%，電網(wǎng)品質(zhì)得到很大的提升。這個結(jié)果意義重大，對油田系統(tǒng)設(shè)備來說，將大大消除諧波干擾，提高控制系統(tǒng)通訊、開關(guān)綜合繼電保護器的穩(wěn)定性；提高電力拖動功效及穩(wěn)定性；減少變壓器銅損及鐵損。

3.3 經(jīng)濟效益和社會效益顯著

投入無功補償裝置后，降低了諧波電流，提高了設(shè)備效能，降低設(shè)備故障發(fā)生率，延長設(shè)備壽命，降低設(shè)備管理成本，取得了巨大經(jīng)濟效益。同時節(jié)約能源消耗，降低燃油消耗，減少了大量燃油廢熱的排放量，降低了環(huán)境污染程度，社會效益顯著。

4 結(jié)語

調(diào)諧濾波無功補償技術(shù)在海上平臺采用分散補償，設(shè)備改造、安裝簡單，可以實現(xiàn)不停產(chǎn)安裝調(diào)試。可有效提高電網(wǎng)功率因數(shù)，提高電壓，降低運行電流，增加變壓器使用裕度，改善電網(wǎng)質(zhì)量，提高設(shè)備的利用率。降低燃油消耗量，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，節(jié)約生產(chǎn)成本、設(shè)備管理成本，在其他海上油田也極具推廣的參考意義。