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^[1]。海上油氣平臺因其負(fù)荷特性,如大量的感性設(shè)備(電機(jī)、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(bǔ)償方式在面對復(fù)雜的動(dòng)態(tài)負(fù)荷時(shí),難以提供有效的補(bǔ)償。近年來,動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù),如SVG(靜止無功發(fā)生器)^[3]和SVC(靜止無功補(bǔ)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(xiàng)目為例,探討無功補(bǔ)償方案,通過具體改造案例驗(yàn)證補(bǔ)償措施的有效性。同時(shí),本文列舉了大量海上油氣平臺采用SVG技術(shù)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)陌咐?進(jìn)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(jī)和變壓器的容量增加:無功功率的增加,會(huì)導(dǎo)致電流和視在功率增加,從而使發(fā)電機(jī)、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(shí)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(jī)的啟動(dòng)負(fù)載會(huì)增加,使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。大電機(jī)在啟動(dòng)期間造成功率因數(shù)更低,這種沖擊性無功功率會(huì)使電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng),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(huì)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(jī)設(shè)備,盡量減少低功率因數(shù)設(shè)備的使用。如果設(shè)計(jì)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)(如減少空載運(yùn)行、過載運(yùn)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(bǔ)償設(shè)備:無功補(bǔ)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(bǔ)償量,保持功率因數(shù)穩(wěn)定^[6]。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(jìn)行處理,所以使用時(shí)不需要對系統(tǒng)中的阻抗進(jìn)行計(jì)算^[7]。SVG的產(chǎn)品響應(yīng)時(shí)間在5 ms以內(nèi),甚至能達(dá)到1 ms,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(bǔ)償,并可在1 ms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(bǔ)償負(fù)荷變化引起的電壓波動(dòng)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(shí)現(xiàn)了智能控制器動(dòng)態(tài)控制電網(wǎng)電能質(zhì)量。通過智能控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)功率因數(shù),動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功補(bǔ)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(xiàng)目描述

南海某氣田按計(jì)劃需要對一座已建平臺進(jìn)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(jī),由已建中心平臺CEP給WHPA平臺供電,并新建一條15.5 km海底電纜。已建CEP平臺有2套4650 kW透平發(fā)電機(jī)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1000 kVA、6.3/35 kV升壓變壓器,通過35 kV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(jì)正常負(fù)荷為590 kW,無功功率340 kvar。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1 000 kVA、35/0.4 kV降壓變壓器為平臺的低壓用電負(fù)荷供電。

通過ETAP軟件進(jìn)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(huì)造成無功超前的問題。ETAP仿真的兩個(gè)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(bǔ)償容量選擇

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

2.2.1負(fù)載補(bǔ)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(yùn)行時(shí),可以通過以下公式估算設(shè)備無功功率的補(bǔ)償量。

Qc=P(|tanφ1|—|tanφ2|)(1)

式中:Qc為負(fù)荷所需補(bǔ)償?shù)淖畲笕菪詿o功補(bǔ)償量;φ1和φ2為加入無功補(bǔ)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(jì)算得補(bǔ)償容量Qc=500 kvar。

2.2.2長距離海纜補(bǔ)償量

長距離海底電纜在運(yùn)行時(shí),海纜的充電功率即海纜的電容發(fā)出的無功功率Qc1為:

Qc1=U²CW(2)

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

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

需要補(bǔ)償?shù)母行詿o功容量QL近似計(jì)算為:

QL=K1Qc1(3)

式中:K1為補(bǔ)償度,一般取40%~80%。

根據(jù)式(3),海纜空載時(shí)需要補(bǔ)償?shù)母行詿o功為320~640 kvar。綜上所述,結(jié)合設(shè)備無功補(bǔ)償和海纜無功補(bǔ)償,選擇1500 kvar的SVG能夠滿足海纜充電功率的補(bǔ)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(bǔ)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)?？梢允构β室驍?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(gè)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(bǔ)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(shí)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(yùn)行效率低下。通過安裝1 000 kvarSVG 裝置,功率因數(shù)提高至0.95,電能損耗降低了20%,設(shè)備運(yùn)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800 kvarSVG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(yùn)行更加穩(wěn)定^[11]。渤海海上油氣田岸電項(xiàng)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(bǔ)償前及在平臺側(cè)補(bǔ)償2 000 kvarSVG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(dòng)時(shí)無功功率過高問題,采用SVG配合軟啟動(dòng)器方案,有效降低了注水泵啟動(dòng)電流,改善了電網(wǎng)電能質(zhì)量^[13]。潿洲油氣田某項(xiàng)目取消9臺有載調(diào)壓開關(guān),配置4臺低壓SVG,經(jīng)濟(jì)效益明顯。該項(xiàng)目采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對低壓母線進(jìn)行諧波治理和功率補(bǔ)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(bǔ)償裝置,不僅可以顯著降低電能損耗,還能提高設(shè)備運(yùn)行效率,延長設(shè)備壽命。本文的研究為類似項(xiàng)目提供了參考,同時(shí)表明了功率補(bǔ)償技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的高效性和經(jīng)濟(jì)性。隨著海上油氣平臺的電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜,無功補(bǔ)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(dòng)化的無功補(bǔ)償設(shè)備,能夠?qū)崟r(shí)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(gè)小型無功補(bǔ)償裝置,實(shí)現(xiàn)分布式補(bǔ)償,提高補(bǔ)償效果等等。

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《機(jī)電信息》2025年第12期第2篇