海洋石油電力系統無功補償研討

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是集發電、輸電、配電、用電四大功能于一身，自成體系，因而節約能源、降低排放對日常操作的要求也成為一個主要因素。

對“渤海世紀”來說，電力系統現由5臺7300 kW、6300 kV的原油發電機機組構成。正常運行4臺，備用1臺，原動機以本油田生產的原油為原料，單機日耗原油150桶。電站裝機容量達37 MW以上，運行容量約為30 MW，主要供應原料是原油和柴油（原油現在的國際價格為70～80美元/桶）。單機日耗原油150桶。油礦運行負荷為4×7300 kW，實際有功負荷約19 100 kW，無功負荷約16 600 kvar，功率因數為0.78～0.8。從能量的轉換和日常操作中，我們發現了節油方法。

一、負荷功率分析

我們的電力供應主要由原油的化學能轉變為電能，再將電能轉換為機械能來使用，一般占總負荷的90%以上，本文主要討論后面的部分，即電能轉換為機械能過程。例如，我們使用的各種泵都是通過電動機將電功率轉換成流體的動能和壓力能。

在電動機將電功率轉換成其他能量的過程中，電動機要從電網吸收兩種功率：一種是有功功率；一種是無功功率。無功功率對海洋生產操作、生活而言是沒有貢獻的，它是由電動機線圈建立變換的空間磁場消耗掉的。

無功功率和無用功是兩個不同的概念。無用功一般是指機械損耗而沒有用來做功的那一部分，如克服摩擦、克服風阻、熱能損耗等等，這是機械上常用的無用功概念。而電學上的無功功率則是另一個概念，它雖然不做功，但是電場能或磁場能都能引起這種消耗。電場能（如電容器）對電能的存/放過程就像我們用杯子能存水或將水再倒出一樣，我們可以將電荷存放在電容器里。對交變的電流來說，磁場同樣可以存放強大的電能。而我們的無功功率正是這兩種場能（電場能、磁場能）所致，并且這兩種場能還各自有其特點，例如：容性負載首先從電網中吸收電流（極板電荷從零態開始吸收電荷）建立電場，而感性負載是首先阻止電流的通過而建立磁場的。它們在建立場能的瞬間性質是完全不同的，在電學角度上相差180° 。也就是說當一個在吸收能量時，恰是另一個在釋放能量，這一特性在電力工程上是很有用的。

二、發電機功率分析

由于電動機旋轉的磁場要從電網中吸收無功功率，發電機對電網不僅要提供出有功功率，還要提供無功功率，所以發電機的總功率（視在功率）是由兩部分組成的，即有功功率、無功功率。它們的關系如圖1所示。

圖1 發電機總功率組成

有功功率是生產、生活所需功率，一般很難減少；而無功功率是為了滿足生產、生活無功負荷而由發電機提供的，對生產、生活無任何益處，卻能給發電機帶來很大的能耗。如：世紀號現有功功率約為19.1 MW，無功功率約為16.6 Mvar。

無功功率對生產、生活是沒有用的，只是將電流在感性負載與發電機之間來回流動。我們能不能想辦法讓電力系統少做點無用功呢？答案是肯定的，我們可以利用電容與電感在電學性質相反的特性，用一組（或多組）電容，讓電流在感性負載與電容之間流動，從而減少電流在感性負載與發電機之間的流動，減少發電機的總發電量（視在功率），達到節油目的。

根據陸地供電系統的要求，為了減小無功功率在線路上的損耗，一般要求功率因數在0.95以上，自動功率因數補償可做到cos Φ≈1。為了實現這一要求，一般是在變電所（站）采用電容器進行無功補償，這樣就將感性負載引起的無功電流通過容性負載吸收一部分，減少了電流在發電機與感性負載之間的流動，即減少了線路損耗。

三、補償計算及節能計算

根據世紀號現有電力負荷情況，有功負荷在19 100 kW時，功率因數約為0.75，無功功率約16 600 kvar，視在功率

若能將功率因數從0.75提高到0.99，則具體計算公式為：

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：

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

此外，根據相關技術的要求，手動功率因數補償后可達到cos Φ為0.95～0.97，自動功率補償可達到cos Φ≈1 。

四、無功補償優點

（1）可減少發電機總的輸出功率，即視在功率。

（2）無轉動機械，節省燃油。

（3）相應體積小，安裝簡單、省事、省時。

（4）既可集中安裝，又可分散安裝。

（5）相應投資少，維護相對方便。

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

（7）可提高設備運行的可靠性，避免因線路損耗造成用電設備電壓過低。

通過以上論述和計算，我們在10－20年內將節約千萬資金，在全海洋的電力系統都進行無功補償能節約的能量可謂巨大。通過無功補償不僅可以節約大量能源，還可以減少CO、CO2排放，減少環境污染。