海洋石油電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償研討

文／殷 瀚 方曉忠

Dalian Maritime University

2.中海油田天津分公司

CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co.,Ltd.

海洋石油供電的通用特點(diǎn)是集發(fā)電、輸電、配電、用電四大功能于一身，自成體系，因而節(jié)約能源、降低排放對(duì)日常操作的要求也成為一個(gè)主要因素。

對(duì)“渤海世紀(jì)”來說，電力系統(tǒng)現(xiàn)由5臺(tái)7300 kW、6300 kV的原油發(fā)電機(jī)機(jī)組構(gòu)成。正常運(yùn)行4臺(tái)，備用1臺(tái)，原動(dòng)機(jī)以本油田生產(chǎn)的原油為原料，單機(jī)日耗原油150桶。電站裝機(jī)容量達(dá)37 MW以上，運(yùn)行容量約為30 MW，主要供應(yīng)原料是原油和柴油（原油現(xiàn)在的國(guó)際價(jià)格為70～80美元/桶）。單機(jī)日耗原油150桶。油礦運(yùn)行負(fù)荷為4×7300 kW，實(shí)際有功負(fù)荷約19 100 kW，無功負(fù)荷約16 600 kvar，功率因數(shù)為0.78～0.8。從能量的轉(zhuǎn)換和日常操作中，我們發(fā)現(xiàn)了節(jié)油方法。

一、負(fù)荷功率分析

我們的電力供應(yīng)主要由原油的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽賹㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能來使用，一般占總負(fù)荷的90%以上，本文主要討論后面的部分，即電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能過程。例如，我們使用的各種泵都是通過電動(dòng)機(jī)將電功率轉(zhuǎn)換成流體的動(dòng)能和壓力能。

在電動(dòng)機(jī)將電功率轉(zhuǎn)換成其他能量的過程中，電動(dòng)機(jī)要從電網(wǎng)吸收兩種功率：一種是有功功率；一種是無功功率。無功功率對(duì)海洋生產(chǎn)操作、生活而言是沒有貢獻(xiàn)的，它是由電動(dòng)機(jī)線圈建立變換的空間磁場(chǎng)消耗掉的。

無功功率和無用功是兩個(gè)不同的概念。無用功一般是指機(jī)械損耗而沒有用來做功的那一部分，如克服摩擦、克服風(fēng)阻、熱能損耗等等，這是機(jī)械上常用的無用功概念。而電學(xué)上的無功功率則是另一個(gè)概念，它雖然不做功，但是電場(chǎng)能或磁場(chǎng)能都能引起這種消耗。電場(chǎng)能（如電容器）對(duì)電能的存/放過程就像我們用杯子能存水或?qū)⑺俚钩鲆粯?，我們可以將電荷存放在電容器里。?duì)交變的電流來說，磁場(chǎng)同樣可以存放強(qiáng)大的電能。而我們的無功功率正是這兩種場(chǎng)能（電場(chǎng)能、磁場(chǎng)能）所致，并且這兩種場(chǎng)能還各自有其特點(diǎn)，例如：容性負(fù)載首先從電網(wǎng)中吸收電流（極板電荷從零態(tài)開始吸收電荷）建立電場(chǎng)，而感性負(fù)載是首先阻止電流的通過而建立磁場(chǎng)的。它們?cè)诮?chǎng)能的瞬間性質(zhì)是完全不同的，在電學(xué)角度上相差180° 。也就是說當(dāng)一個(gè)在吸收能量時(shí)，恰是另一個(gè)在釋放能量，這一特性在電力工程上是很有用的。

二、發(fā)電機(jī)功率分析

由于電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)要從電網(wǎng)中吸收無功功率，發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)不僅要提供出有功功率，還要提供無功功率，所以發(fā)電機(jī)的總功率（視在功率）是由兩部分組成的，即有功功率、無功功率。它們的關(guān)系如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)總功率組成

有功功率是生產(chǎn)、生活所需功率，一般很難減少；而無功功率是為了滿足生產(chǎn)、生活無功負(fù)荷而由發(fā)電機(jī)提供的，對(duì)生產(chǎn)、生活無任何益處，卻能給發(fā)電機(jī)帶來很大的能耗。如：世紀(jì)號(hào)現(xiàn)有功功率約為19.1 MW，無功功率約為16.6 Mvar。

無功功率對(duì)生產(chǎn)、生活是沒有用的，只是將電流在感性負(fù)載與發(fā)電機(jī)之間來回流動(dòng)。我們能不能想辦法讓電力系統(tǒng)少做點(diǎn)無用功呢？答案是肯定的，我們可以利用電容與電感在電學(xué)性質(zhì)相反的特性，用一組（或多組）電容，讓電流在感性負(fù)載與電容之間流動(dòng)，從而減少電流在感性負(fù)載與發(fā)電機(jī)之間的流動(dòng)，減少發(fā)電機(jī)的總發(fā)電量（視在功率），達(dá)到節(jié)油目的。

根據(jù)陸地供電系統(tǒng)的要求，為了減小無功功率在線路上的損耗，一般要求功率因數(shù)在0.95以上，自動(dòng)功率因數(shù)補(bǔ)償可做到cos Φ≈1。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，一般是在變電所（站）采用電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，這樣就將感性負(fù)載引起的無功電流通過容性負(fù)載吸收一部分，減少了電流在發(fā)電機(jī)與感性負(fù)載之間的流動(dòng)，即減少了線路損耗。

三、補(bǔ)償計(jì)算及節(jié)能計(jì)算

根據(jù)世紀(jì)號(hào)現(xiàn)有電力負(fù)荷情況，有功負(fù)荷在19 100 kW時(shí)，功率因數(shù)約為0.75，無功功率約16 600 kvar，視在功率

若能將功率因數(shù)從0.75提高到0.99，則具體計(jì)算公式為：

其中：tg Φ1P=0.8691，tg Φ2P= tg(arccos 0.99)=0.1425，所以，

本電力系統(tǒng)將減少約6380.8 kvar的無功功率，即視在功率將減少到：

從以上計(jì)算可知，視在功率由25 305.5 kVA減少到約19 293 kVA，即世紀(jì)號(hào)可少發(fā)25 305.5-19 293≈6013 kVA的電。在一天內(nèi)可節(jié)約6013÷(7457÷0.99)×150=119.8桶油，即每日可減少發(fā)電用油119.8桶（單機(jī)150桶/d），每年有近119.8×360×70=3 018 960美元（油以70美元/桶計(jì)）的節(jié)約，可節(jié)省3 018 960×6.8=20 528 928元人民幣。

此外，根據(jù)相關(guān)技術(shù)的要求，手動(dòng)功率因數(shù)補(bǔ)償后可達(dá)到cos Φ為0.95～0.97，自動(dòng)功率補(bǔ)償可達(dá)到cos Φ≈1 。

四、無功補(bǔ)償優(yōu)點(diǎn)

（1）可減少發(fā)電機(jī)總的輸出功率，即視在功率。

（2）無轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，節(jié)省燃油。

（3）相應(yīng)體積小，安裝簡(jiǎn)單、省事、省時(shí)。

（4）既可集中安裝，又可分散安裝。

（5）相應(yīng)投資少，維護(hù)相對(duì)方便。

（6）推廣性強(qiáng)。對(duì)油田周圍小平臺(tái)電壓損失較大的，可減少壓降損失，提高電壓，并可減少海纜損失，提高海纜過負(fù)荷能力。

（7）可提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，避免因線路損耗造成用電設(shè)備電壓過低。

通過以上論述和計(jì)算，我們?cè)?0－20年內(nèi)將節(jié)約千萬資金，在全海洋的電力系統(tǒng)都進(jìn)行無功補(bǔ)償能節(jié)約的能量可謂巨大。通過無功補(bǔ)償不僅可以節(jié)約大量能源，還可以減少CO、CO2排放，減少環(huán)境污染。