海洋钻井平台电站无功补偿技术应用分析

董呈彬（中国石化胜利石油工程有限公司海洋钻井公司）

中国石化胜利石油工程有限公司海洋钻井公司平台的电站设备大多是19 世纪80年代的产品，电站由多台柴油发电机组并网发电，发出600 V 交流电，经过可控硅整流系统整流成直流电，驱动直流电动机，带动绞车、泥浆泵、转盘或顶驱等钻井设备。随着海上勘探事业的发展，平台电站电力不足、能耗量大的问题越发突出[1]。结合海上生产实际，在胜利9 号平台应用了动态无功功率补偿技术，对平台设备进行了技术改造。实践表明，此举改善了电站功率因数[2]，提升了平台的施工作业能力，降低了平台能耗，取得了明显的经济效益。

1 钻井平台电站无功分析

1.1 影响平台电站功率因数的因素

1）变压器、电动机设备造成的稳态无功。在海洋钻井平台电站形成的小电网供电网络中，绝大多数用电设备如直流电动机、变压器、交流异步电动机等均属于感性负载，这些设备运行过程中不但要从供电系统取用有功功率P ，还将取用大量的无功功率Q ，系统中的视在功率为。功率因数为λ=P/S=cos φ ，φ 是负载的阻抗角，也就是说由负载本身的性质决定功率因数的大小。

2）钻井工况特点造成的谐波。海洋钻井平台上柴油发电机组发出的600 V 交流电首先经过SCR系统整流成直流电，然后再驱动钻井绞车、泥浆泵、顶驱/转盘等设备的直流电动机，拖动钻井设备进行钻井生产。SCR 整流装置采取移相控制，从600 V 电网中吸收的正弦波缺角，电网中留下的另一部分正弦波也缺角，显然在留下的部分正弦波中含有大量的谐波，4 台可控硅整流装置是SCR 系统的主要谐波源。

此外，钻井绞车在接钻杆或起下钻具时，通常以较大的电流启动，从空载到满载、再从满载到空载不停的变化，造成600 V 电网供电系统很大的冲击，使钻井平台电站电网造成很大的电压波动。此时，可控硅整流装置处于深度控制，系统的功率因数通常降低为0.4 左右。

1.2 无功的增加对线路的影响

系统无功的增加，使电网的功率因数大大降低，对供电系统造成了巨大危害。

1）功率损耗增大。以单回路进行分析，设线路电流为I ，线路电阻为R ，则该线路的损耗功率ΔP 是：

式中Ue为额定电压，Q 为无功功率。

将上式变形为：

由（2）知，当线路的额定电压和有功功率均为定值时，线路有功损耗与功率因数的平方成反比，即功率因数越低，线路损耗越大[3]。

2）电压损失增大。供电线路的电压损失ΔU 为：

线路的无功功率越大，功率因数就越低，线路中的损失电压就相对越大。

3）设备的供电能力降低。钻井平台电站由大功率柴油发电机组供电，用视在功率S 表示供电能力（容量）。由可知，由于功率因数降低，无功功率就增大，一定容量的柴油发电机组提供的有功功率就减少，也就大大降低了柴油发电机机组功率发挥。

2 改造方案

胜利九号钻井平台电站由4 台1000 kW 的卡特柴油发电机组构成，主要用电设备为绞车、泥浆泵、转盘或顶驱等钻井设备的8 台直流电动机、大量的驱动辅助机械的交流异步电动机以及生活设施等等。

为了提高平台电站功率因数，减少负载电流，根据钻井机械负载的运行特性以及改造计划，在平台维修期间对平台电站进行改造：在电控房内发电机配电盘供电母线上连接低压实时无功功率动态补偿装置。利用电脑控制晶闸管投切电抗器和电容器组成的串联电路进行无功补偿，达到滤除电网中高次谐波、提高功率因数和电网质量的目的。

补偿系统结构图与无功功率动态无功补偿装置见图1。

图1 补偿系统结构图

3 补偿技术应用效果

海洋钻井平台在进行升降平台作业、钻井、试油作业等各种工况时的总负荷是差异很大的。发电机的额定值为1000 kW、600 V、1375 A，表层钻井、二开钻进等大负荷作业工况时，需要3 台及以上柴油发电机组供电。

以海洋钻井公司胜利九号钻井平台在施工埕北6FA-6 井时，采取高压大排量钻进工况为例，分析对比补偿装置应用前后电网功率因数的变化情况。

假定4 台柴油发电机组并车供电，并且载荷均衡分配。

高压大排量钻井工况下，2 台泥浆泵满载荷运行，泵冲速为100 min-1，泵压为21 MPa，每台泥浆泵都是2 台直流电动机驱动，负载电流是2×1150 A，电传柜的额定输出电流为2300 A，换算到交流侧电流为1877 A；绞车也是由2 台直流电动机驱动，大约运行一半负荷时，电流是1050 A，电传柜的额定输出电流是1050 A，换算到交流侧电流是857 A；顶驱由1 台直流电动机驱动，大约运行一半负荷时，电流为550 A，换算到交流侧电流为449 A。补偿装置投入前后电网系统对比见表2。

表2 补偿装置投入前后电网系统对比

由表2 可以看出，投入动态无功功率补偿装置后，系统功率因数提高至0.95，发电机电流和无功功率大幅降低，降低了系统线路损耗和设备磨损，改善了电网电压波形质量，延长平台用电设备的使用寿命，达到了节能目的，同时，节约了设备的维修费用，获得较好的经济效益和社会效益。

4 结论

通过在胜利九号钻井平台电站安装无功功率补偿装置，电站小电网系统的功率因数提升了，供电质量得到了改善，在钻井工作可靠性提高的同时也大幅降低了生产成本，达到了节能降耗增效的目的，是一项简单易行、投资少收益大的有效节能措施。随着海上油田的进一步开发，控制成本、节能降耗是未来发展的趋势，作为一项重要的节能措施，无功补偿装置在钻井平台电站的推广潜力巨大。

[1]崔随来,张铜鋆,郭拥军,等.钻井平台电站无功补偿[J].石油矿场机械,2004,33(5):87-88.

[2]冯莉萍,戴春芳,王滨海,等.海洋钻井平台谐波成因与治理分析[J].石油矿场机械,2007,36(6):23-25.

[3]杨永清.功率因数对电站发电机的影响及提高方法[J].移动电源与车辆,2003(4):7-9.