无功补偿技术在海上油田的应用与评估

吴必章(中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司，天津 300459)

1 海上油田电网的特点简介

海上油田孤岛电网一般由几台原油发电机组或者透平机组并网组成相对独立的电力网，装机容量有限，对于大功率设备投入运行比较敏感，失电造成的经济损失、设备冲击比较大，因此对电网的稳定性、精细管理提出更高要求。

1.1 油田电力负荷性质分析

油田主要的用电设备是交流电动机、变压器、变频器等非线性设备。电动机需要吸收无功功率建立旋转磁场；变压器也需要消耗部分无功建立变换的空间磁场。变频器、UPS、电弧焊接设备等产生谐波分量也日益污染电网质量。

1.2 无功功率对电网的影响

(1)降低发电机有功输出能力、变压器使用裕度。在油田电网系统中，功率因素低，会导致电流和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线载荷的增加。

(2)增加用电设备及线路损耗。在油田电网系统中，功率因素低，无功功率增加，使总电流增大，因而使设备及线路损耗增加。线路损耗：ΔP=(IP2+IQ2)R，IQ2R这部分损耗就是由无功功率引起的[1]。

(3)增大供配电线路电压降。在油田电网系统中，功率因素低，无功功率增加，会导致电流和视在功率增加。功率角δ的改变，会引起平台端电压压降增大，使电网电压剧烈波动。

(4)降低电网稳定性。有功功率的波动一般对电网的影响较小，电网电压的波动主要是由于无功功率的波动引起的。非线性设备在运行时会产生大量谐波，对变压器、电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。使电容器、电缆等过热、绝缘老化、寿命缩短等[2]。

1.3 油田电网存在的问题及解决措施

随着油田的后期发展，油田电网系统面临装机容量有限、单点电滑环及海缆容量有限、变压器使用裕度不足等无法满足油田后续持续发展的电力窘境。

在平台投用无功补偿装置，提高功率因数、电压值，降低运行电流、铜损，增加变压器使用裕度，满足后期电力增加需求。

2 无功补偿理论技术支持

海油油田孤岛电网输出的功率除了把电能转变为机械能、热能、光能等等这部分功功率，还有作为电气设备能够正常工作而建立磁场或者电场，只在电网中与电能进行周期性转换无功功率。无功功率不消耗，但在装机容量有限的海上孤岛电站，影响发电机有功功率输出。

2.1 无功补偿工作原理

把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。降低因输送无功功率造成的电能损失。如图1所示：S=P+JQ；S1=P+J(QL-QC)。

图1 无功补偿工作原理示意图

按照“分级补偿，就地平衡”的原则，油田采取的补偿方式是在平台0.4 kV低压盘母排并联电容器。

补偿依据：利用电能质量检测仪采集数据，推算单台变压器所需的无功补偿量；既要考虑到改善功率因数，又要避免放大5次及5次以上谐波电流。

2.2 无功补偿的优势分析

(1)减少海缆输电线路电流，如图1所示：ΔI2=I1-I2

(2)改善电压降，提升近端平台和远端平台的电压E≌IRcosθ+sinθ

(3)改善输电线路损失，如图2所示：

图2 无功补偿后的各参量关系

原输电线路电能损失：P=I1I1R

改善输电线路电能损失：P=I2I2R=(I1cosθ1/cosθ2)2R

(I2cosθ2=I1cosθ1，I2=I1cosθ1/cosθ2)

(4)增加变压器使用裕度。无功补偿装置投用后增加平台主变压器的使用裕度：ΔP=PN后-PN前

(PN前=SN×PFN=0.8SNPN后=SN×PF后=0.95SN)

3 油田电网投入无功补偿后的效益评估

3.1 投入无功补偿装置前后电力数据对比分析

6个平台无功补偿装置安装在400 V低压侧，采取动态跟踪式投入电容器装置，以下电力数据采集是在无功补偿装置设定功率因PF=0.95时，分别从电站侧和平台侧检测的数据[3]。

(1)平台侧电力数据对比分析。6个平台无功补偿装置投运前，检测平台低压母线电压为376 V，无功补偿装置投运后，各平台母线电压为386 V，各平台电压提高约10 V。平台运行电流变化明显，低压侧运行电流减少约520 A。

(2)发电机侧电力数据对比分析。6个平台无功补偿装置投运前，在FPSO电站监测电网的电力数据，有功功率基本没变，在22.99～23.10 MW之间(因有间断运行设定，该波动在合理范围)，无功功率约15.6 MVar；装置投运后无功补偿无功功率约12 MVar，功率因数在装置投运前后分别为0.80和0.89。

3.2 对油田电网系统的效益评估

(1)经济效益和社会效益显著。由于降低燃油带来经济效益的同时，减少了大量燃油废热的排放量，降低了环境污染程度，社会效益显著。

(2)提高发电机有功输出使用裕度。在装机容量不变的情况下投入无功补偿，发动机减少低无功输出，可降低发动机视在功率，意味着提高了发动机的输出有功功率裕度。为油田的发展提供的更大的电能空间。有功负荷一定时，发电机视在功率输出减小。无功补偿投用后发电机输出功率的减少量为：

6个平台投入无功补偿装置后，发电机在输出有功不变情况下，增加1.8 MVA视功余量，大大缓解了油田用电紧张的局面，为后续发展奠定了坚实的基础。

(3)提高系统运行电压、降低运行电流。投入无功补偿装置后400 V低压盘提升10 V左右，每个平台减少运行电流500 A左右。减少输电线路因电阻而产生的热量消耗。减少了电潜泵等用电设备运行电流，延缓电潜泵定子绕组的绝缘老化，延长其使用寿命，进一步降低修井作业频度，因而降低维修成本，节约大量的设备成本、施工成本。

(4)提高功率因数。因油田正常生产用电设备基本不变，即负荷量基本不变，也即发电机输出有功功率基本不变，而因无功补偿装置的投用，减少了发动机无功功率的输出，视在功率减小，功率因数由原来的PF=0.8提高到PF=0.95；提高线路输送有功功率的能力；降低输电电缆的线损[4]。

(5)增加变压器使用裕度。无功补偿装置投用后增加平台主变压器的使用裕度：

平台主主变压器SN=2 MVA，PF=0.8，则PN=2×0.8=1.6 MW

投入无功补偿电容器后，PF=0.95，PN=2×0.95=1.9 kW

ΔP=1.9-1.6=0.3 MW，ΔP总=0.3×6×2=3.6 MW

不需增加变压器及输电电缆等前提下增加3.4 MW使用裕度，为油田的后续发展提供有力保障，同时节约大量的设备成本，施工成本，意义重大。

(6)降低谐波畸变分量，改善电-源品质。通过实时监测，无功补偿投用后，5次和7次谐波等主要谐波分量的谐波电压及电流均降低约50%，电网品质得到很大的提升。这个结果意义重大，对油田系统设备来说，将大大消除谐波干扰，提高控制系统通讯、开关综合继电保护器的稳定性；提高电力拖动功效及稳定性；减少变压器铜损及铁损。

3.3 经济效益和社会效益显著

投入无功补偿装置后，降低了谐波电流，提高了设备效能，降低设备故障发生率，延长设备寿命，降低设备管理成本，取得了巨大经济效益。同时节约能源消耗，降低燃油消耗，减少了大量燃油废热的排放量，降低了环境污染程度，社会效益显著。

4 结语

调谐滤波无功补偿技术在海上平台采用分散补偿，设备改造、安装简单，可以实现不停产安装调试。可有效提高电网功率因数，提高电压，降低运行电流，增加变压器使用裕度，改善电网质量，提高设备的利用率。降低燃油消耗量，节约能源，减少环境污染，节约生产成本、设备管理成本，在其他海上油田也极具推广的参考意义。