海洋石油平台微透平发电机应用方案探讨

魏春先 刘 琳 周 雷 徐建东

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

在国内海上石油平台老龄化的趋势下，老平台改造的工程项目日益增多。本文依托实际工程项目进行分析，该项目需要增加用电设备，且平台目前的电站不能满足供电需求。出于对老平台改造空间的局限性及工程投资费用等多方面因素的综合考虑，新增微透平发电机成为我们考虑的一种较为实际的方案。

海上某平台目前设置3台柴油发电机（400 kW/0.8 pF/0.4 kV/50 Hz/3 ph/3 W中性点绝缘），为平台上生产、生活和公用设施供电。由于平台计划新增3口调整井，新增用电设备，平台现有电站不能满足新增设备用电需求。

另外，由于使用年限较长，原有柴油发电机故障率较高，燃料柴油生产成本较高，出于节能减排目的，希望更换成燃气发电机。

1 设计基础

现平台用电负荷：夏季最大负荷550 kW，冬季最大负荷712 kW，预计增加3口调整井，调整井按照100 kW/口计算，新增井用电负荷按照300 kW考虑。现有平台上发电机参数如表1所示。

表1 发电机参数表

2 设计方案

为补充平台计划增加3口调整井的用电负荷300 kW的电力缺口，机械专业选型微透平为C600（3台C200拼机组成）。电气专业通过与厂家技术交流，充分了解该品牌微透平特性，即新增微透平发电机与原动机中间不带减速器，高频发电，发电后整流成直流，通过IGBT逆变为输出所需频率。单台C200微透平IGBT最大输出电流为475 A，能够承受极限电流值为1.1 kA/3 ms。

2.1 方案1

新增微透平后按照与现有发电机并列运行和分列运行两种方式对电气方案进行了校验。

2.1.1 方案1-1：微透平与原电站分列运行

微透平按照2用1备考虑：总输出功率为400 kW，新增井口按照业主提供的负荷为300 kW，微透平负荷率为75%。由于微透平过载能力较低，单台C200微透平输出最大电流为475 A，对于并列运行机组发生单台故障时，由于运行发电机难以承受突加负荷冲击，建议备用机组按照热备用运行，即备用机组长期运行，不带载，当有单台故障时可迅速补充电源，避免电站瘫痪。

由于微透平与平台原有发电机分列运行，不影响原平台用电现状。尖峰时刻IGBT控制失效可提供最大1.1 kA/3 ms；本项目选定微透平短路容量按照3台微透平并列运行，最大3.3 kA/3 ms，低压系统母线容量选择为15 kA。

对新增400 V低压系统配电盘需要增加电气房间，估算新增电气房间净空间为3.6 m×2.6 m×3 m（长×宽×高）。

2.1.2 方案1-2：微透平与原电站并列运行

微透平按照2用1备考虑：总输出功率为400 kW，原电站中2台柴油发电机并列运行，总发电能力为800 kW，发电机总负荷1 200 kW；平台现有负荷冬季最大为712 kW，新增井口按照业主提供的负荷为300 kW，总负荷为1 012 kW，发电机负荷率为84.3%，并网后如单台C200微透平故障，电站可满载运行。

增加微透平后最大运行模式下400 V母线容量为2 660 A，而现有低压盘母线容量为2 230 A，不满足使用需求，低压盘需要进行替换。

平台现有电气系统短路校核，按照最大运行工况：3台发电机并列运行，400 V母线最大短路结果：T/2周波最大短路容量为20 kA；微透平采用电子器件限制了电流输出，在稳态输出最大电流为300 A/相，尖峰时刻IGBT控制失效可提供最大1.1 kA/3 ms。

本项目选定微透平短路容量按照最大3.3 kA/3 ms，累加原系统短路容量，短路容量最大为400 V母线：T/2周波最大短路容量为23.3 kA，现有低压盘短时耐受电流为38.5 kA，可以满足增加微透平的使用需求。

增加微透平发电机，需要增加配套设备为：1面发电机出线柜和1面3个井口供电柜与现有低压盘并接在一起。由于现有400 V低压盘母线容量不足，且此低压盘使用年限较长，配件购买困难，建议整体更换，与新加柜子一起排布，现有房间可以满足使用需求。

2.2 方案2

由于平台使用年限较长，现发电机故障率较高，燃料柴油生产成本较高，出于节能减排目的更换成燃气发电机，机械专业微透平选型为：3台C200（1组）、4台C200（1组），其中1台C200L备用。原有发电机全部拆除。

为此，电气专业进行了以下校核：新增井口按照业主提供的负荷为300 kW，平台原有负荷冬季为712 kW，总负荷为1 012 kW，微透平按照6用1备考虑，冬季温度低，发电机出力按照200 kW/台计，总输出功率为1 200 kW，发电机负荷率为84.3%；夏季为550kW，总负荷为850 kW，微透平按照6用1备考虑，夏季温度高，发电机出力按照176kW/台计，总输出功率为1056kW，发电机负荷率为80.5%。

更换电站后最大工况下400 V母线电流为2 660 A，而现有低压盘母线电流为2 230 A，不能满足使用需求，低压盘需要更换。

平台电气系统短路校核：微透平采用电子器件限制了电流输出，在稳态输出最大电流为300 A/相，尖峰时刻IGBT控制失效可提供最大1.1 kA/3 ms；本项目选定微透平短路容量按照最大7.7 kA/3 ms计，现有低压盘短路容量为34.5 kA，可满足改造需求。

更换微透平后，拆除现有电气房间内的3台发电机出线柜，更换为新的2台发电机出线柜，并增加1面3个井口供电柜。由于现有400 V低压盘母线容量不足，且此低压盘使用年限较长，配件购买困难，建议整体更换，新配电盘短路容量选为15 kA，盘柜整体设计排布，现有房间可以满足使用需求。

3 微透平的负荷分配方式

多套微透平并机运行时，在孤网模式下有两种分配方式，有功和无功都是共同承担的。

3.1 负载均衡模式

各发动机都启动，瞬态时最早启动的发电机承担冲击负荷，按照电流源模式输出最大输出电流为475 A，稳态时平均分担负载。

3.2 最大效率模式

各发动机都启动，瞬态时最早启动的发电机承担冲击负荷，按照电流源模式输出最大输出电流为475 A，稳态时最早启动的发电机带的负荷大，比如210 kW的负载有可能是第1套发动机200 kW，第2套发动机10 kW，第3套和第4套为0 kW或不启动。

4 微透平的保护

微透平保护设在新增加的400 V出线盘中，保护功能主要有：电源方向保护32、逆相/相平衡电流保护46、瞬动过流保护50、电压限定延时过流保护51V、过电压保护59、频率保护81、低电压保护27、定向接地故障保护67N、优先脱扣保护51P。另外，盘柜中增加同步装置。

5 方案对比

电气方案对比如表2所示。

表2 电气方案对比

6 存在问题和对策

由于机组中的IGBT最大输出电流为475 A，无法直接启动52 kW以上电机，建议大电机增加启动变频器，大电机直接启动需改为变频启动方式。

7 结论

建议此品牌微透平作为辅助电源与现有主电站分列运行，补充主电站中电量不足。

8 结语

由于微透平发电机占地空间小，施工费用相对于敷设海缆较低，在某些特定的条件下，是一种较可行的电气解决方案。但目前海上应用实例较少，此类产品是否能长期稳定地适用于海洋石油平台环境还需要实际工程项目的检验。