海上油氣平臺SVG無功補償案例分析

0 引言

功率因數(shù)是衡量電力系統(tǒng)效率的重要指標(biāo)，其定義為有功功率與視在功率的比值[]。海上油氣平臺因其負(fù)荷特性，如大量的感性設(shè)備（電機、變壓器等）和復(fù)雜的電力系統(tǒng)配置，容易出現(xiàn)功率因數(shù)低的問題。功率因數(shù)低意味著系統(tǒng)中的無功功率占比高，從而降低了電能利用率，嚴(yán)重的甚至?xí)：ζ脚_的安全生產(chǎn)[2]。

全球范圍內(nèi)，許多海上油氣平臺均面臨功率因數(shù)偏低的問題，而傳統(tǒng)的靜態(tài)電容器補償方式在面對復(fù)雜的動態(tài)負(fù)荷時，難以提供有效的補償。近年來，動態(tài)無功補償技術(shù)，如SVG（靜止無功發(fā)生器）[3]和SVC（靜止無功補償器）4成為解決這一問題的重要手段。本文分析了低功率因數(shù)的危害及其成因，并以南海某項目為例，探討無功補償方案，通過具體改造案例驗證補償措施的有效性。同時，本文列舉了大量海上油氣平臺采用SVG技術(shù)進行無功補償?shù)陌咐M一步說明了該技術(shù)對海上電氣系統(tǒng)的重要性。

1功率因數(shù)偏低危害及優(yōu)化措施

海上油氣平臺的電力系統(tǒng)中存在大量的感性負(fù)載和非線性裝置，比如各類水泵和原油泵等。另外，平臺之間傳送電能的長距離海纜也可以認(rèn)為是感性負(fù)載。這些負(fù)載需要消耗電力系統(tǒng)大量的無功功率，無功功率對海上油氣平臺電力系統(tǒng)有以下嚴(yán)重影響：

1）發(fā)電機和變壓器的容量增加：無功功率的增加，會導(dǎo)致電流和視在功率增加，從而使發(fā)電機、變壓器等電氣設(shè)備容量增加，系統(tǒng)需要傳輸更多的無功功率。變壓器和輸電線路的容量被無功功率占用，導(dǎo)致設(shè)備實際承載的有功功率減少，無法充分發(fā)揮設(shè)備容量的作用，降低了電能傳輸效率[5]。

②設(shè)備及線路損耗增加：無功功率的增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路損耗增加。

3）線路及變壓器的電壓降增大：諸如吊車、消防泵、海水泵等大容量電機的啟動負(fù)載會增加，使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。大電機在啟動期間造成功率因數(shù)更低，這種沖擊性無功功率會使電網(wǎng)電壓劇烈波動，甚至使連接在同一電網(wǎng)的用戶無法正常工作。

低功率因數(shù)會給電力系統(tǒng)造成以上危害。針對海上油氣平臺功率因數(shù)偏低的問題，主要防治措施有：

1）優(yōu)化用電設(shè)備：選擇功率因數(shù)高的電機設(shè)備，盡量減少低功率因數(shù)設(shè)備的使用。如果設(shè)計中不可避免使用了低功率因數(shù)設(shè)備，則盡量通過調(diào)整電機運行狀態(tài)（如減少空載運行、過載運行），提高設(shè)備效率。

2）優(yōu)化負(fù)荷分配：通過海上平臺油氣生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，合理分配平臺電網(wǎng)的負(fù)載，避免某些區(qū)域負(fù)載過高或分布不均，導(dǎo)致無功功率占用過多。

3安裝無功補償設(shè)備：無功補償設(shè)備適用于負(fù)載變化較大的場景，能夠快速調(diào)整無功功率補償量，保持功率因數(shù)穩(wěn)定[]。SVG通過PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，使其發(fā)出無功功率，呈容性；或者吸收無功功率，呈感性。SVG由于沒有大量使用電容器，而是采用橋式變流電路多電平技術(shù)或PWM技術(shù)來進行處理，所以使用時不需要對系統(tǒng)中的阻抗進行計算[7]。SVG的產(chǎn)品響應(yīng)時間在 5ms 以內(nèi)，甚至能達(dá)到 1ms ，可以做到從額定容性無功功率到額定感性無功功率的全補償，并可在1ms之內(nèi)完成反向切換。此外，它還能夠快速提供變換的無功電流，以補償負(fù)荷變化引起的電壓波動和閃變[8]。

4）安裝智能功率因數(shù)控制器：近些年，很多平臺實現(xiàn)了智能控制器動態(tài)控制電網(wǎng)電能質(zhì)量。通過智能控制器實時監(jiān)測系統(tǒng)功率因數(shù)，動態(tài)調(diào)節(jié)無功補償設(shè)備，可確保系統(tǒng)始終維持在較高的功率因數(shù)水平[9]。

2 改造案例

2.1 項目描述

南海某氣田按計劃需要對一座已建平臺進行改造，在原有中心平臺CEP的附近新建一座無人井口平臺WHPA，新建WHPA平臺不設(shè)發(fā)電機，由已建中心平臺CEP給WHPA平臺供電，并新建一條 15.5km 海底電纜。已建CEP平臺有2套 4650kW 透平發(fā)電機組（正常工況下一用一備），其容量可滿足為原CEP平臺以及新建WHPA平臺供電的需求。

由于此次新建WHPA平臺與CEP平臺距離較遠(yuǎn)，需要提高供電電壓以降低海纜損耗。已建CEP平臺需新增一臺 1000kVA，6.3/35kV 升壓變壓器，通過35kV 高壓開關(guān)柜 （SF₆） 及 15.5km 海底電纜為新建WHPA平臺供電。WHPA設(shè)計正常負(fù)荷為 590kW ，無功功率 340kvar 。WHPA平臺上的可變功率設(shè)備僅有海水提升泵，且為不常用設(shè)備。WHPA平臺設(shè)置一臺1000kVA.35/0.4kV 降壓變壓器為平臺的低壓用電負(fù)荷供電。

通過ETAP軟件進行不同工況下的仿真，發(fā)現(xiàn)新建WHPA平臺后，由于長距離海纜和新增平臺設(shè)備屬性，將會造成無功超前的問題。ETAP仿真的兩個典型工況為大負(fù)載工況和輕載工況，兩種工況的無功超前情況如表1所示。

2.2 補償容量選擇

SVG補償容量要考慮兩個方面：負(fù)載的無功補償量和長距離海纜的補償量。

2.2.1 負(fù)載補償量

海上油氣平臺一般電氣設(shè)備負(fù)載功率都很大，并且大多為感性，因此平臺電網(wǎng)功率因數(shù)偏低。平臺在大負(fù)載工況運行時，可以通過以下公式估算設(shè)備無功功率的補償量。

Q_c=P（|tanφ₁|-|tanφ₂|）

式中： Q_c 為負(fù)荷所需補償?shù)淖畲笕菪詿o功補償量； φ₁ 和 φ₂ 為加入無功補償前后的功率角度； P 為最大有功負(fù)荷。

假設(shè)新建WHPA平臺后平臺電力系統(tǒng)在大負(fù)載工況下的功率因數(shù)為0.9，原有系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.85，計算得補償容量 Q_c=500kvar 。

2.2.2長距離海纜補償量

長距離海底電纜在運行時，海纜的充電功率即海纜的電容發(fā)出的無功功率 Q_cl 為：

Q_cl=U²Cω

式中： U 為海纜電壓等級； C 為海纜的電容； ω 為角頻率，取值為314rad/s。

本案例中， U=35kV ；長距離海底電纜單位長度電容 C=0.134μF/km ，海纜長度為 15.5km ，則其充電功率根據(jù)式（2）計算得約 800kvar 。

需要補償?shù)母行詿o功容量 Q_L 近似計算為：

Q_L=K₁Q_c1

式中： K₁ 為補償度，一般取 40%～80% 。

根據(jù)式（3），海纜空載時需要補償?shù)母行詿o功為320～640 kvar。綜上所述，結(jié)合設(shè)備無功補償和海纜無功補償，選擇1500kvar的SVG能夠滿足海纜充電功率的補償要求。加入SVG后，系統(tǒng)的改造情況見圖1中波浪線圍起的區(qū)域。

新增無功補償裝置SVG以后，兩種工況的功率分析如表2所示。

經(jīng)過改造后，平臺的輕載工況功率因數(shù)提高至99.6% ，大負(fù)載工況下，功率因數(shù)也達(dá)到了 91.4% ，通過調(diào)節(jié)設(shè)備關(guān)停可以使功率因數(shù)達(dá)到正常狀態(tài)。改造后，原CEP平臺和新建WHPA平臺各線路的電壓降如表3所示。

由表3可知，通過增加SVG，各個線路的電壓降也符合要求。需要注意的是，輕載工況線路壓降有偏高的情況，應(yīng)盡量避免這種工況。

3 其他SVG無功補償案例

海上平臺常常使用SVG設(shè)備，占地面積通常很小，這對于海上平臺這種空間狹小的場合很是實用。海上油氣平臺采用SVG的案例很多。例如，渤海某油氣平臺在改造前，功率因數(shù)僅為0.75，導(dǎo)致電能損耗嚴(yán)重，設(shè)備運行效率低下。通過安裝1000kvarSVG裝置，功率因數(shù)提高至0.95，電能損耗降低了 20% ，設(shè)備運行效率提高了 15%^[10] 。東海某油氣平臺在改造前，由于長距離輸電線路的影響，功率因數(shù)僅為0.8。通過優(yōu)化負(fù)荷分配和安裝800kvarSVG裝置，功率因數(shù)提高至0.92，電壓質(zhì)量顯著改善，設(shè)備運行更加穩(wěn)定[]。渤海海上油氣田岸電項目，需滿足陸地電網(wǎng)對于用戶在電能質(zhì)量方面的考核指標(biāo)，重載工況補償前及在平臺側(cè)補償2000kvarSVG系統(tǒng)中母線電壓降得到了一定改善，陸地電網(wǎng)端功率因數(shù)由0.934提高到0.964，達(dá)到考核要求，提高了線路輸送容量，降低了用電成本[12]。為解決曹妃甸區(qū)塊某無人平臺供電中注水泵啟動時無功功率過高問題，采用SVG配合軟啟動器方案，有效降低了注水泵啟動電流，改善了電網(wǎng)電能質(zhì)量[13]。洲油氣田某項目取消9臺有載調(diào)壓開關(guān)，配置4臺低壓SVG，經(jīng)濟效益明顯。該項目采用動態(tài)無功補償裝置對低壓母線進行諧波治理和功率補償后，有效抑制了諧波，提高了供電質(zhì)量和功率因數(shù)，提高了電能利用率[14]。

4結(jié)束語

功率因數(shù)的提升對海上油氣平臺電力系統(tǒng)具有重要意義。通過合理配置功率補償裝置，不僅可以顯著降低電能損耗，還能提高設(shè)備運行效率，延長設(shè)備壽命。本文的研究為類似項目提供了參考，同時表明了功率補償技術(shù)在實際應(yīng)用中的高效性和經(jīng)濟性。隨著海上油氣平臺的電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，無功補償技術(shù)也將不斷發(fā)展。未來的研究方向可能包括開發(fā)更加智能化、自動化的無功補償設(shè)備，能夠?qū)崟r監(jiān)測和調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因數(shù)；在平臺上合理布置多個小型無功補償裝置，實現(xiàn)分布式補償，提高補償效果等等。

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