海洋平臺小型電網(wǎng)擴容方案的優(yōu)選及應(yīng)用

金 秋，戴國華，薄 昭，陳建玲，魯 凱

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300459）

0 引 言

合理的供電方案是油田開發(fā)的重要用電保障。隨著海上老油田周邊區(qū)塊的滾動開發(fā)、老油田自身新鉆調(diào)整井和大泵提液等一系列開發(fā)措施的施行，老油田原有的電網(wǎng)供電能力已不能滿足新增負荷的需求，對老油田進行電網(wǎng)擴容勢在必行。在進行電網(wǎng)擴容時，需保證新增電能安全、高效、經(jīng)濟地接入老油田原有電網(wǎng)。本文以渤海油田某海上平臺小型電網(wǎng)擴容改造工程為例，對通過高壓35 kV系統(tǒng)并網(wǎng)與通過中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)的優(yōu)缺點進行對比分析，確定通過中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)的方案費用較低，系統(tǒng)簡單，維護方便。此外，詳細研究采用6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案時存在的老平臺中壓母排運行電流超限、單相接地電容電流超限、低壓母排短路電流超限和老平臺改造空間受限等問題及其解決方法，為我國海洋石油平臺電網(wǎng)擴容項目的開展提供參考。

渤海某油田計劃新建一座4腿無人井口平臺D和一座動力平臺E，擬建動力平臺E與已建平臺B棧橋連接，平臺位置示意圖見圖1。在新建動力平臺E上布置2臺現(xiàn)場出力2 850 kW的電站，用于彌補新建項目負荷和老平臺負荷缺口，其中：已建平臺A上有2臺現(xiàn)場出力2 850 kW的電站；已建平臺B上有1臺現(xiàn)場出力3 850 kW的電站；已建平臺C為無人平臺。原電網(wǎng)通過35 kV海纜組網(wǎng)。電網(wǎng)情況見表1。

圖1 平臺位置示意圖

表1 電網(wǎng)情況

1 方案優(yōu)選

由于擬建動力平臺E與已建平臺B是通過棧橋連接的，而已建平臺B的中壓系統(tǒng)電壓為6.3 kV，高壓系統(tǒng)電壓為35 kV，因此新增2臺電站與原電網(wǎng)有2種并網(wǎng)方案，分別為通過高壓35 kV系統(tǒng)并網(wǎng)和通過中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)。

1）通過高壓35 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案：擬建動力平臺E上的2臺電站通過2臺4 000 kVA、3.3 kV／35 kV的并網(wǎng)變壓器將電壓升至35 kV，其中一路35 kV線路通過棧橋連接至B平臺的35 kV母排上，與原電網(wǎng)并網(wǎng)，另外通過一路35 kV線路給擬建平臺D供電。該并網(wǎng)方案示意圖見圖2。

圖2 通過高壓35 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案示意圖

2）通過中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案：從擬建動力平臺E的6.3 kV中壓母排開始鋪設(shè)一條高壓電纜，通過棧橋連接至已建平臺B的6.3 kV中壓母排上，與原電網(wǎng)并網(wǎng)。擬建動力平臺E通過一路6.3 kV線路，經(jīng)6.3 kV／10.5 kV隔離變壓器給擬建平臺D供電。該并網(wǎng)方案示意圖見圖3。

圖3 通過中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案示意圖

由于各擬建平臺內(nèi)部的配電方案基本一致，因此主要考慮不同并網(wǎng)方案下新增并網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量、重量、尺寸、費用及其對已建平臺B的影響。35 kV并網(wǎng)方案與6.3 kV并網(wǎng)方案的主要設(shè)備對比見表2。從表2中可看出，6.3 kV并網(wǎng)方案設(shè)備簡單，維護方便，費用低，能最大程度地簡化平臺E的電力系統(tǒng)設(shè)計。

表2 2種并網(wǎng)方案的主要設(shè)備對比

通過分析可知：

1）35 kV并網(wǎng)方案的主要優(yōu)點為：已建平臺B與擬建平臺E的中低壓系統(tǒng)之間的相互影響較小，具有一定的獨立性；改造方案簡單，僅需改造平臺B上的一面高壓開關(guān)柜；后期校核工作量較小，無需單獨校核平臺B的電力系統(tǒng)的電容電流、潮流和短路電流等。35 kV并網(wǎng)方案的主要缺點為：新增設(shè)備數(shù)量多，重量重，占地面積大，投資高，后期維護工作量大。

2）6.3 kV并網(wǎng)方案的主要優(yōu)點為：系統(tǒng)簡單，擬建平臺E上無組網(wǎng)變壓器、接地電阻、高壓配電柜和組網(wǎng)變壓器軟啟器等，僅新增1臺6.3 kV／10.5 kV隔離變壓器，用于給擬建平臺D供電，電氣設(shè)備少，重量輕，電氣間面積小，投資低，后期維護工作量小。6.3 kV并網(wǎng)方案的主要缺點為：平臺B的中壓母排運行電流超過其額定工作電流；平臺B的低壓母排短路電流超過其額定短路電流；系統(tǒng)中壓母排電容電流超過4 A，從而需改變平臺B中壓系統(tǒng)的接地方式；平臺B的電氣房間無空間或備用中壓盤柜用于安置組網(wǎng)設(shè)備。

2 應(yīng)用研究

雖然6.3 kV并網(wǎng)方案具有設(shè)備簡單、維護方便和費用低等優(yōu)點，但該方案可能存在運行電流超限、短路電流超限、電容電流超限和改造空間受限等諸多問題，需予以解決。下面通過理論分析和建模計算證明6.3 kV并網(wǎng)方案切實可行，實現(xiàn)該方案的實際應(yīng)用。

2.1 老平臺中壓母排運行電流超限

擬建動力平臺E與已建平臺B通過6.3 kV中壓系統(tǒng)并網(wǎng)之后，6.3 kV中壓母排上的發(fā)電機由之前的1臺增加為3臺，分別是已建平臺B上的1臺現(xiàn)場出力為3 850 kW的發(fā)電機和擬建平臺E上的2臺現(xiàn)場出力為2 850 kW的發(fā)電機。當(dāng)這3臺發(fā)電機全開，且其出力達到最大時，已建平臺B的6.3 kV中壓母排運行電流可能達到1 095 A，超過了平臺B的6.3 kV母排的額定電流。表3為并網(wǎng)后6.3 kV母排最大電流。

表3 并網(wǎng)后6.3 kV母排最大電流

擬建平臺E的中壓母排額定電流可選1 250 A，而已建平臺B的中壓母排當(dāng)前不具備更換條件（若更換，涉及較長時間的停產(chǎn)），需考慮其他方法。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，只要平臺E的用電負荷大于1 000 kW，通過平臺E的中壓母聯(lián)開關(guān)傳輸給平臺B的電流不會超過540 A，平臺B的中壓母排運行電流不會超過1 000 A。因此，由平臺E直接給平臺D供電，2個平臺的最小計算負荷為1 674 kW，大于1 000 kW，從而保證平臺B的中壓母排上的最大電流在任何情況下都不超過1 000 A。同理，只要平臺A的用電負荷不小于1 000 kW，平臺B的中壓母排電流也不會超限。從負荷計算書中可發(fā)現(xiàn)，平臺A的最小負荷為1 810 kW，遠大于1 000 kW，也不會出現(xiàn)運行電流超限的問題。通過ETAP軟件進行潮流仿真，可更加直觀地觀察到母排上電流的分配，見圖4。

圖4 6.3 kV母排電流仿真示意圖

從圖4中可看出，在平臺D和平臺E負荷最小的情況下，通過母聯(lián)開關(guān)傳輸給平臺B的電流為308 A，平臺B發(fā)電機的輸出電流為232 A，來自平臺A的電流為0.1 A，可忽略不計。因此，平臺B母排上實際運行的電流只有540 A，遠低于其額定電流1 000 A。通過對其他工況進行模擬，都證明通過合理地進行負荷分配，完全能規(guī)避平臺B中壓母排運行電流超限的問題。實際上該油田各區(qū)域基本上能做到電量就地平衡，通過母聯(lián)開關(guān)或海纜傳輸?shù)淖畲箅娏繛?臺發(fā)電機的功率。另外，考慮到發(fā)電機實際出力一般不會超過其最大出力的90%，平臺B中壓母排的運行電流不會超過1 000 A。

2.2 低壓母排短路電流超限

并網(wǎng)之后，平臺B與平臺E的中壓系統(tǒng)并列運行，平臺B正常低壓母排和應(yīng)急低壓母排的短路電流均超過設(shè)計值。平臺B的正常低壓母排和應(yīng)急低壓母排的額定短路電流均為50 kA，而采用ETAP（Electrical

Transient Analysis Program）仿真時正常低壓母排的最大短路電流為59 kA，應(yīng)急低壓母排的短路電流為55.7 kA，平臺B低壓母排短路電流仿真示意圖見圖5。

圖5 平臺B低壓母排短路電流仿真示意圖

進一步查閱平臺B的低壓母排資料，發(fā)現(xiàn)平臺B正常低壓母排的實際額定短路電流為65 kA，而應(yīng)急低壓母排的實際額定短路電流為50 kA，因此平臺B正常低壓母排的短路電流滿足要求，僅需解決應(yīng)急低壓母排短路電流超限的問題。當(dāng)前有2種解決方案：一是安裝低壓快速限流器，當(dāng)短路電流超過50 kA時切斷故障電流；二是安裝限流電抗器，將短路電流限制在50 kA以內(nèi)。有關(guān)資料顯示，目前國內(nèi)低壓400 V快速限流器還處于研發(fā)階段，而低壓限流電抗器技術(shù)比較成熟。因此，本文選擇在應(yīng)急低壓母排進線端（即正常低壓母排與應(yīng)急低壓母排母聯(lián)開關(guān)處）安裝1套限流電抗器，將應(yīng)急低壓母排短路電流限制在50 kA以內(nèi)。經(jīng)計算，電抗器基本參數(shù)為：AC 400 V，50 Hz，2 000 A，阻抗0.6%。加裝限流電抗器之后平臺B應(yīng)急低壓母排短路電流仿真示意圖見圖6。從圖6中可看出，加裝電抗器X1之后，平臺B的應(yīng)急低壓母排短路電流從55.7 kA降至49.6 kA，滿足設(shè)計要求，適當(dāng)增加電抗器阻抗值可進一步降低短路電流。當(dāng)然，若X1阻抗取值過大，會影響平臺B應(yīng)急低壓母排的正常工作電壓。

圖6 加裝電抗器后平臺B應(yīng)急低壓母排短路電流仿真示意圖

2.3 中壓母排單相接地電容電流超限

平臺B與平臺E并網(wǎng)之后，平臺E通過一路6.3 kV線路經(jīng)4 km的海纜直接給平臺D供電，此時6.3 kV系統(tǒng)單相接地電容電流達到9.2 A。根據(jù)DL／T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》的要求，當(dāng)6.3 kV發(fā)電機系統(tǒng)的發(fā)電機接地故障電流大于4 A時，不能采用不接地系統(tǒng)。平臺B中壓系統(tǒng)原設(shè)計采用不接地系統(tǒng)，若不能有效降低中壓母排單相接地電容電流，則需改變平臺B中壓系統(tǒng)的接地方式，需增加接地電阻，重新設(shè)置繼電保護，并增加接地電流互感器，改造工作量較大。進一步分析電容電流的構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，6.3 kV海纜線路貢獻的電容電流達到6.2 A，中壓設(shè)備（包括發(fā)電機）貢獻的電容電流只有約3 A。因此，增加一臺6.3／10.5 kV隔離變壓器給平臺D供電，將平臺B的中壓母排電容電流降至3 A，從而無需改變平臺B的中壓系統(tǒng)接地方式。

2.4 老平臺改造空間受限

當(dāng)平臺E與平臺B通過中壓系統(tǒng)并網(wǎng)時，需在平臺B主開關(guān)間新增或改造一面中壓盤柜，但平臺B經(jīng)過多次改造，其電氣間已無多余空間或備用盤柜。由于2個平臺是通過棧橋連接的，因此考慮將部分中壓設(shè)備轉(zhuǎn)接到擬建平臺E的中壓母排上，從而將空出的開關(guān)柜改造為組網(wǎng)盤柜。組網(wǎng)盤柜要求的最小寬度為800 mm，而平臺B的中壓盤柜只有4面尺寸為800 mm的盤柜，分別為發(fā)電機的出口斷路器、1臺6 300 kVA

主變進線斷路器和2臺2 500 kVA主變進線斷路器，其余盤柜均為600 mm的真空負荷開關(guān)。根據(jù)3.1節(jié)的分析，為減小平臺B的中壓母排電流，需將負荷盡可能地轉(zhuǎn)移至擬建的平臺E上。同時，考慮后期繼保設(shè)計和操作維護的便利性，將2臺2 500 kVA主變進線斷路器轉(zhuǎn)接到擬建平臺E上，平臺B空出的2面盤柜，一面用于組網(wǎng)，一面留作備用柜。

3 結(jié) 語

本文基于渤海某海上油田小型電網(wǎng)擴容改造工程實例，從新增設(shè)備數(shù)量、尺寸、重量、改造難易度和經(jīng)濟效益的角度，探討了通過35 kV系統(tǒng)并網(wǎng)與通過6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)的優(yōu)缺點，最終確定通過中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)的方案費用較低，系統(tǒng)簡單，維護方便。此外，深入論證了6.3 kV并網(wǎng)方案中存在的主要問題及其解決方法。通過中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案在該項目中的應(yīng)用，做到了電氣方案簡化設(shè)計，為工程節(jié)省了費用。該項目電網(wǎng)擴容方案的成功實施解決了老油田原有電網(wǎng)能力不足的問題，可供后續(xù)類似問題的解決參考。