海洋鉆井平臺電站無功補償技術應用分析

劉暉

摘? 要：通過對海洋內的資源進行廣泛利用，可以提高國內的社會經濟水平，海洋鉆井平臺電站具有能耗量過高、功率較低等問題，為了對鉆井平臺電站的供電水平進行改善，提升鉆井平臺的生產時效性，對鉆井平臺的功率進行分析，通過在鉆井平臺電站中應用無功補償技術，可以顯著改良電站的供電狀況。以便達到鉆井平臺的節能目標。

關鍵詞：鉆井平臺電站;無功補償技術;應用措施

引言

海洋鉆井企業配備的電站設施普遍是傳統的產品，伴隨海上勘探產業的深入發展，鉆井平臺電站缺少足夠的電力，存在能源消耗過高的問題，綜合海上的實際生產狀況，在鉆井平臺上借助動態無功功率補償技術，對平臺設備進行技術創新。對電站功率因數進行有效改善，提高鉆井平臺的施工效率，減少鉆井平臺的能耗量，獲取顯著的經濟效益。

1、鉆井平臺負載的特點及無功損耗對電站的影響

海上鉆井平臺一般采用電動鉆機。根據電流差的不同，把電驅動鉆機劃分為交直流驅動可控硅鉆機和交直流交流變頻驅動變頻器鉆機兩類。針對SCR驅動系統，柴油發電機組可以產生690V交流電，并通過三相整流電路將AC轉換為DC，對直流電動機進行直接管控，繼而滿足鉆井工藝要求進行實時調控，針對VFD傳動系統，可以把三相整流電路整流轉化為直流電，通過逆變形式轉化為交流電，對交流電動機進行直接控制，進行動態調速。不管采取哪種形式，鉆井平臺的電驅動設備反復從空載變化到滿載狀態，作為典型的沖擊性負荷。比如，鉆井絞車在開展工作的過程中具有以下變化，逐漸從空載狀態變化到滿載狀態，頂部驅動設備對鉆入地層造成影響，負荷開始實時變化，沖擊性負荷會對電網電壓造成壓力產生波動，導致供電質量不斷降低。除此之外，因為存在晶閘管，在交直流變流器向系統中注入以6k±1次（k=1，2，…，n）特征諧波，諧波會對電網中的設備造成不良影響，例如把海洋931鉆井平臺為例：這個鉆井平臺配備了3臺2350kW柴油機發電機組。690V系統供電設備主要有頂部驅動、絞車、轉盤、泥漿泵、泥漿攪拌器及690V/380V變壓器。頂部驅動裝置利用交流變頻（VFD）的方式開展驅使工作。運用10臺以上的直流調速裝置品迫使相關裝置進行有效驅動。因為使用了大量的整流設備和旋轉設施，致使電網中的無功需求量明顯提升。依照設計要求，兩臺發電機組就可以滿足所有的鉆井工作，但是在實際的應用過程中并不能夠實現，在開展一開及二開倒劃眼作業時，無功需求的急劇提高，促使系統功率因數下降0.65，確保這3臺主機全部并網才可以滿足需求。與此同時，會產生高度的功率損耗，會破壞電能系統的穩定性。

2、分析鉆井平臺電站無功

2.1影響平臺電站功率因數的因素

第一點是變壓器和電動機設備引發的穩態無功，海洋鉆井平臺電站形成了小電網供電網絡，其主要應用以下的電設備，包括直流電動機、變壓器、交流異步電動機等，這些都屬于感性負載，這類設備在運行的過程中，不僅要從供電系統中獲取有功功率P，同時要獲取足夠的無功功率Q，確保系統中的視在功率為S=P'+Q。功率因數為λ=P/S=cosφ，φ作為負載的阻抗角，負載的特點直接決定了功率因素的多少。

第二點是由鉆井平臺的實際工況引發的諧波。海上鉆井平臺柴油發電機組產生的600V交流電源首先通過SCR系統整流為直流電源，然后通過直流電機驅動鉆井絞車、泥漿泵、轉盤等設備，提升鉆井設備進行鉆井生產。可控硅整流器采用移相控制。600V電網吸收的正弦波存在缺角現象，電網中剩余的正弦波也存在缺角現象。剩余的正弦波中有許多諧波。可控硅系統的主要諧波源是四個可控硅整流裝置。除此之外，鉆井絞車在接鉆桿或起下鉆具時，通常需要以較大的電流才可以開啟，從空載-滿載、從滿載-空載進行不斷變化，對600V電網供電系統造成了嚴重沖擊，使鉆井平臺電站電網造成一定的電壓波動。通過對可控硅整流裝置進行嚴格管控，確保電站的功率因數不至于過低而導致過勵磁報警甚至全船停電。

2.2無功的增加對線路造成的影響

由于系統無功的提高，致使電網的功率因素不斷降低，對供電系統造成了嚴重危害。首先是功率損耗的增加。根據單回路分析，假設線路電流為I，線路電阻為r。該線路的損耗功率為：△ P=3I2r×10-3=（P2/U2+Q2/U2）R×103。（1）式中為額定電壓，Q為無功功率。將上式變形為：△P=PR×10-3（U2，COS2φ）（2）可以得知，當線路的額定電壓和有功功率保持定值，線路的有功損耗因數越低，則線路損耗會越大。其次是電壓損失增大。換而言之，線路的無功功率越大，功率因數越低，線路中的損失電壓相對較大。最后，鉆井電臺設備的供電能力下降，因為鉆井平臺電站普遍是由大功率柴油發電機組進行供電，用視在功率S表示供電能力。由于功率因素不斷降低，則會增大無功功率，會使固定容積的柴油發電機組提供的有功功率減少。

3、海洋鉆井平臺的技術改造方案

海洋鉆井平臺電站普遍是由3-4臺柴油發電機組成的，同時需要利用其它的配電設備，包括絞車、泥漿泵、轉盤或頂驅等鉆井設備的8臺直流電動機、大量的驅動輔助機械的交流異步電動機、以及生活設備等等。為了對鉆井平臺的功率因素進行提升，降低負載電流，依據鉆井機械的負載運行特點，以及相關的技術改造方案，在鉆井平臺的維修過程中，需要對平臺電站進行改造。低壓實時無功動態補償裝置連接至電氣控制室內發電機配電盤的電源母線。在計算機控制晶閘管投切的幫助下，采用由電抗器和電容器組成的串聯電路進行無功補償，以濾除電網中的高次諧波，提高功率因數和電網質量。補償系統和無功動態無功補償裝置。

4、補償技術的應用成果

海洋鉆井平臺在開展升降平臺、鉆井、試油等不同工種時，不同工種的總負荷存在較大差異。發電機具有標準的額定數值，在開展大負荷的工作時，需要引進表層鉆井、二開鉆進等設備，需要配備3臺及以上柴油發電機組進行供電。以海洋石油931的鉆井平臺為基礎，在施工過程中采用的高壓大排量鉆井工況，分析比較了補償裝置應用前后電網功率因數的變化。假設四臺柴油發電機組并聯供電，負載均勻分布。在高壓大排量鉆井條件下，兩臺泥漿泵進行超負荷的運行，泵沖轉速可以達到100t/min，泵壓為21MPa。每臺泥漿泵由兩臺直流電機驅動，負載電流2x1150A，電傳柜額定輸出電流2300A，轉換交流側電流1877A;絞車也由兩臺直流電機驅動。運行到負載工作的一半時，電流達到了1050A，電傳柜的額定輸出電流為1050A，轉換到交流側方位的電流為857A;頂部驅動由直流電機驅動。當大約一半負載運行時，電流為550A。在海洋鉆井平臺引用動態無功功率補償裝置后，可以提高系統的功率因數，確保發電機電流可以快速降低，減少了系統線路損耗和設備損壞，對電網電壓波形質量進行改善，延長鉆井平臺機械設備的使用期限，節約了設備的維修費用，以便獲得一定的社會價值和成本效益。

5、結束語

簡而言之，通過在海洋鉆井平臺電站上安裝無功功率補償裝置，可以改善供電質量，在增強鉆井安全性的同時減少了生產成本，達到節約能源、減少能耗、提高效率的目的。

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