海洋钻井平台电站无功补偿技术应用分析

刘晖

摘  要：通过对海洋内的资源进行广泛利用，可以提高国内的社会经济水平，海洋钻井平台电站具有能耗量过高、功率较低等问题，为了对钻井平台电站的供电水平进行改善，提升钻井平台的生产时效性，对钻井平台的功率进行分析，通过在钻井平台电站中应用无功补偿技术，可以显著改良电站的供电状况。以便达到钻井平台的节能目标。

关键词：钻井平台电站;无功补偿技术;应用措施

引言

海洋钻井企业配备的电站设施普遍是传统的产品，伴随海上勘探产业的深入发展，钻井平台电站缺少足够的电力，存在能源消耗过高的问题，综合海上的实际生产状况，在钻井平台上借助动态无功功率补偿技术，对平台设备进行技术创新。对电站功率因数进行有效改善，提高钻井平台的施工效率，减少钻井平台的能耗量，获取显著的经济效益。

1、钻井平台负载的特点及无功损耗对电站的影响

海上钻井平台一般采用电动钻机。根据电流差的不同，把电驱动钻机划分为交直流驱动可控硅钻机和交直流交流变频驱动变频器钻机两类。针对SCR驱动系统，柴油发电机组可以产生690V交流电，并通过三相整流电路将AC转换为DC，对直流电动机进行直接管控，继而满足钻井工艺要求进行实时调控，针对VFD传动系统，可以把三相整流电路整流转化为直流电，通过逆变形式转化为交流电，对交流电动机进行直接控制，进行动态调速。不管采取哪种形式，钻井平台的电驱动设备反复从空载变化到满载状态，作为典型的冲击性负荷。比如，钻井绞车在开展工作的过程中具有以下变化，逐渐从空载状态变化到满载状态，顶部驱动设备对钻入地层造成影响，负荷开始实时变化，冲击性负荷会对电网电压造成压力产生波动，导致供电质量不断降低。除此之外，因为存在晶闸管，在交直流变流器向系统中注入以6k±1次（k=1，2，…，n）特征谐波，谐波会对电网中的设备造成不良影响，例如把海洋931钻井平台为例：这个钻井平台配备了3台2350kW柴油机发电机组。690V系统供电设备主要有顶部驱动、绞车、转盘、泥浆泵、泥浆搅拌器及690V/380V变压器。顶部驱动装置利用交流变频（VFD）的方式开展驱使工作。运用10台以上的直流调速装置品迫使相关装置进行有效驱动。因为使用了大量的整流设备和旋转设施，致使电网中的无功需求量明显提升。依照设计要求，两台发电机组就可以满足所有的钻井工作，但是在实际的应用过程中并不能够实现，在开展一开及二开倒划眼作业时，无功需求的急剧提高，促使系统功率因数下降0.65，确保这3台主机全部并网才可以满足需求。与此同时，会产生高度的功率损耗，会破坏电能系统的稳定性。

2、分析钻井平台电站无功

2.1影响平台电站功率因数的因素

第一点是变压器和电动机设备引发的稳态无功，海洋钻井平台电站形成了小电网供电网络，其主要应用以下的电设备，包括直流电动机、变压器、交流异步电动机等，这些都属于感性负载，这类设备在运行的过程中，不仅要从供电系统中获取有功功率P，同时要获取足够的无功功率Q，确保系统中的视在功率为S=P'+Q。功率因数为λ=P/S=cosφ，φ作为负载的阻抗角，负载的特点直接决定了功率因素的多少。

第二点是由钻井平台的实际工况引发的谐波。海上钻井平台柴油发电机组产生的600V交流电源首先通过SCR系统整流为直流电源，然后通过直流电机驱动钻井绞车、泥浆泵、转盘等设备，提升钻井设备进行钻井生产。可控硅整流器采用移相控制。600V电网吸收的正弦波存在缺角现象，电网中剩余的正弦波也存在缺角现象。剩余的正弦波中有许多谐波。可控硅系统的主要谐波源是四个可控硅整流装置。除此之外，钻井绞车在接钻杆或起下钻具时，通常需要以较大的电流才可以开启，从空载-满载、从满载-空载进行不断变化，对600V电网供电系统造成了严重冲击，使钻井平台电站电网造成一定的电压波动。通过对可控硅整流装置进行严格管控，确保电站的功率因数不至于过低而导致过励磁报警甚至全船停电。

2.2无功的增加对线路造成的影响

由于系统无功的提高，致使电网的功率因素不断降低，对供电系统造成了严重危害。首先是功率损耗的增加。根据单回路分析，假设线路电流为I，线路电阻为r。该线路的损耗功率为：△ P=3I2r×10-3=（P2/U2+Q2/U2）R×103。（1）式中为额定电压，Q为无功功率。将上式变形为：△P=PR×10-3（U2，COS2φ）（2）可以得知，当线路的额定电压和有功功率保持定值，线路的有功损耗因数越低，则线路损耗会越大。其次是电压损失增大。换而言之，线路的无功功率越大，功率因数越低，线路中的损失电压相对较大。最后，钻井电台设备的供电能力下降，因为钻井平台电站普遍是由大功率柴油发电机组进行供电，用视在功率S表示供电能力。由于功率因素不断降低，则会增大无功功率，会使固定容积的柴油发电机组提供的有功功率减少。

3、海洋钻井平台的技术改造方案

海洋钻井平台电站普遍是由3-4台柴油发电机组成的，同时需要利用其它的配电设备，包括绞车、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、以及生活设备等等。为了对钻井平台的功率因素进行提升，降低负载电流，依据钻井机械的负载运行特点，以及相关的技术改造方案，在鉆井平台的维修过程中，需要对平台电站进行改造。低压实时无功动态补偿装置连接至电气控制室内发电机配电盘的电源母线。在计算机控制晶闸管投切的帮助下，采用由电抗器和电容器组成的串联电路进行无功补偿，以滤除电网中的高次谐波，提高功率因数和电网质量。补偿系统和无功动态无功补偿装置。

4、补偿技术的应用成果

海洋钻井平台在开展升降平台、钻井、试油等不同工种时，不同工种的总负荷存在较大差异。发电机具有标准的额定数值，在开展大负荷的工作时，需要引进表层钻井、二开钻进等设备，需要配备3台及以上柴油发电机组进行供电。以海洋石油931的钻井平台为基础，在施工过程中采用的高压大排量钻井工况，分析比较了补偿装置应用前后电网功率因数的变化。假设四台柴油发电机组并联供电，负载均匀分布。在高压大排量钻井条件下，两台泥浆泵进行超负荷的运行，泵冲转速可以达到100t/min，泵压为21MPa。每台泥浆泵由两台直流电机驱动，负载电流2x1150A，电传柜额定输出电流2300A，转换交流侧电流1877A;绞车也由两台直流电机驱动。运行到负载工作的一半时，电流达到了1050A，电传柜的额定输出电流为1050A，转换到交流侧方位的电流为857A;顶部驱动由直流电机驱动。当大约一半负载运行时，电流为550A。在海洋钻井平台引用动态无功功率补偿装置后，可以提高系统的功率因数，确保发电机电流可以快速降低，减少了系统线路损耗和设备损坏，对电网电压波形质量进行改善，延长钻井平台机械设备的使用期限，节约了设备的维修费用，以便获得一定的社会价值和成本效益。

5、结束语

简而言之，通过在海洋钻井平台电站上安装无功功率补偿装置，可以改善供电质量，在增强钻井安全性的同时减少了生产成本，达到节约能源、减少能耗、提高效率的目的。

参考文献：

[1]崔随来，张铜望，郭拥军，等.钻井平台电站无功补偿[J].矿场机械，2019（05）：87-88.

[2]冯莉萍，戴春芳.王滨海，等，海洋钻井平台诺波成因与治理分析[J].矿场机械，2020（06）：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，2019（04）：7-9.