海洋石油平臺微透平發電機應用方案探討

魏春先 劉 琳 周 雷 徐建東

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

在國內海上石油平臺老齡化的趨勢下，老平臺改造的工程項目日益增多。本文依托實際工程項目進行分析，該項目需要增加用電設備，且平臺目前的電站不能滿足供電需求。出于對老平臺改造空間的局限性及工程投資費用等多方面因素的綜合考慮，新增微透平發電機成為我們考慮的一種較為實際的方案。

海上某平臺目前設置3臺柴油發電機（400 kW/0.8 pF/0.4 kV/50 Hz/3 ph/3 W中性點絕緣），為平臺上生產、生活和公用設施供電。由于平臺計劃新增3口調整井，新增用電設備，平臺現有電站不能滿足新增設備用電需求。

另外，由于使用年限較長，原有柴油發電機故障率較高，燃料柴油生產成本較高，出于節能減排目的，希望更換成燃氣發電機。

1 設計基礎

現平臺用電負荷：夏季最大負荷550 kW，冬季最大負荷712 kW，預計增加3口調整井，調整井按照100 kW/口計算，新增井用電負荷按照300 kW考慮。現有平臺上發電機參數如表1所示。

表1 發電機參數表

2 設計方案

為補充平臺計劃增加3口調整井的用電負荷300 kW的電力缺口，機械專業選型微透平為C600（3臺C200拼機組成）。電氣專業通過與廠家技術交流，充分了解該品牌微透平特性，即新增微透平發電機與原動機中間不帶減速器，高頻發電，發電后整流成直流，通過IGBT逆變為輸出所需頻率。單臺C200微透平IGBT最大輸出電流為475 A，能夠承受極限電流值為1.1 kA/3 ms。

2.1 方案1

新增微透平后按照與現有發電機并列運行和分列運行兩種方式對電氣方案進行了校驗。

2.1.1 方案1-1：微透平與原電站分列運行

微透平按照2用1備考慮：總輸出功率為400 kW，新增井口按照業主提供的負荷為300 kW，微透平負荷率為75%。由于微透平過載能力較低，單臺C200微透平輸出最大電流為475 A，對于并列運行機組發生單臺故障時，由于運行發電機難以承受突加負荷沖擊，建議備用機組按照熱備用運行，即備用機組長期運行，不帶載，當有單臺故障時可迅速補充電源，避免電站癱瘓。

由于微透平與平臺原有發電機分列運行，不影響原平臺用電現狀。尖峰時刻IGBT控制失效可提供最大1.1 kA/3 ms；本項目選定微透平短路容量按照3臺微透平并列運行，最大3.3 kA/3 ms，低壓系統母線容量選擇為15 kA。

對新增400 V低壓系統配電盤需要增加電氣房間，估算新增電氣房間凈空間為3.6 m×2.6 m×3 m（長×寬×高）。

2.1.2 方案1-2：微透平與原電站并列運行

微透平按照2用1備考慮：總輸出功率為400 kW，原電站中2臺柴油發電機并列運行，總發電能力為800 kW，發電機總負荷1 200 kW；平臺現有負荷冬季最大為712 kW，新增井口按照業主提供的負荷為300 kW，總負荷為1 012 kW，發電機負荷率為84.3%，并網后如單臺C200微透平故障，電站可滿載運行。

增加微透平后最大運行模式下400 V母線容量為2 660 A，而現有低壓盤母線容量為2 230 A，不滿足使用需求，低壓盤需要進行替換。

平臺現有電氣系統短路校核，按照最大運行工況：3臺發電機并列運行，400 V母線最大短路結果：T/2周波最大短路容量為20 kA；微透平采用電子器件限制了電流輸出，在穩態輸出最大電流為300 A/相，尖峰時刻IGBT控制失效可提供最大1.1 kA/3 ms。

本項目選定微透平短路容量按照最大3.3 kA/3 ms，累加原系統短路容量，短路容量最大為400 V母線：T/2周波最大短路容量為23.3 kA，現有低壓盤短時耐受電流為38.5 kA，可以滿足增加微透平的使用需求。

增加微透平發電機，需要增加配套設備為：1面發電機出線柜和1面3個井口供電柜與現有低壓盤并接在一起。由于現有400 V低壓盤母線容量不足，且此低壓盤使用年限較長，配件購買困難，建議整體更換，與新加柜子一起排布，現有房間可以滿足使用需求。

2.2 方案2

由于平臺使用年限較長，現發電機故障率較高，燃料柴油生產成本較高，出于節能減排目的更換成燃氣發電機，機械專業微透平選型為：3臺C200（1組）、4臺C200（1組），其中1臺C200L備用。原有發電機全部拆除。

為此，電氣專業進行了以下校核：新增井口按照業主提供的負荷為300 kW，平臺原有負荷冬季為712 kW，總負荷為1 012 kW，微透平按照6用1備考慮，冬季溫度低，發電機出力按照200 kW/臺計，總輸出功率為1 200 kW，發電機負荷率為84.3%；夏季為550kW，總負荷為850 kW，微透平按照6用1備考慮，夏季溫度高，發電機出力按照176kW/臺計，總輸出功率為1056kW，發電機負荷率為80.5%。

更換電站后最大工況下400 V母線電流為2 660 A，而現有低壓盤母線電流為2 230 A，不能滿足使用需求，低壓盤需要更換。

平臺電氣系統短路校核：微透平采用電子器件限制了電流輸出，在穩態輸出最大電流為300 A/相，尖峰時刻IGBT控制失效可提供最大1.1 kA/3 ms；本項目選定微透平短路容量按照最大7.7 kA/3 ms計，現有低壓盤短路容量為34.5 kA，可滿足改造需求。

更換微透平后，拆除現有電氣房間內的3臺發電機出線柜，更換為新的2臺發電機出線柜，并增加1面3個井口供電柜。由于現有400 V低壓盤母線容量不足，且此低壓盤使用年限較長，配件購買困難，建議整體更換，新配電盤短路容量選為15 kA，盤柜整體設計排布，現有房間可以滿足使用需求。

3 微透平的負荷分配方式

多套微透平并機運行時，在孤網模式下有兩種分配方式，有功和無功都是共同承擔的。

3.1 負載均衡模式

各發動機都啟動，瞬態時最早啟動的發電機承擔沖擊負荷，按照電流源模式輸出最大輸出電流為475 A，穩態時平均分擔負載。

3.2 最大效率模式

各發動機都啟動，瞬態時最早啟動的發電機承擔沖擊負荷，按照電流源模式輸出最大輸出電流為475 A，穩態時最早啟動的發電機帶的負荷大，比如210 kW的負載有可能是第1套發動機200 kW，第2套發動機10 kW，第3套和第4套為0 kW或不啟動。

4 微透平的保護

微透平保護設在新增加的400 V出線盤中，保護功能主要有：電源方向保護32、逆相/相平衡電流保護46、瞬動過流保護50、電壓限定延時過流保護51V、過電壓保護59、頻率保護81、低電壓保護27、定向接地故障保護67N、優先脫扣保護51P。另外，盤柜中增加同步裝置。

5 方案對比

電氣方案對比如表2所示。

表2 電氣方案對比

6 存在問題和對策

由于機組中的IGBT最大輸出電流為475 A，無法直接啟動52 kW以上電機，建議大電機增加啟動變頻器，大電機直接啟動需改為變頻啟動方式。

7 結論

建議此品牌微透平作為輔助電源與現有主電站分列運行，補充主電站中電量不足。

8 結語

由于微透平發電機占地空間小，施工費用相對于敷設海纜較低，在某些特定的條件下，是一種較可行的電氣解決方案。但目前海上應用實例較少，此類產品是否能長期穩定地適用于海洋石油平臺環境還需要實際工程項目的檢驗。