無功補償技術在海上油田的應用與評估

吳必章(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業公司，天津 300459)

1 海上油田電網的特點簡介

海上油田孤島電網一般由幾臺原油發電機組或者透平機組并網組成相對獨立的電力網，裝機容量有限，對于大功率設備投入運行比較敏感，失電造成的經濟損失、設備沖擊比較大，因此對電網的穩定性、精細管理提出更高要求。

1.1 油田電力負荷性質分析

油田主要的用電設備是交流電動機、變壓器、變頻器等非線性設備。電動機需要吸收無功功率建立旋轉磁場；變壓器也需要消耗部分無功建立變換的空間磁場。變頻器、UPS、電弧焊接設備等產生諧波分量也日益污染電網質量。

1.2 無功功率對電網的影響

(1)降低發電機有功輸出能力、變壓器使用裕度。在油田電網系統中，功率因素低，會導致電流和視在功率增加，從而使發電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線載荷的增加。

(2)增加用電設備及線路損耗。在油田電網系統中，功率因素低，無功功率增加，使總電流增大，因而使設備及線路損耗增加。線路損耗：ΔP=(IP2+IQ2)R，IQ2R這部分損耗就是由無功功率引起的[1]。

(3)增大供配電線路電壓降。在油田電網系統中，功率因素低，無功功率增加，會導致電流和視在功率增加。功率角δ的改變，會引起平臺端電壓壓降增大，使電網電壓劇烈波動。

(4)降低電網穩定性。有功功率的波動一般對電網的影響較小，電網電壓的波動主要是由于無功功率的波動引起的。非線性設備在運行時會產生大量諧波，對變壓器、電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。使電容器、電纜等過熱、絕緣老化、壽命縮短等[2]。

1.3 油田電網存在的問題及解決措施

隨著油田的后期發展，油田電網系統面臨裝機容量有限、單點電滑環及海纜容量有限、變壓器使用裕度不足等無法滿足油田后續持續發展的電力窘境。

在平臺投用無功補償裝置，提高功率因數、電壓值，降低運行電流、銅損，增加變壓器使用裕度，滿足后期電力增加需求。

2 無功補償理論技術支持

海油油田孤島電網輸出的功率除了把電能轉變為機械能、熱能、光能等等這部分功功率，還有作為電氣設備能夠正常工作而建立磁場或者電場，只在電網中與電能進行周期性轉換無功功率。無功功率不消耗，但在裝機容量有限的海上孤島電站，影響發電機有功功率輸出。

2.1 無功補償工作原理

把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。降低因輸送無功功率造成的電能損失。如圖1所示：S=P+JQ；S1=P+J(QL-QC)。

圖1 無功補償工作原理示意圖

按照“分級補償，就地平衡”的原則，油田采取的補償方式是在平臺0.4 kV低壓盤母排并聯電容器。

補償依據：利用電能質量檢測儀采集數據，推算單臺變壓器所需的無功補償量；既要考慮到改善功率因數，又要避免放大5次及5次以上諧波電流。

2.2 無功補償的優勢分析

(1)減少海纜輸電線路電流，如圖1所示：ΔI2=I1-I2

(2)改善電壓降，提升近端平臺和遠端平臺的電壓E≌IRcosθ+sinθ

(3)改善輸電線路損失，如圖2所示：

圖2 無功補償后的各參量關系

原輸電線路電能損失：P=I1I1R

改善輸電線路電能損失：P=I2I2R=(I1cosθ1/cosθ2)2R

(I2cosθ2=I1cosθ1，I2=I1cosθ1/cosθ2)

(4)增加變壓器使用裕度。無功補償裝置投用后增加平臺主變壓器的使用裕度：ΔP=PN后-PN前

(PN前=SN×PFN=0.8SNPN后=SN×PF后=0.95SN)

3 油田電網投入無功補償后的效益評估

3.1 投入無功補償裝置前后電力數據對比分析

6個平臺無功補償裝置安裝在400 V低壓側，采取動態跟蹤式投入電容器裝置，以下電力數據采集是在無功補償裝置設定功率因PF=0.95時，分別從電站側和平臺側檢測的數據[3]。

(1)平臺側電力數據對比分析。6個平臺無功補償裝置投運前，檢測平臺低壓母線電壓為376 V，無功補償裝置投運后，各平臺母線電壓為386 V，各平臺電壓提高約10 V。平臺運行電流變化明顯，低壓側運行電流減少約520 A。

(2)發電機側電力數據對比分析。6個平臺無功補償裝置投運前，在FPSO電站監測電網的電力數據，有功功率基本沒變，在22.99～23.10 MW之間(因有間斷運行設定，該波動在合理范圍)，無功功率約15.6 MVar；裝置投運后無功補償無功功率約12 MVar，功率因數在裝置投運前后分別為0.80和0.89。

3.2 對油田電網系統的效益評估

(1)經濟效益和社會效益顯著。由于降低燃油帶來經濟效益的同時，減少了大量燃油廢熱的排放量，降低了環境污染程度，社會效益顯著。

(2)提高發電機有功輸出使用裕度。在裝機容量不變的情況下投入無功補償，發動機減少低無功輸出，可降低發動機視在功率，意味著提高了發動機的輸出有功功率裕度。為油田的發展提供的更大的電能空間。有功負荷一定時，發電機視在功率輸出減小。無功補償投用后發電機輸出功率的減少量為：

6個平臺投入無功補償裝置后，發電機在輸出有功不變情況下，增加1.8 MVA視功余量，大大緩解了油田用電緊張的局面，為后續發展奠定了堅實的基礎。

(3)提高系統運行電壓、降低運行電流。投入無功補償裝置后400 V低壓盤提升10 V左右，每個平臺減少運行電流500 A左右。減少輸電線路因電阻而產生的熱量消耗。減少了電潛泵等用電設備運行電流，延緩電潛泵定子繞組的絕緣老化，延長其使用壽命，進一步降低修井作業頻度，因而降低維修成本，節約大量的設備成本、施工成本。

(4)提高功率因數。因油田正常生產用電設備基本不變，即負荷量基本不變，也即發電機輸出有功功率基本不變，而因無功補償裝置的投用，減少了發動機無功功率的輸出，視在功率減小，功率因數由原來的PF=0.8提高到PF=0.95；提高線路輸送有功功率的能力；降低輸電電纜的線損[4]。

(5)增加變壓器使用裕度。無功補償裝置投用后增加平臺主變壓器的使用裕度：

平臺主主變壓器SN=2 MVA，PF=0.8，則PN=2×0.8=1.6 MW

投入無功補償電容器后，PF=0.95，PN=2×0.95=1.9 kW

ΔP=1.9-1.6=0.3 MW，ΔP總=0.3×6×2=3.6 MW

不需增加變壓器及輸電電纜等前提下增加3.4 MW使用裕度，為油田的后續發展提供有力保障，同時節約大量的設備成本，施工成本，意義重大。

(6)降低諧波畸變分量，改善電-源品質。通過實時監測，無功補償投用后，5次和7次諧波等主要諧波分量的諧波電壓及電流均降低約50%，電網品質得到很大的提升。這個結果意義重大，對油田系統設備來說，將大大消除諧波干擾，提高控制系統通訊、開關綜合繼電保護器的穩定性；提高電力拖動功效及穩定性；減少變壓器銅損及鐵損。

3.3 經濟效益和社會效益顯著

投入無功補償裝置后，降低了諧波電流，提高了設備效能，降低設備故障發生率，延長設備壽命，降低設備管理成本，取得了巨大經濟效益。同時節約能源消耗，降低燃油消耗，減少了大量燃油廢熱的排放量，降低了環境污染程度，社會效益顯著。

4 結語

調諧濾波無功補償技術在海上平臺采用分散補償，設備改造、安裝簡單，可以實現不停產安裝調試。可有效提高電網功率因數，提高電壓，降低運行電流，增加變壓器使用裕度，改善電網質量，提高設備的利用率。降低燃油消耗量，節約能源，減少環境污染，節約生產成本、設備管理成本，在其他海上油田也極具推廣的參考意義。