海上平台与模块钻机电力组网模式的应用分析及探讨

崔胜 郭明荃 张天仪 伍宏明

摘要：介绍了海上平台组块电站与钻机发电机组网供电的设计，在平台海上联合调试期间，组网状态下平台主电站可以为模块钻机提供临时主电，同时在后期实际生产过程中，平台主电站可根据实际生产负荷情况，在供电能力允许的条件下与钻机自备柴油发电机组网共同给模块钻机供电，实现了钻机与生产组块电气一体化。

关键词：组网;海洋平台;模块钻机;EMS

0    引言

在海上平台电气系统常规设计中，平台电站在平台调试投产初期向模块钻机供电，平台正式投产后，模块钻机转由自身电站供电。平台电站只向模块钻机提供一路400 V的维保电源、一路应急电源以及UPS和导航电源。为进一步创新降本，实现钻机与平台电气系统一体化设计，海上某气田采用了海上平台与模块钻机电力组网的设计方案，以下针对此类型电力组网设计进行简要分析。

1    组网方案介绍

1.1    总体电气系统方案

平台组网电力系统包含平台组块和模块钻机两部分，具体说明如下：

1.1.1    平台组块电力系统

设置主电站，包括2台10.5 kV燃气透平发电机，设有两台10.5/0.4 kV主变压器，为平台低压用电设备提供电源。组块另设置2台10.5/0.69 kV降压变压器，在透平发电机供电能力允许的条件下，通过该2台变压器给模块钻机提供电力或与模块钻机柴油发电机进行联网供电。

1.1.2    模块钻机电力系统

模块钻机设置主电站，包括4台0.69 kV柴油发电机;钻机模块母排被分成LA和LB两段，由平台组块提供两路电源供电。

1.2    组网工况介绍

根据负荷计算结果及电站情况进行考虑，组网供电可行性及工况分析如表1所示。

2    电力系统计算分析

在此次设计中，通过组网模型建模，先后进行了潮流、短路及稳定性分析。

2.1    潮流分析

潮流计算的目标是针对投产后的两种组网工况（表1）进行潮流校核，计算结果用来检验各工况下组块和模块钻机电压是否满足要求。

平台各工况下潮流计算结果如表2所示。

从表2可以看出，两种工况下，各母排最大压降均不超过3%，满足系统运行要求。

2.2    短路分析

短路計算的目的是计算组网系统各母排预期的短路电流值，为平台及模块钻机主要电气设备选型提供依据。

短路电流计算需选取可能出现的各种工况，考虑模块钻机690 V母排容易出现短路电流超出母排最大短路容量的情况，因此针对模块钻机690 V母排进线开关及母联开关不同状态进行短路电流组合分析，计算结果如表3所示。

通过计算结果分析可知，当模块钻机母联闭合时，为满足短路容量要求，在运行2台以上透平机组时，可同时运行2台柴油机组;在运行1台透平机组时，可同时运行3台柴油机组;以上工况必须保证进线1和进线2不同时闭合。当模块钻机母联断开时，在全部发电机组同时在线运行时也可满足短路容量要求。

因此，建议在组网供电工况下，采用两种方案满足系统安全运行要求：

（1）采用操作规程限制，平时模块钻机母联开关保持常开状态。

（2）采用快速限流器装置，在短路电流超出短路容量时自动断开母联开关。

2.3    稳定性分析

稳定性分析是通过软件仿真石油平台组网工况下，平台发生发电机组故障和组网变压器故障的暂态过程，分析平台组网后对系统暂态稳定性的影响[1]。

稳定性分析的工况分类如表1所示，分别针对各工况做如下分析：

2.3.1    工况1下切除1台燃气透平发电机

工况1下联网正常运行时，若切除一台燃气透平发电机，电网电压和频率会出现较大波动，在7 s左右降到0，单纯依靠自身无法保持稳定。在此情况下，如在0.2 s后切除3.5 MW负载，则可保证系统恢复稳定。

2.3.2    工况2下切除3台柴油发电机

工况2下联网正常运行时，若切除3台柴油发电机，电网电压和频率会出现较大波动，且在8 s左右降到0，单纯依靠自身无法保持稳定。在此情况下，如在0.2 s后切除3.5 MW负载，则可保证系统恢复稳定。

2.3.3    工况2下组网变压器故障

工况2下联网正常运行时，若组网变压器发生故障，若在0.2 s内切除故障变压器，则系统解列为组块和模块钻机两个子系统。两个子系统均可恢复稳定。

针对3种情况的分析，结论如下：

（1）建议在组块或模块钻机故障时，若系统无法依靠自身恢复稳定，应优先考虑卸载组块负载。

（2）若组网变压器故障，切除故障后，电网解列为组块和模块钻机两个系统。由于该工况两个系统功率交换较小，因此系统依靠自身能力能够恢复稳定。

3    EMS系统

为满足组网电力调度、故障处理等功能需求，根据组块及模块钻机实际情况，设置对全电网进行监视和控制的EMS系统，具备数据采集和安全监视、频率调整和控制、电压调整和控制、优先脱扣等功能[2]。总体方案如下：

3.1    平台组块EMS中心站配置

组网后在平台组块设置EMS中心站，配置实时数据和历史数据服务器，配置操作员工作站和工程师站，同时该EMS中心站配置现场冗余控制器、冗余网络模块、冗余电源、I/O单元等控制设备。中心站主要完成平台的数据采集和安全监视、频率调整和控制、电压调整和控制、优先脱扣等功能。

3.2    模块钻机配置EMS控制站

模块钻机配置EMS控制站，主要完成平台的数据采集和安全监视、频率调整和控制、电压调整和控制、优先脱扣等功能。

4    结论及建议

根据以上平台组块和模块钻机组网实例分析，这类组网是有效、可行的，同时也有需要注意的问题，如组网后短路电流过大，因此建议设计时采用合理的组块与模块钻机电气系统安全调度运行机制，使用电气联锁及完善的操作规程来保证安全生产，同时采用快速限流器等先进设备，从硬件上解决此类问题。

组块和模块钻机进行组网，可以发挥组网的经济性优势，节省模块钻机电站的柴油消耗，同时也为操作提供了更高的灵活性，实现组块和模块钻机的电站电能互补，这将是海洋石油平台电站设计走向智能化、高效化的一个有效方案。

[参考文献]

[1] 许瑞生，肖凯，龚萍，等.海上油气田电力组网技术探讨[J].电工技术，2013（6）：62-64.

[2] 李鑫，杨炳发，魏澈，等.电力组网技术在海洋油气田平台开发中的应用[J].中国海洋平台，2011，26（2）：53-56.

收稿日期：2020-09-01

作者简介：崔胜（1985—），男，天津人，高级工程师，主要从事海洋工程电气设计工作。

郭明荃（1986—），女，天津人，高级工程师，主要从事海洋工程电气设计工作。