3.0 MTPA FLNG配電系統設計分析

劉小慶

（上海惠生海洋工程有限公司，上海 201210）

0 引 言

浮式液化天然氣生產儲卸裝置（Floating Liquefied Natural Gas Production，Storage and Unloading Device，FLNG）具有處理、液化、儲存和裝卸天然氣的功能。隨著平臺處理規模的增大，FLNG 電氣負荷用電量增大，目前3.0 百萬噸每年（Million Tonnes Per Annum，MTPA）FLNG總電站容量已達到70 ～80 MW，單臺發電機組的容量也已達到20 ～30 MW。隨著電網容量的增大，配電系統的網絡型式對平臺的經濟性和生產供電的可靠性的影響更為顯著。電網容量的增大意味著電壓等級的升高，同等級電壓下系統的短路電流增大，配電系統保護存在限制，需對其進行分析；平臺主尺度的增大意味著電纜長度的增加，電力系統對地電容電流大幅度增大，單相接地故障電流增大，需對平臺電力系統的接地方式進行研究［1］；功率管理系統網絡架構對供電的可靠性有影響，也是較為關鍵的部分。

1 FLNG主要工況及發電機組配置

根據工藝流程需求，主要將FLNG工況分為正常液化工況、降低液化工況、液化卸載工況、基本工況和應急工況等5 種。表1 為某3.0 MTPA FLNG在這5 種工況下的用電情況。主電站作為FLNG的心臟，為生活和生產設施提供電能，是確保整個生產設施可靠、連續、安全運轉的核心設備［2］。該FLNG 配置3 臺透平電機組，單機功率約為25 MW；正常液化工況和液化卸載工況下使用2 臺25 MW機組，1 臺機組備用；降低液化工況下使用1 臺25 MW機組。該FLNG的設計溫度為30 ℃，燃氣透平機組功率受環境溫度的影響較大，需考慮機組降容，廠家標稱功率為國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）15 ℃對應的功率30 MW，當設計溫度為30 ℃時，單機組發出功率修正為25 MW。

表1 某3.0 MTPA FLNG在5 種工況下的用電情況 單位：kW

2 配電系統的型式

根據短路電流計算，該FLNG主配電網電壓選擇11 kV。功率大于250 kW的設備屬于大功率設備，一般需由中壓配電板供電，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）貨泵、液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，LPG）貨泵和冷凝泵廠家一般只提供6.6 kV電壓等級，其他大功率設備的供電電壓可選11 kV或6.6 kV。

2.1 饋線式配電網

饋線式供電系統由主配電板直接向各區域配電板供電，結構簡單，保護裝置動作較容易，發生事故時只需斷開相應的開關即可，饋線式11 kV配電網方案單線圖見圖1。若大功率設備的電壓均選用6.6 kV，則可在該方案的基礎上通過增加變壓器實現。

圖1 饋線式11 kV配電網方案單線圖

2.2 環路式配電網

主干式環路式供電系統主要使主配電板、11 kV頂部配電板和11 kV基本配電板形成閉合環路，使所有用電設備都可從環路供電，供電靈活性和可靠性強，但環路結構較為復雜，保護裝置整定復雜。

2.3 配電網方案分析比較

2.3.1 經濟性

分別對3 種配電網方案中各設備的特性進行對比分析（見表2），從而實現對配電網方案的經濟性分析。

表2 3 種配電網方案經濟性對比

1）對于饋線式配電網方案，若大功率設備選用6.6 kV電壓，配電板短路電流會小很多，但6.6 kV設備需經變壓器從主配電板供電，變壓器數量較多且容量較大，價格昂貴。因此，對于饋線式電網，大功率設備選11 kV電壓較為經濟。

2）對于環路式配電網方案，主配電板與所有區域配電板采用同一網絡，因此所有配電板的容量都很大，且配電板間用電纜載流量也將增大，因此環路式配電方案相比饋線式配電網方案價格更高。

綜合上述對比可知，采用饋線式配電網，且大功率設備選用11 kV電壓的方案為經濟性更好的方案。

2.3.2 供電可靠性

1）對于饋線式配電網：主配電板分左、右2 個獨立分段，中間設常閉開關；區域配電板分左、右2 個獨立分段，中間設常開開關。區域配電板分別從主配電板左右分段供電，進線開關和中間開關采用3 選2 模式，即當主配電板任意一段失電，或任意一臺變壓器發生故障時，在剩余發電機組功率范圍內，區域配電板仍可工作。

2）對于環路式配電網，所有11 kV配電板都在同一環路上，之間設常閉開關，當任意一段配電板失電時，在剩余發電機組功率范圍內，其余配電板仍可工作。環路供電系統特別適合負荷比較集中、密度大而每個分站的用電負荷不是特別大的場合，分站數一般6 ～10 個比較經濟合理［3］。此處環路式配電網不能特別發揮優勢。

對于供電可靠性，優化設計的饋線式配電網和環路式配電網都具有較強的供電可靠性。

綜上分析，采用饋線式配電網，且大功率設備選用11 kV 電壓的方案經濟性好，可靠性強，為3.0 MTPA FLNG最佳配電網方案。

3 配電系統設計關鍵點

3.1 中壓配電系統保護

根據短路電流計算，FLNG主配電板最大對稱短路電流為43 kA，最大峰值短路電流為115 kA。目前主流廠家的12 kV真空斷路器額定短路開斷（耐受）電流最大為50 kA，額定短路關合電流峰值（額定峰值耐受電流）為125 kA，因此可滿足要求。此外，若電站容量增大，導致主配電板最大對稱短路電流超過50 kA，可在配電板左右段間加裝快速限流器，即當短路電流超過50 kA 時，快速限流器快速動作，配電板分成左右2段排，左右排短路電流互無貢獻，使單排短路電流減小。

3.2 接地方式選擇

3.2.1 接地方式選擇原則

中性點接地方式基本上可分為大電流接地和小電流接地2 種，其中：大電流接地有直接接地和低阻接地2 種；小電流接地有中性點不接地、經高阻接地和經消弧線圈接地等3 種［4］。FLNG電力系統對供電可靠性和連續性有較高的要求，因此FLNG電力系統主要考慮采用小電流接地方式。

國家標準和電力行業各標準均對接地方式做出了規定，一般規定：

1）對于發電機額定電壓在6.3 kV以上的系統，當發電機內部發生單相接地故障不要求瞬時切機時，若采用中性點不接地方式，對于電壓為11 kV的系統，發電機單相接地故障電容電流最大允許值為3 A，大于該值時應采用中性點諧振接地方式。［5］

2）對于6 kV和10 kV配電系統及發電廠用電系統，當單相接地故障電容電流不大于7 A時，可采用中性點高阻接地方式，故障總電流不應大于10 A。該標準參考了有關資料，全塑絕緣電纜單相接地故障電流不大于20 A，油紙絕緣電纜單相接地故障電流不大于15 A，對交聯聚乙烯絕緣電纜單相接地故障電流不大于10 A時電弧可熄滅［5］。

根據國際上的一般概念，當電容電流超過15 A，至多20 A之后，就已不再采用高阻接地方式［4］，此時對高阻接地系統故障電流的限制最大為20 A。根據電氣與電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）Std C37.101《發電機接地保護導則》的規定，中性點高阻接地發電機故障電流為10 ～25 A。［6］因此，首先需計算系統單相接地故障電容電流和故障總電容電流。

3.2.2 中性點不接地系統單相接地故障電容電流

在中性點不接地系統中，故障總電流僅為接地故障電容電流。中性點不接地系統圖和中性點不接地系統向量圖分別見圖2 和圖3。

圖2 中性點不接地系統圖

圖3 中性點不接地系統向量圖

從圖3 中可看出，當中性點單相故障發生之后，單相接地故障電容電流的計算公式為

FLNG系統線電壓為11 kV，相電壓為6.35 kV，角頻率為314 rad/s，只有相對地電容為未知，電力系統相對地電容主要由發電機、變壓器、電纜和電動機組成，參數由廠家提供，在最大工況下，發電機組和變壓器總相對地電容為0.416 μF。FLNG總長較長，配電網絡具有分布性特點，因此需充分考慮電纜長度和對地電容，單根電纜對地電容可由電纜廠家提供，FLNG在最大工況下的電纜對地總電容約為1.15 μF，則系統對地總電容為1.566 μF。單相接地故障電容電流IC=9.37 A，超過3 A，不建議采用中性點不接地系統。

3.2.3 中性點高阻接地系統單相接地故障電容電流

對于中性點高阻接地系統，接地故障總電流為接地故障電容電流與高阻電流的疊加。高阻接地系統圖和高阻接地系統向量圖分別見圖4 和圖5。從圖5 中可看出，高阻接地系統單相接地故障發生之后，接地故障總電流ID為系統接地故障電容電流IC與系統高阻電流IR的疊加,一般稍大于IC，則當系統總電阻電流IR取10 A時，接地故障總電流ID=13.7 A。

圖4 高阻接地系統圖

圖5 高阻接地系統向量圖

根據國內標準需采用經消弧線圈接地方式，根據國際可采用高阻接地方式。消弧線圈接地方式的設計較為復雜，在海洋石油工程中使用極少；同時，據了解，國際上一些項目的接地故障總電流約為20 A 時仍采用高阻接地方式，且運行正常。因此，后續可對接地故障總電流為10 ～20 A的接地系統作進一步的試驗研究。目前認為若采用高阻接地方式，則應與設備廠家確認設備絕緣等，同時在設計配電系統時，配電柜的位置需盡可能地合理優化，并盡量縮短電纜長度，以盡可能地減小單相接地故障電流，防止間歇性電弧接地過電壓。

3.3 功率管理系統

FLNG的電站管理系統（Power Management System，PMS）需實現發電機組控制與調度、有功無功分配、優先脫口、重載問詢、負載轉移、狀態監測和自診斷等功能［7］。

PMS網絡結構主要分為操作層、控制層和設備層等3 層。從空間上設集中控制室、頂部電氣間和平臺電氣間，其中：集中控制室負責整個PMS監控，包括主發電機組和基本發電機組監控；頂部電氣間設置PMS 控制機柜，負責透平發電機組及頂部配電系統信號處理；平臺電氣間設置PMS控制機柜，負責基本發電機組和平臺配電系統信號處理。整個系統采用冗余設計，PMS 服務器互為備用，操作層和控制層均采用冗余網絡，任意網絡發生故障，不影響PMS的功能［7］。PMS 網絡可通過防火墻連接至全船集成控制系統，并在集成控制系統中顯示。

設計PMS時盡量將頂部PMS與平臺PMS統一考慮，避免因廠家不同而引發軟件權限問題。

4 結 語

目前我國自主研發生產的FLNG 極少，對年產量較大的FLNG 還缺乏設計和建造經驗，本文結合3.0 MTPA FLNG，分析了大容量配電網型式。11 kV饋線式配電網較為經濟可靠，可滿足3.0 MTPA FLNG對可靠安全生產的需求。對于大容量配電系統，短路電流有可能略超過保護裝置最大值，此時可在配電板間加裝快速限流器保護。由于FLNG的主尺度較大，電網容量大，電纜較長，單相接地故障電流較大，當單相接地故障電流在限制內時，可采用高阻接地方式。但是，隨著平臺容量的增大，單相接地故障電流可能會超過限值，有可能需采用經消弧線圈接地方式或其他方式，而這些方式在海洋石油工程中極少應用，需進一步研究。