海上油气田电力组网技术研究与实践

吴 锋 胡 辉 胡 鹏 邹道标 李大全

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司)

海上油气田电力组网技术研究与实践

吴 锋 胡 辉 胡 鹏 邹道标 李大全

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司)

根据我国海上油气田电力系统稳定运行、边际油气田滚动开发和节能降耗的生产需求,结合涠西南油田群实际情况,对长距离、小机组电力组网进行了探索研究,提出了解决电压控制、频率波动、发电机自激、励磁涌流等技术难题的措施。涠西南油田群电力组网一期工程的投入运行,标志着我国海上油气田电网系统建设已取得重大突破,对海上油气田开发和生产具有重要的战略意义。

海上油气田 长距离小机组电力组网 电压控制 频率波动 发电机自激 励磁涌流

以往我国海上油气田的供电模式基本上是每个油气田装配一个独立电站供电,其缺点是供电可靠性差、投资大,且挤占海上平台空间。为增强我国海上油气田电力系统供电可靠性,保障生产安全、稳定、经济运行,满足边际油气田滚动开发和节能降耗的生产需求,中海石油(中国)有限公司湛江分公司于2006年5月对涠西南油田群提出了电力组网设想,针对该油田群电力系统现状,开展了长距离、小机组电力组网探索研究,解决了电力组网所面临的电压不可控及无功平衡、频率波动、励磁涌流等技术难题,实现了涠西南油田群电力联网供电,将过去各油田“独立供电”变为了“网络供电”,构建了我国海上第一个由多机组、高压输送与低压配电网络组成的电力系统。

1 涠西南油田群电力组网前状况及组网条件

1.1 电力组网前状况

涠西南油田群已建海上油田终端各自装配有独立电站,各油田通过自备电站为其中心平台、井口平台提供电力。此外,涠洲岛终端处理厂(以下简称W ZIT)装配有1个装机4281 kW×4的主电站,组网前各油田之间及各油田与W ZIT之间没有电力联系。

涠西南油田群已建的油田终端电站有5个,共有14台发电机组,总装机容量为49485 kW。目前涠西南各油田终端负载用电负荷总共为21539 kW,当14台发电机组全部运行时剩余装机容量为27946 kW1)。

1.2 电力组网条件

(1)各电站原发电机组的各种保护功能齐备,发电机组本身具备并车功能,现有的W ZIT、WZ12-1油田和WZ11-1油田自备电站的电压等级、频率、电制完全一样。

(2)将现有的 WZIT、WZ12-1油田和 WZ11-1油田的独立电站并联组网,所需增加的关键设备包括高/中压配电装置、带负荷调压干式变压器、光电复合型海底电缆、能量管理系统、并网装置、无功补偿装置等,这些设备均可实现国产化,设备维护及元器件更换更为快捷、方便。

(3)能量管理系统(实时处理、提供及时和准确的更新数据)、各种继电保护装置、同期装置、大电机禁止启动控制系统、低周减载保护装置(用于优先脱扣)、发电机远程监控系统、开关过程管理系统等组网所需的控制功能技术成熟。

2 长距离、小机组电力组网技术难题及解决措施

2.1 配置电抗器进行无功补偿,以满足电压控制和无功平衡要求

涠西南油田群电力组网的特点之一是油田间海底电缆线路较长(最长距离为50 km),而正常情况下发电机组单机容量较小,线路输送潮流很轻,因此海底电缆充电电流较大(据计算合计约达50 A)。鉴于油田运转设备大多数为异步电机,平均功率因数约为0.8,正常生产情况下负荷波动较小,最小负荷率往往在70%以下,加之本工程35 kV电缆线路较长,轻载时充电功率较大,因此为满足电压控制和无功平衡要求,本项目配置电抗器进行无功补偿[1]。

2.2 采用优先脱扣技术解决频率波动问题

电网故障仿真计算表明,联网后组成的小系统切机或切负荷对发电机组运行频率影响较大,需装设高周切机及低周减载保护装置(优先脱扣),当运行频率高于52 Hz时需切除部分发电机组。目前现有设备可满足这一要求,一旦出现单相或两相断线,必须快速切除电缆,否则将引起故障相电压升高至额定电压的2.4倍左右,影响供电安全。

2.3 并网时投入电抗器防止发电机自激

经校核计算发现,单台发电机带电缆线路会引起发电机自激(即自励磁),而2台发电机组同时带电缆线路或并网时投入电抗器可以防止发电机自激。因此,本项目并网采用2台发电机组同时投入电抗器的方式。

2.4 采用涌流抑制器解决变压器励磁涌流问题

涠西南油田群的电力组网为小发电机组大变压器组网,变压器空载合闸时最大励磁涌流将达到额定电流的6～10倍。由于发电机机组数量较少,总容量小,励磁涌流将对电网及发电机电压的建立产生较大的影响,本项目采用涌流抑制器解决变压器空载合闸时的励磁涌流问题[2]。

3 涠西南油田群电力组网整体方案研究

3.1 电力组网设计

为充分利用各油田的装机容量,提高各平台的供电可靠性及经济性,解决各平台在电源检修或发生事故退出运行时的供电问题,并降低油田开发、生产成本,对涠西南油田群进行了电力组网规划,将W ZIT、W Z12-1 油田、W Z11-1N 油田(不设电站 ,由电网供电)和WZ11-1油田通过海底电缆联接构成小型电力系统,同时预留出给待开发油田供电的容量和接口。

从涠西南油田群各油田终端装机容量、负荷与油田间距离情况来看,最大装机容量小于20000 kW,各油田负荷均在10000 kW以下,相隔最远的2座平台相距约为50 km,输电线路均处在35 kV及110 kV电压等级供电适用范围内。考虑到线路输送潮流较轻,从经济性出发,组网主干线路的电压等级推荐采用35 kV;而WZ11-1N油田到WZ11-1油田距离小于3 km,推荐其输电线路电压等级采用10 kV。由于各油田终端均无特殊供电要求且均有自备电站,在海底电缆出现故障时这些自备电站可供电给各自油田,因此,从经济性出发提出了以下电力组网设计:在 WZIT与 WZ12-1油田、WZ12-1油田与 W Z11-1N油田、W Z11-1N油田与 W Z11-1油田间各敷设一条海底电缆,构成链式供电系统(图 1)。

图1 涠西南油田群35 kV电力组网设计示意图

3.2 电气主接线方式

电力组网一期工程首先要考虑 WZIT和WZ12-1油田的联网。根据供电可靠性及经济性要求,推荐WZIT和WZ12-1油田联网的35 kV电气主接线方式如下:

(1)WZIT电气主接线(图2a) WZIT电站装机容量较大,是涠西南油田群电力系统的供电主力,为提高其供电可靠性,配置2台12500 kVA的35 kV主变压器,这样在单台主变压器退出运行的情况下,另一台主变压器仍可送出部分电力。单台主变压器容量为12500 kVA,采取有载调压,变比为(38.5 kV±8 kV×1.25%)/6.3 kV。35 kV侧主接线采用单母线接线,除往WZ12-1油田出线外,预留给待建平台供电的出线接口;6.3 kV侧主接线采用单母线分段接线。

图2 涠西南油田群W ZIT和WZ12-1油田联网电气主接线方式

(2)WZ12-1油田电气主接线(图2b) 给W Z12-1油田电站配置1台12500 kVA的35 kV主变压器,采取有载调压,变比为(38.5 kV±8 kV×1.25%)/6.3 kV。35 kV侧主接线采用单母线接线,除往WZ12-1、WZ11-1N油田出线外,预留给待建平台供电的出线接口;6.3 kV侧主接线采用单母线接线,预留给负荷较轻的邻近平台供电的出线接口1)。

3.3 海底电缆选型

对组网后各种极端运行方式下各海底电缆导线的输送容量进行了计算,其结果见表1。计算中综合考虑了各油田供电能力及负荷,预计在WZIT负荷低谷期(负荷接近于0,4台4281 kW机组均有能力向其他油田供电)以及 WZ12-1与 WZ11-1油田电站均不发电的情况下海底电缆输送容量最大。

据此,规划对涠西南油田群电网采用铜三芯、交联聚乙烯绝缘、三相分相铅包、聚乙烯外护层、钢丝铠装、聚丙烯绳外披覆复合光单元的海底电力电缆。经计算,W ZIT至 W Z12-1油田间选用3×185 mm2/35 kV复合光电海底电缆,W Z12-1油田至 W Z11-1N油田间选用 3×120 mm2/35 kV复合光电海底电缆,W Z11-1N油田至W Z11-1油田间选用3×150 mm2/6.3 kV复合光电海底电缆。

表1 涠西南油田群电力组网海底电缆输送容量计算结果

3.4 中性点接地方式

经计算,涠西南油田群电网35 kV海底电缆的电容电流约为103A,超出了SD—79《电力设备过电压保护设计技术规程》规定的35kV不接地系统电容电流不超过10A的要求,需要对系统采用经消弧线圈接地的保护方式,因此对WZIT和WZ12-1油田的3台主变压器在高压35 kV中性点各设置1台消弧线圈接地装置。

考虑到当已建 WZ11-1、WZ11-1N平台和在建的W Z6-8、W Z6-9井口平台(隶属于 W Z12-1油田)电力系统投入电网时,因35 kV线路的负荷增加,电容电流大大增加(约达到225 A),此情况下将得不到足够容量的消弧线圈进行补偿,但由于此时电网之间的联系已经加强,发生故障时切除故障回路不会造成电网解裂,所以建议电力组网远景采用中阻接地。

3.5 系统通信方案

为满足各采油平台及中心站WZIT之间各类语音、自动化控制、数据、图像和电缆线路继电保护等信息的通信,规划建设 WZIT─WZ12-1油田─WZ11-1N油田─WZ11-1油田的光缆线路,其光缆采用 G.652光纤复合海底35 kV电力电缆,同时在W ZIT、W Z12-1油田、W Z11-1N 油田、W Z11-1油田站点各配置1套基于多业务传输平台的SDH设备(光同步数字传输设备)和 PCM设备(脉码调制录音设备),SDH设备采用光纤构成155 M二纤通道保护,同时每段光缆提供专用光纤传输35 kV电缆线路继电保护信息[3]。由中心站 WZIT现有的交换机通过PCM设备远端放号为各采油平台提供电话业务,该光纤系统图见图3。

图3 涠西南油田群光纤系统图

3.6 能量管理系统设计

能量管理系统设计的总体思想是建设一套对涠西南油田群电网进行实时监视和控制的能量管理系统,其主要功能包括数据采集与安全监视、发电调整与控制、电压调整与控制、低周减载、故障闭锁与恢复、开关过程管理等。该系统包括1套主站系统,4套子站系统。其中主站系统安装在 W ZIT,子站系统分别安装在 WZIT、W Z12-1油田、W Z11-1N油田和 WZ11-1油田,主站与子站通过网络(由通信专业光纤通信系统提供100 M以太网通道)进行通信。

3.7 二次系统设计

涠西南油田群一次系统推荐方案是以35 kV电压等级单回路链式连接W Z11-1N油田、W Z12-1油田和 WZIT,据此对其二次系统作如下设计:在WZIT至 W Z12-1油田海底电缆 35 kV线路及WZ12-1油田至W Z11-1N油田海底电缆35 kV线路两侧各配置1套三相光纤电流差动保护装置,并要求该保护装置除具备三相电流差动保护功能外,还应具有相间距离和接地距离保护、零序方向电流保护及三相一次重合闸功能,线路保护通道采用光纤专用芯通道。另外,为保证电网安全稳定运行,对W ZIT、WZ12-1油田、WZ11-1N油田各配置一面6.3 kV低压低周减载柜,同时对各台机组均装设高周切机装置。

4 涠西南油田群电力组网方案实施效果及其意义

涠西南油田群电力组网项目一期工程(WZIT与WZ12-1油田电力组网)已于2008年12月18日正式投入运行,实现了我国第一个长距离、小机组海上油田群电力组网,该电网系统投入使用以来,一直运行稳定,经济和社会效益显著,主要体现在:

(1)电力组网减少了海上设施发电机开机台数,提高了单台发电机组的负荷率,提高了发电机机组效率,降低了透平发电机的损耗,节约了能源。经测算,实施电力组网项目后涠西南油田群每年可以节约11283 t标准煤(未计算线路损耗)。

(2)利用该电网供电方案,可使正在实施的W Z11-1N油田开发工程项目节省投资约6000万元,并可使后续的 W Z6-8、W Z6-9油田建设减少初始投资约6500万元。

(3)海上油气田透平发电机的操作成本及维修费用一直居高不下,但实现电网供电后减少了发电机组及其附属设备,按照现有油田实际费用计算,每年可节约上千万元的维修、操作费用。

(4)组建电网向海上油气田供电并优化机组配置,可以大大降低天然气的消耗及CO2的排放。

(5)涠西南油田群电力组网是节约资源、减排降耗的重要举措,也是建设节约型社会的一次良好实践,其经济效益和社会效益十分显著。该系统的投入运行标志着我国在海上油气田电网系统建设上取得了重大突破,对我国海上油田开发和生产具有重要的战略意义。

致谢:福建省电力勘测设计院邱国华经理和张继芬总工程师,中海油研究总院王建丰总监和向守安高级工程师对本项目研究工作给予了技术支持与指导,中海石油(中国)有限公司开发生产部和湛江分公司相关部门也给予了大力支持和通力配合,在此表示衷心感谢。

[1] 韩水.配电网无功优化及无功补偿装置[M].北京:中国电力出版社,2006.

[2] 叶念国.抑制变压器励磁涌流的新方法[M/OL].中国工业电器网,(2007-02).http://www.cnelc.com.2009-05-22.

[3] 王士政.电网调度自动化与配网自动化技术[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

Study and practice of power group network technology for offshore oil and gas fields

Wu Feng Hu Hui Hu Peng Zou Daobiao Li Daquan
(Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,524057)

According to the requirements for stable running of power system for offshore oil and gas fields,the rolling development of marginal oil fields and the energy saving of production,combined with the actual situation of Weixinan oilfield group,we give a research on the long distance and small unit power group network in this paper.And we also propose some measures for solving the difficult technical problems such as voltage control,frequency fluctuation,generator self-excitation and inrush current.The operation of the Weixinan oilfield group first phase project marks a great breakthrough in the power network system for off shore oil and gas fields.And it has an important strategic significance to the development and production of offshore oil and gas fields.

offshore oil and gas fields;long distance and small unit power group network;voltage control;frequency fluctuation;generator self-excitation;inrush current

吴锋,男,工程师,1992年毕业于北华大学电气自动化专业。地址:广东省湛江市坡头区22号信箱(邮编:524057)。电话:0759-3900331。

1)柯吕雄,俞进,等.涠西南油田群电力组网项目可研报告.中海石油(中国)有限公司湛江分公司生产部及福建省电力勘测设计院,2007.

1)邱国华,张继芬,等.涠西南油田群电力组网项目初步设计收口文件.福建省电力勘测设计院,2007.

2009-02-01改回日期:2009-08-26

(编辑:张金棣)