半潛式生產平臺電力系統發展研究

摘 要：半潛式生產平臺是一種重要的浮式生產裝置，并且是深水油氣資源開發的重要手段。電力系統作為平臺能源保障，是海洋資源開發與利用的重要環節。本文總結了海洋平臺電力系統的主要結構與特點，論述了電氣系統和電網組成、工作原理及技術難點。對未來發展及技術研究方向進行了展望，推動海洋平臺技術的不斷更新。

關鍵詞：浮式生產裝置;生產平臺;電力系統

中圖分類號：TM711

文獻標識碼：A

1 前言

半潛式生產平臺是可移動的浮式平臺，廣泛應用于大型油氣田，成為區域開發的生產處理中心，并可帶動周邊多個油氣田的開發，是海洋石油開發海上設施之一。

在油氣開發過程中，電力系統是整個平臺的重要環節，給平臺電氣設備提供所需的動力。電力系統承擔著保證平臺長期穩定生產，防止平臺電站電荷壓力過載導致的停電等事故發生;同時還擁有獨特的運行性能來應對海上相對惡劣、復雜的環境。作為平臺正常生產及人員生活的基礎保障，配電系統的可靠性與穩定性非常重要，為海上油氣田生產人員、海洋環境帶來安全保證和經濟的巨大收益。

2 電力系統構成

半潛式生產平臺電力系統，由發電機組、變電設備、配電盤和用電設備四部分組成。其基本架構，見圖1。

2.1 發電機組

半潛式生產平臺電力系統，應能向所有電力設備提供電源。半潛式生產平臺電力系統的電源，由自設的主發電機組及應急發電機組提供。發電機組是電力系統中最重要的電力設備，必須設置合適的電氣保護裝置，用于保護電機組過載損傷，防止絕緣受到破壞;隔離發電機內部和外部故障，保證其它無故障的發電機組和配電系統能正常運行;發電機斷路器與饋電保護裝置進行選擇性切除動作，并迅速切除母線上的故障，避免配電系統的故障擴大并影響到其他發電機;為了管理和維護方便，發電機多采用同類型柴油發電機組或燃氣輪機發電機組。根據相關規范要求，主發電機的負荷率不得高于85%，應急應急發電機的負荷率不得高于90%。

2.2 變電設備

一般情況下，平臺上電制分別為：交流35 kV、10.5 kV、6.3 kV、3.3 kV; 690V、480V、230V、110V和直流24 V等。目前，平臺大多數是利用降壓變壓器、升壓變壓器、隔離變壓器、變頻器等，來滿足各等級的電壓負荷的需要。

2.3 配電設備

電力系統中，采取發電機轉化為可以使用的電能并進行集中控制，之后將電能和信號通過電纜等分配給海洋平臺上所有用電設備使用。此電能集中控制和分配的裝置，稱為配電裝置。電力系統的配電盤，由較為復雜的斷路器組成，包括：自動空氣斷路器（ACB）、高壓真空斷路器（VCB）、裝置式斷路器（MCCB）、高壓真空接觸器等。

2.4 用電設備

用電設備包括：日常照明、廚房電氣設備、洗衣房電氣設備、生產處的各種用電泵類、儀表、通信等用電設備。

2.5 電網組成

根據供電電源不同，電力系統電網分為：主電源電網、應急電源電網、弱電網。

（1）主電源電網

主發電機所發出的電能，通過主配電盤供應給需要的用戶。電力系統的負載隨運行工況變化而改變，初期主要是輔助用電和生活用電，投產后主要為生產處理系統及生活用電，它是正常生產情況下唯一能源供應設備;另外，重要設備及大容量設備均包含在單獨的饋電系統內，使得各部分運行更加獨立且直接。主電網包括：動力網絡和照明網絡。

（2）應急電源電網

當主電源因故不能供電時，應急發電機組能白動啟動并投入電網向應急設備供電。應急發電機組應配備二種啟動方式（氣啟動、電啟動），并應滿足相關規范及法規的要求;應急配電板盤還可向主配電盤400V反供電，兩盤協調完成反饋供電開關的設定，并編制聯鎖保護程序。當應急配電板在網負載超過90%應急發電機額定功率時，將自動脫開對主配電盤400 V的反供電。

應急配電盤應確保在主電失電情況下，對需要工作的電氣設備正常使用，應急配盤與這部分設備之間連接電纜形成的網絡稱為應急電網。一般情況下，應急電網供電范圍，包括：消防員裝備的存放位置、通道、樓梯、應急出入口的照明、信號燈、火災報警系統、廣播系統、消防/逃生設備控制電源配電盤等。

（3）弱電網

平臺計算機局域網絡系統、廣播與對講系統、自動電話與共電電話系統、閉路電視監視系統、助航系統以及儀表信號報警系統等設備所連接電纜形成的網絡，稱為弱電網。

UPS不間斷電源，在正常/應急電源失電時，給配電盤內跳閘電源、自動化儀表系統、火氣探測與報警系統、應急關斷系統、通訊設備等供電。UPS不間斷電源裝置的電池，至少向以上述設備供電半小時。

3 電力系統主要設備及布置

根據電氣設備功能不同，一般設置主配電間、應急配電間、變壓器間、蓄電池間等電氣重要設備間。根據平臺的使用功能不同，主配電間、應急配電間、變壓器間、蓄電池間里的設備也不一樣。

所有重要電氣設備的上方及后面，不能布置有水管、油管、蒸汽管及油柜等一切能承載液體的容器。在不能避免的情況下，應做好可靠的防護措施。

3.1主配電間和應急配電間

主配電間通常放置：高壓配電盤、中/低壓配電盤、電潛泵控制盤、230V照明和小功率盤等。

應急配電間通常放置：400 V應急配電盤、UPS配電盤、400 V/230 V降壓變壓器、230 V照明和小功率盤配電等。

配電盤布置時，應考慮到前面和后面通道的寬度。配電盤前面通道寬度最少為0.8 m，后面通道寬度最少為0.6 m，配電盤制作成前面和側面可以進行維護檢查和更換部件的結構型式時，則允許不設后通道;當主配電板長度超過4m時，主配電板后通道的兩端應設置門。

3.2 變壓器間

變壓器間通常放置：高壓降壓變壓器、中壓降壓變壓器、中低壓升壓變壓器、400 V/230 V變壓器、ESP降壓變壓器等。

對于高壓和中壓變壓器，低壓側通道的寬度一般情況下應至少為1m，高壓側通道的寬度應至少為1.3m;同電壓等級的變壓器應集中放置，以便后期布置電纜。

3.3 蓄電池間

充電時沒有危險氣體產生的氣密蓄電池，可以安裝在起居處所，其它蓄電池組，不能安裝在生活區。

充電功率為0.2 kW -2 kW的蓄電池組，安裝在機器通風良好的地方，或者放置在箱中或柜中，并安裝在合適處所。

充電功率小于0.2 kW的蓄電池組，安裝在蓄電池箱內或任何合適地方的開敞位置上;充電功率大于2kW的蓄電池組，安裝在蓄電池間;每只蓄電池周圍間隙，應大于20 mm，并采用耐電解液腐蝕及不吸潮的絕緣材料楔隔、襯墊和固定，防止漏出的電解液與鋼結構接觸的措施。

4 電力系統的特性及需注意的問題

4.1 電力系統的特性

與陸地電力系統相比，海洋平臺電力系統運載容量較小，并由多臺單機容量較小的發電機協同運行。同時，由于電網電壓與載荷電壓大多屬于同一電壓等級，不需像陸地電力系統那樣比較復雜、大體積的轉換系統，因此平臺電網具有的輸電線路較短，也較為簡單的特點。由于平臺環境及空間限制，電力設施的布局比較集中，平臺工作人員對電網系統的保護措施也較為簡單。

4.2 電力系統的問題

由于海上環境和氣候條件惡劣，其受力情況復雜，常有鹽霧、煙霧和油霧等腐蝕性氣體侵蝕。在這種惡劣環境下，安裝螺紋與設備材質之間容易產生電化學腐蝕;涂裝設備的油漆由于受到海上潮濕空氣的侵蝕，容易脫落，影響設備的使用;電阻絕緣容易下降老化，可能造成漏電、電路短路或者燒毀主回路保險等事故，造成一定的經濟損失，情況嚴重時甚至會威脅到平臺工作人員的生命安全。

海上平臺空間有限，電氣設備種類繁多，布置比較密集，給配電網的管理和參數采集帶來較大的工作量。平臺電氣設備如何使用狀況監測顯得尤為關鍵，電氣設備的管理是其中最重要的一項工作，管理人員或值班人員實施專門性操作，確保電力系統正常的運行條件，并對電力系統進行全程監測記錄，確保數據完整可靠性。電氣系統操作人員，要做好環境衛生清潔，確保電腦液晶顯示屏干凈，進一步為現場工作人員提供安全保障。

電力系統運行中，需要設備資源方面的支持。例如：由于平臺系統容量較小，因此當電網遇到大負荷等問題時，平臺的穩定性將受到考驗。當大容量電氣設備啟動時，容易造成電網電壓與頻率發生較大變化，從而影響電力系統穩定性。如何使電網工作狀態或參數白動按照預定的規律運行，使對象輸出量得到嚴格控制并保持恒定值，以此來提高平臺安全性并間接提高平臺生產率、利用率及人力等費用。

半潛式生產平臺的主要生產處理設備與陸上設施不盡相同，其發電機電壓、電網電壓與負載電壓基本一致;同時，受到體積空間等限制，為使得平臺傳輸與分配較為穩定，變頻控制的應用也較為廣泛，變頻器在使用過程中，容易導致諧波污染等問題，由于平臺電力系統容量小，大容量變壓器、電潛泵變頻器、其它設備變頻器、UPS、鉆井設備等產生的諧波對平臺的電力系統干擾相當大。目前大多數平臺為減少諧波多設置有源濾波器，因其效果明顯且投資不大，占用的空間較小;有源電力濾波器，是一種新型諧波抑制與無功補償設備，與無源濾波器不同，它可面向電流與頻率進行有效的補償，達成動態補償。

5 對電力系統展望

我國的海洋石油勘探、開發在不斷發展，作為海洋平臺的能源動力中心，平臺電力系統需兼顧穩定性、工作性能、經濟性及環保等特性，電力系統各個工程配套都應有獨立的電源及負荷，獨立控制，通過軟件仿真、模型建立、精確計算，結合相關理論和技術，實現具有交互、荷載、協商等特征的系統協調控制，共同推動海洋平臺工程的發展。

參考文獻

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