論鉆井平臺電力系統的節能

摘 要：鉆井平臺不僅是能源的開發裝置同時也是能源消耗很大的系統。以自升式平臺為例，在非生產期間的日消耗電能在7 000 kwh，而生產作業期間可能會高達40 000 kwh以上，而這些電能中有大約25%～30%是在各個環節中浪費掉了。因此，在鉆井平臺中推進電力的節能不但可行而且非常必要。文章從鉆井平臺電力系統的整體出發，從發、輸、變、配到使用等各個環節來分析論證如何實現電力節能。對平臺電控系統的設計和設備選型具有很好的指導和借鑒意義。

關鍵詞：鉆井平臺；電力系統；設計；設備選型；節能

中圖分類號：P752 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）35-0074-04

作為具有一定時限自存能力的海洋工程生產設施，移動式鉆井平臺的所有具有動力的裝置幾乎都是由電能驅動的。而在遠離陸岸的海洋中自由移位的特點決定了只能使用自備發電，因此平臺上要有發電裝置；平臺上的裝置很多且分散在各處，其使用的電壓等級及電制也不相同，又決定了平臺上要有變壓、輸電、配電能力。可見鉆井平臺是一個完備的電網系統。下文從發電、變配到用電各過程來論述如何實現節能。

1 發電環節的節能

1.1 合理安排運行的發電機并網臺數，減少怠機和過大

的電能備用余量

因為原先原動機的可靠性和響應負載突變的能力不強，平臺的人員為給生產運行提供可靠保障，經常會兩臺發電機能夠滿足要求的時候，還要多并網投入一臺，留有足夠的余量。這其實是很不合理的，一方面現在的原動機都有很強的應對負載突加突卸的能力，即便是過載110%也能運行10 min而不損害設備。另一方面多并網一臺發電機，就要多消耗一臺車的燃料，多余化石能會變成熱量排入到環境中增加了碳排放，也造成了極大燃料的浪費，同時多車并網還會產生發電機間的無功環流，減少有功輸出影響發電機出力。

1.2 合理分配工況，提高系統負荷率節能

損失率如圖2，可見當負載系數？茁達到某一值時損失率最小，令上式△P%對？茁的導數為零，可得P0=？茁2PK。也就是說當銅損等于鐵損時變壓器的損失率最低。所以可以通過調整負荷來實現變壓器的有功經濟運行。此時，P0/PK大約在0.24～0.33左右，而？茁≈0.5左右。同理，可知當變壓器的負載漏磁功率等于空載勵磁功率時，無功消耗最小。經過分析我們可知在平臺電網負載不同的情況下通過不同的變壓器并列和分立運行，可實現變壓器的有功無功或者綜合經濟運行。具體措施可采用：

①選擇變壓器臺數時，應根據計算負荷，負荷性質，生產可能的工況等條件進行選擇，能夠進行不同的運行方式組合。

②對負荷率很低（正常使用時負荷率低于30%），而且損失率有很高的，通過計算證明是“大馬拉小車”的變壓器，應予以調整或更換；

③根據計算負荷，對重負荷（80%負載率）不利于經濟運行的變壓器可放大一級容量，以降低其負載率和損失率；

④電控系統設計時應根據負荷情況，對視在功率630 kva以上的變壓器能實現切換變壓器的可能性，以滿足變壓器經濟運行的條件；

⑤減少或避免變壓器長期空載運行；

⑥照明變壓器應單獨設置。

⑦高耗能的變壓器應考慮更換。對于20世紀70-80年代的產品應該考慮更新換代，采用目前新型的SL7、S9、 S11以及SH非晶態合金系列低損耗配電變壓器。新型變壓器不但損耗低而且材料成本也相應降低很多。但是更新會帶來有功無功電能節約的同時，也要增加投資。

2.2 配電系統的節能措施

①根據用電性質，用電容量合理選擇供電電壓和供電方式。平臺的線纜布線，盡可能的走最短路線，避免線路重復和過多曲折。減少變壓級數，在安全前提下能采用高壓的設備盡可能不采用低壓。當輸送負荷不變時，升壓后降低功率損失百分比為：？駐P%=（1-U21/U22）100%；U1低電壓，U2采用的高電壓。可見采用高電壓降低線路損耗的效果是比較明顯的。

②合理選擇導線的截面。鉆井平臺的輸電線路，規范要求采用絕緣電纜。因此電阻產生的線損的影響不是很大，但是因為有色金屬的成本較高，所以應該綜合考慮其投資和運行成本。所以在選擇導體截面的時候應該在動穩定和熱穩定校驗的同時，依據經濟電流密度來選擇。經濟電流密度是根據節省投資、年運行費用及有色金屬消耗等因數綜合考慮后制定的：B=0.11Z+1.11N，式中B年費用支出，Z投資，N年運行費用。

我國的經濟電流與密度值（GB 50217-2007）為2.0～2.5 A/mm2。

③平衡三相電流。在電網中如果三相負荷不平衡，就會在線路和變壓器上增加損耗，三相不平衡越大損耗越大。同時三相不平衡還會因為斷路器，熔斷器、線路載流量等的限流功能降低線路的輸送電能的能力。所以在設計和生產中盡可能將單項負荷均布在三相線路中，比如平臺的220 V用電設備的供電，各處所的照明等。

④提高功率因數，提高功率因數是提高供配電系統最有效也采用字多的措施與方法。幾乎所有的節能措施總都會采用。因為它可以：一可以減少線損，如果線路的電阻為R，則線路損耗為△P=3I2R=P2R/U2COS2？準，COS？準線路輸送負荷的功率因數。二可以減少變壓器銅損，三可以減少線路及變壓器的電壓損失；四可以提高功率因數可以增加發電設備的供電能力等優點。

2.3 配電系統元器件的節能

對于節能人們往往關注大型設備和系統，而對于小容量的低壓電器往往容易忽略的。因為就每一低壓電器而言所消耗的電能不大一般只有幾瓦或者幾十瓦，但是因為低壓電器使用的量很大，如熱繼電器、熔斷器以及信號燈等數量多，這樣總的能量消耗就不容忽視了。因此在選型的時候加以重視采用成熟、可靠、節能的低壓電器也是很好的節能方向。具體來說像交流接觸器，一方面如果對于380 V或以上的接觸器斷路器采用220 V的控制電源，那么就不得在每一個主電路中并上一組控制變壓器引出控制回路，這樣必然增加電能的消耗和浪費。另一方面，交流接觸器的吸持消耗。以目前我國生產的60 A以上的交流接觸器，其交流操作電磁系統消耗的有功功率在幾十到一百多瓦。各項消耗大約為：線圈電阻消耗3%～5%，短路環消耗25%～30%，鐵心消耗為65%～70%。如果吸持從交流改為直流，則免去了鐵心和短路環中的絕大部分功率損失（約為原先的85～90%），而獲得非常理想的節電效益。同時采用節電技術后降低了溫升和噪音。

3 用電設備的節能

3.1 電動機的節能措施

用電設備的節能應重點從電機的節能開始，國家“十二五節能規劃發展綱要”中提到“電機及其拖動的設備，風機、水泵、空壓機以及變頻器調速技術和設備是節能的中的重點”。針對鉆井平臺而言，采用最多的是三相異步電動機和直流電動機（其他電動機應用的少這里不作介紹）（如圖4a所示）。

3.1.1 影響電動機效率的因素分析

電動機的效率η=P2/P1=P2/（P2+△P）式中：P2電動機的輸出功率kw；P1電動機的輸入功率kw；△P電動機的功率損耗，有負載損耗（主要是銅損）和空載損耗（主要是鐵損）。當輸出功率P2減少后，雖然總的損耗也在減少，但減少的速度較慢。因此電動機的效率隨負荷的減少而降低。特別是負荷系數低于50%以后，電動機效率下降更快。如圖4b。當空載運行時P2=0，總損耗等于恒定損耗，此時電動機效率為零。

異步電動機的功率因數，對電源來說，電動機相當于一個電阻和一個電感串聯，因而功率因數cos？準總小于1。為了建立磁場，異步電動機從電網吸收很大的無功電流I0，它在正常工作范圍內幾乎不變，在空載時定子電流，I1=I0此時功率因數cos？準=0.2左右很低。當負載增加定子電流的有功分量也隨之增加，使cos？準很快上升，當接近額定負荷時功率因數達到最大值。當負荷增加到一定程度以后，由于轉差率的增加，轉子漏抗增加，轉子電路的無功電流增加，相應定子無功電流也增加，因而功率因數反而降低。如圖4c。

3.1.2 電動機的經濟運行判定，一般采用電機輸入電流與額定電流之比來判斷

電動機綜合效率在大于或等于額定綜合效率時表明電動機對電能利用是經濟的（輸入電流下降在15%以內）；綜合效率小于額定綜合效率但大于其60%為（輸入電流下降在35%以內）基本合理；當綜合效率小于額定效率60%（輸入電流下降超過35%）為非經濟適用范圍。具體的電機節能措施有：①根據電動機經濟運行的原則合理選擇電動機，在滿足電動機安全啟動、制動、調速等方面要求的情況下，以節能為主。②采用高效電動機，減少電動機損耗。根據GB/T 3485《評價企業合理用電技術導則》規定：年運行時間大于3 000 h，負荷率應大于60%的電動機應優先選用節能電動機。③對輕載電動機采用降壓運行方式實現節能。如異步電動機采用調壓節電措施；改變電動機接線繞組的節電方法等。④電動機無功就地補償。就地補償就是在異步電動機附近設置電容，對異步電動機進行無功補償，提高功率因數的方法（原理略）。這種方法對平臺尤為有效，因為它可以：減少供電網絡、配電變壓器、線路的負荷電流；可以減小平臺電網的功率消耗；補償點的無功經濟當量最大，降損效果最好；

3.2 風機水泵類的節能

3.2.1 設計容量要合適

平臺設備中風機、水泵、壓縮機類占有很大的比重。這類設備在選型設計時就應該給與考慮，如圖5，在A是運行的高效點。如果選擇不當，余量太大，如B點偏離高效區，就會造成風機水泵的效率下降。

3.2.2 采用合理的系統調節方式

泵或風機系統采用何種類型的調節方式，主要取決于：工作流量的變化規律；管路性能曲線的凈揚程（靜壓）所占揚程（全壓）的比例；泵或風機容量的大小；調節裝置價格的高低、可靠性、調節效率以及功率因數特性等。對于壓力或流量變化幅度較大，年運行總時較長的系統按表1的條件判斷評價后可采用調速裝置。

理論上講，風機泵類具有以下特點：

轉速控制PC=HCQC=0.7 HA0.8 QA=0.56 PA可見流量的轉速控制節能效果非常明顯。因此對于電機功率大于15 kw的系統，工作流量變化范圍較大的系統應采用變速調節，具體的解決方案為：大范圍采用變頻調速；對于小范圍的場合最小流量在額定流量的50%～70%以上的采用晶閘管串級調速。而對于工作流量在額定流量90%以上的系統，一般不采用變速調節。

總之，鉆井平臺是一個小而全的電力電網系統，既是電能消耗的大戶也是采取節能措施收效最大的系統。另外除了在加強技術措施的同時還要加強對電網系統的管理措施，以期達到良好的節能效果。總結來說，鉆井平臺的供配電系統節能要點是：

降低變壓器損耗；降低輸配電線路損耗供配電線路優化，減少輸電線路路徑；供配電設備經濟運行；提高平均負荷也最大負荷之比提高功率因數采用高效節能、高功率因數設備。

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