董呈彬（中國(guó)石化勝利石油工程有限公司海洋鉆井公司）

中國(guó)石化勝利石油工程有限公司海洋鉆井公司平臺(tái)的電站設(shè)備大多是19 世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，電站由多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，發(fā)出600 V 交流電，經(jīng)過(guò)可控硅整流系統(tǒng)整流成直流電，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)等鉆井設(shè)備。隨著海上勘探事業(yè)的發(fā)展，平臺(tái)電站電力不足、能耗量大的問題越發(fā)突出[1]。結(jié)合海上生產(chǎn)實(shí)際，在勝利9 號(hào)平臺(tái)應(yīng)用了動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)改造。實(shí)踐表明，此舉改善了電站功率因數(shù)[2]，提升了平臺(tái)的施工作業(yè)能力，降低了平臺(tái)能耗，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1 鉆井平臺(tái)電站無(wú)功分析

1.1 影響平臺(tái)電站功率因數(shù)的因素

1）變壓器、電動(dòng)機(jī)設(shè)備造成的穩(wěn)態(tài)無(wú)功。在海洋鉆井平臺(tái)電站形成的小電網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)中，絕大多數(shù)用電設(shè)備如直流電動(dòng)機(jī)、變壓器、交流異步電動(dòng)機(jī)等均屬于感性負(fù)載，這些設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中不但要從供電系統(tǒng)取用有功功率P ，還將取用大量的無(wú)功功率Q ，系統(tǒng)中的視在功率為。功率因數(shù)為λ=P/S=cos φ ，φ 是負(fù)載的阻抗角，也就是說(shuō)由負(fù)載本身的性質(zhì)決定功率因數(shù)的大小。

2）鉆井工況特點(diǎn)造成的諧波。海洋鉆井平臺(tái)上柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出的600 V 交流電首先經(jīng)過(guò)SCR系統(tǒng)整流成直流電，然后再驅(qū)動(dòng)鉆井絞車、泥漿泵、頂驅(qū)/轉(zhuǎn)盤等設(shè)備的直流電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)鉆井設(shè)備進(jìn)行鉆井生產(chǎn)。SCR 整流裝置采取移相控制，從600 V 電網(wǎng)中吸收的正弦波缺角，電網(wǎng)中留下的另一部分正弦波也缺角，顯然在留下的部分正弦波中含有大量的諧波，4 臺(tái)可控硅整流裝置是SCR 系統(tǒng)的主要諧波源。

此外，鉆井絞車在接鉆桿或起下鉆具時(shí)，通常以較大的電流啟動(dòng)，從空載到滿載、再?gòu)臐M載到空載不停的變化，造成600 V 電網(wǎng)供電系統(tǒng)很大的沖擊，使鉆井平臺(tái)電站電網(wǎng)造成很大的電壓波動(dòng)。此時(shí)，可控硅整流裝置處于深度控制，系統(tǒng)的功率因數(shù)通常降低為0.4 左右。

1.2 無(wú)功的增加對(duì)線路的影響

系統(tǒng)無(wú)功的增加，使電網(wǎng)的功率因數(shù)大大降低，對(duì)供電系統(tǒng)造成了巨大危害。

1）功率損耗增大。以單回路進(jìn)行分析，設(shè)線路電流為I ，線路電阻為R ，則該線路的損耗功率ΔP 是：

式中Ue為額定電壓，Q 為無(wú)功功率。

將上式變形為：

由（2）知，當(dāng)線路的額定電壓和有功功率均為定值時(shí)，線路有功損耗與功率因數(shù)的平方成反比，即功率因數(shù)越低，線路損耗越大[3]。

2）電壓損失增大。供電線路的電壓損失ΔU 為：

線路的無(wú)功功率越大，功率因數(shù)就越低，線路中的損失電壓就相對(duì)越大。

3）設(shè)備的供電能力降低。鉆井平臺(tái)電站由大功率柴油發(fā)電機(jī)組供電，用視在功率S 表示供電能力（容量）。由可知，由于功率因數(shù)降低，無(wú)功功率就增大，一定容量的柴油發(fā)電機(jī)組提供的有功功率就減少，也就大大降低了柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組功率發(fā)揮。

2 改造方案

勝利九號(hào)鉆井平臺(tái)電站由4 臺(tái)1000 kW 的卡特柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，主要用電設(shè)備為絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)等鉆井設(shè)備的8 臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)、大量的驅(qū)動(dòng)輔助機(jī)械的交流異步電動(dòng)機(jī)以及生活設(shè)施等等。

為了提高平臺(tái)電站功率因數(shù)，減少負(fù)載電流，根據(jù)鉆井機(jī)械負(fù)載的運(yùn)行特性以及改造計(jì)劃，在平臺(tái)維修期間對(duì)平臺(tái)電站進(jìn)行改造：在電控房?jī)?nèi)發(fā)電機(jī)配電盤供電母線上連接低壓實(shí)時(shí)無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。利用電腦控制晶閘管投切電抗器和電容器組成的串聯(lián)電路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，達(dá)到濾除電網(wǎng)中高次諧波、提高功率因數(shù)和電網(wǎng)質(zhì)量的目的。

補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與無(wú)功功率動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置見圖1。

圖1 補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用效果

海洋鉆井平臺(tái)在進(jìn)行升降平臺(tái)作業(yè)、鉆井、試油作業(yè)等各種工況時(shí)的總負(fù)荷是差異很大的。發(fā)電機(jī)的額定值為1000 kW、600 V、1375 A，表層鉆井、二開鉆進(jìn)等大負(fù)荷作業(yè)工況時(shí)，需要3 臺(tái)及以上柴油發(fā)電機(jī)組供電。

以海洋鉆井公司勝利九號(hào)鉆井平臺(tái)在施工埕北6FA-6 井時(shí)，采取高壓大排量鉆進(jìn)工況為例，分析對(duì)比補(bǔ)償裝置應(yīng)用前后電網(wǎng)功率因數(shù)的變化情況。

假定4 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并車供電，并且載荷均衡分配。

高壓大排量鉆井工況下，2 臺(tái)泥漿泵滿載荷運(yùn)行，泵沖速為100 min-1，泵壓為21 MPa，每臺(tái)泥漿泵都是2 臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，負(fù)載電流是2×1150 A，電傳柜的額定輸出電流為2300 A，換算到交流側(cè)電流為1877 A；絞車也是由2 臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，大約運(yùn)行一半負(fù)荷時(shí)，電流是1050 A，電傳柜的額定輸出電流是1050 A，換算到交流側(cè)電流是857 A；頂驅(qū)由1 臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，大約運(yùn)行一半負(fù)荷時(shí)，電流為550 A，換算到交流側(cè)電流為449 A。補(bǔ)償裝置投入前后電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)比見表2。

表2 補(bǔ)償裝置投入前后電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)比

由表2 可以看出，投入動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)功率因數(shù)提高至0.95，發(fā)電機(jī)電流和無(wú)功功率大幅降低，降低了系統(tǒng)線路損耗和設(shè)備磨損，改善了電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量，延長(zhǎng)平臺(tái)用電設(shè)備的使用壽命，達(dá)到了節(jié)能目的，同時(shí)，節(jié)約了設(shè)備的維修費(fèi)用，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

通過(guò)在勝利九號(hào)鉆井平臺(tái)電站安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，電站小電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)提升了，供電質(zhì)量得到了改善，在鉆井工作可靠性提高的同時(shí)也大幅降低了生產(chǎn)成本，達(dá)到了節(jié)能降耗增效的目的，是一項(xiàng)簡(jiǎn)單易行、投資少收益大的有效節(jié)能措施。隨著海上油田的進(jìn)一步開發(fā)，控制成本、節(jié)能降耗是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，作為一項(xiàng)重要的節(jié)能措施，無(wú)功補(bǔ)償裝置在鉆井平臺(tái)電站的推廣潛力巨大。

[1]崔隨來(lái),張銅鋆,郭擁軍,等.鉆井平臺(tái)電站無(wú)功補(bǔ)償[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2004,33(5):87-88.

[2]馮莉萍,戴春芳,王濱海,等.海洋鉆井平臺(tái)諧波成因與治理分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(6):23-25.

[3]楊永清.功率因數(shù)對(duì)電站發(fā)電機(jī)的影響及提高方法[J].移動(dòng)電源與車輛,2003(4):7-9.