3.0 MTPA FLNG配电系统设计分析

刘小庆

（上海惠生海洋工程有限公司，上海 201210）

0 引 言

浮式液化天然气生产储卸装置（Floating Liquefied Natural Gas Production，Storage and Unloading Device，FLNG）具有处理、液化、储存和装卸天然气的功能。随着平台处理规模的增大，FLNG 电气负荷用电量增大，目前3.0 百万吨每年（Million Tonnes Per Annum，MTPA）FLNG总电站容量已达到70 ～80 MW，单台发电机组的容量也已达到20 ～30 MW。随着电网容量的增大，配电系统的网络型式对平台的经济性和生产供电的可靠性的影响更为显著。电网容量的增大意味着电压等级的升高，同等级电压下系统的短路电流增大，配电系统保护存在限制，需对其进行分析；平台主尺度的增大意味着电缆长度的增加，电力系统对地电容电流大幅度增大，单相接地故障电流增大，需对平台电力系统的接地方式进行研究［1］；功率管理系统网络架构对供电的可靠性有影响，也是较为关键的部分。

1 FLNG主要工况及发电机组配置

根据工艺流程需求，主要将FLNG工况分为正常液化工况、降低液化工况、液化卸载工况、基本工况和应急工况等5 种。表1 为某3.0 MTPA FLNG在这5 种工况下的用电情况。主电站作为FLNG的心脏，为生活和生产设施提供电能，是确保整个生产设施可靠、连续、安全运转的核心设备［2］。该FLNG 配置3 台透平电机组，单机功率约为25 MW；正常液化工况和液化卸载工况下使用2 台25 MW机组，1 台机组备用；降低液化工况下使用1 台25 MW机组。该FLNG的设计温度为30 ℃，燃气透平机组功率受环境温度的影响较大，需考虑机组降容，厂家标称功率为国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）15 ℃对应的功率30 MW，当设计温度为30 ℃时，单机组发出功率修正为25 MW。

表1 某3.0 MTPA FLNG在5 种工况下的用电情况 单位：kW

2 配电系统的型式

根据短路电流计算，该FLNG主配电网电压选择11 kV。功率大于250 kW的设备属于大功率设备，一般需由中压配电板供电，液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）货泵、液化石油气（Liquefied Petroleum Gas，LPG）货泵和冷凝泵厂家一般只提供6.6 kV电压等级，其他大功率设备的供电电压可选11 kV或6.6 kV。

2.1 馈线式配电网

馈线式供电系统由主配电板直接向各区域配电板供电，结构简单，保护装置动作较容易，发生事故时只需断开相应的开关即可，馈线式11 kV配电网方案单线图见图1。若大功率设备的电压均选用6.6 kV，则可在该方案的基础上通过增加变压器实现。

图1 馈线式11 kV配电网方案单线图

2.2 环路式配电网

主干式环路式供电系统主要使主配电板、11 kV顶部配电板和11 kV基本配电板形成闭合环路，使所有用电设备都可从环路供电，供电灵活性和可靠性强，但环路结构较为复杂，保护装置整定复杂。

2.3 配电网方案分析比较

2.3.1 经济性

分别对3 种配电网方案中各设备的特性进行对比分析（见表2），从而实现对配电网方案的经济性分析。

表2 3 种配电网方案经济性对比

1）对于馈线式配电网方案，若大功率设备选用6.6 kV电压，配电板短路电流会小很多，但6.6 kV设备需经变压器从主配电板供电，变压器数量较多且容量较大，价格昂贵。因此，对于馈线式电网，大功率设备选11 kV电压较为经济。

2）对于环路式配电网方案，主配电板与所有区域配电板采用同一网络，因此所有配电板的容量都很大，且配电板间用电缆载流量也将增大，因此环路式配电方案相比馈线式配电网方案价格更高。

综合上述对比可知，采用馈线式配电网，且大功率设备选用11 kV电压的方案为经济性更好的方案。

2.3.2 供电可靠性

1）对于馈线式配电网：主配电板分左、右2 个独立分段，中间设常闭开关；区域配电板分左、右2 个独立分段，中间设常开开关。区域配电板分别从主配电板左右分段供电，进线开关和中间开关采用3 选2 模式，即当主配电板任意一段失电，或任意一台变压器发生故障时，在剩余发电机组功率范围内，区域配电板仍可工作。

2）对于环路式配电网，所有11 kV配电板都在同一环路上，之间设常闭开关，当任意一段配电板失电时，在剩余发电机组功率范围内，其余配电板仍可工作。环路供电系统特别适合负荷比较集中、密度大而每个分站的用电负荷不是特别大的场合，分站数一般6 ～10 个比较经济合理［3］。此处环路式配电网不能特别发挥优势。

对于供电可靠性，优化设计的馈线式配电网和环路式配电网都具有较强的供电可靠性。

综上分析，采用馈线式配电网，且大功率设备选用11 kV 电压的方案经济性好，可靠性强，为3.0 MTPA FLNG最佳配电网方案。

3 配电系统设计关键点

3.1 中压配电系统保护

根据短路电流计算，FLNG主配电板最大对称短路电流为43 kA，最大峰值短路电流为115 kA。目前主流厂家的12 kV真空断路器额定短路开断（耐受）电流最大为50 kA，额定短路关合电流峰值（额定峰值耐受电流）为125 kA，因此可满足要求。此外，若电站容量增大，导致主配电板最大对称短路电流超过50 kA，可在配电板左右段间加装快速限流器，即当短路电流超过50 kA 时，快速限流器快速动作，配电板分成左右2段排，左右排短路电流互无贡献，使单排短路电流减小。

3.2 接地方式选择

3.2.1 接地方式选择原则

中性点接地方式基本上可分为大电流接地和小电流接地2 种，其中：大电流接地有直接接地和低阻接地2 种；小电流接地有中性点不接地、经高阻接地和经消弧线圈接地等3 种［4］。FLNG电力系统对供电可靠性和连续性有较高的要求，因此FLNG电力系统主要考虑采用小电流接地方式。

国家标准和电力行业各标准均对接地方式做出了规定，一般规定：

1）对于发电机额定电压在6.3 kV以上的系统，当发电机内部发生单相接地故障不要求瞬时切机时，若采用中性点不接地方式，对于电压为11 kV的系统，发电机单相接地故障电容电流最大允许值为3 A，大于该值时应采用中性点谐振接地方式。［5］

2）对于6 kV和10 kV配电系统及发电厂用电系统，当单相接地故障电容电流不大于7 A时，可采用中性点高阻接地方式，故障总电流不应大于10 A。该标准参考了有关资料，全塑绝缘电缆单相接地故障电流不大于20 A，油纸绝缘电缆单相接地故障电流不大于15 A，对交联聚乙烯绝缘电缆单相接地故障电流不大于10 A时电弧可熄灭［5］。

根据国际上的一般概念，当电容电流超过15 A，至多20 A之后，就已不再采用高阻接地方式［4］，此时对高阻接地系统故障电流的限制最大为20 A。根据电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）Std C37.101《发电机接地保护导则》的规定，中性点高阻接地发电机故障电流为10 ～25 A。［6］因此，首先需计算系统单相接地故障电容电流和故障总电容电流。

3.2.2 中性点不接地系统单相接地故障电容电流

在中性点不接地系统中，故障总电流仅为接地故障电容电流。中性点不接地系统图和中性点不接地系统向量图分别见图2 和图3。

图2 中性点不接地系统图

图3 中性点不接地系统向量图

从图3 中可看出，当中性点单相故障发生之后，单相接地故障电容电流的计算公式为

FLNG系统线电压为11 kV，相电压为6.35 kV，角频率为314 rad/s，只有相对地电容为未知，电力系统相对地电容主要由发电机、变压器、电缆和电动机组成，参数由厂家提供，在最大工况下，发电机组和变压器总相对地电容为0.416 μF。FLNG总长较长，配电网络具有分布性特点，因此需充分考虑电缆长度和对地电容，单根电缆对地电容可由电缆厂家提供，FLNG在最大工况下的电缆对地总电容约为1.15 μF，则系统对地总电容为1.566 μF。单相接地故障电容电流IC=9.37 A，超过3 A，不建议采用中性点不接地系统。

3.2.3 中性点高阻接地系统单相接地故障电容电流

对于中性点高阻接地系统，接地故障总电流为接地故障电容电流与高阻电流的叠加。高阻接地系统图和高阻接地系统向量图分别见图4 和图5。从图5 中可看出，高阻接地系统单相接地故障发生之后，接地故障总电流ID为系统接地故障电容电流IC与系统高阻电流IR的叠加,一般稍大于IC，则当系统总电阻电流IR取10 A时，接地故障总电流ID=13.7 A。

图4 高阻接地系统图

图5 高阻接地系统向量图

根据国内标准需采用经消弧线圈接地方式，根据国际可采用高阻接地方式。消弧线圈接地方式的设计较为复杂，在海洋石油工程中使用极少；同时，据了解，国际上一些项目的接地故障总电流约为20 A 时仍采用高阻接地方式，且运行正常。因此，后续可对接地故障总电流为10 ～20 A的接地系统作进一步的试验研究。目前认为若采用高阻接地方式，则应与设备厂家确认设备绝缘等，同时在设计配电系统时，配电柜的位置需尽可能地合理优化，并尽量缩短电缆长度，以尽可能地减小单相接地故障电流，防止间歇性电弧接地过电压。

3.3 功率管理系统

FLNG的电站管理系统（Power Management System，PMS）需实现发电机组控制与调度、有功无功分配、优先脱口、重载问询、负载转移、状态监测和自诊断等功能［7］。

PMS网络结构主要分为操作层、控制层和设备层等3 层。从空间上设集中控制室、顶部电气间和平台电气间，其中：集中控制室负责整个PMS监控，包括主发电机组和基本发电机组监控；顶部电气间设置PMS 控制机柜，负责透平发电机组及顶部配电系统信号处理；平台电气间设置PMS控制机柜，负责基本发电机组和平台配电系统信号处理。整个系统采用冗余设计，PMS 服务器互为备用，操作层和控制层均采用冗余网络，任意网络发生故障，不影响PMS的功能［7］。PMS 网络可通过防火墙连接至全船集成控制系统，并在集成控制系统中显示。

设计PMS时尽量将顶部PMS与平台PMS统一考虑，避免因厂家不同而引发软件权限问题。

4 结 语

目前我国自主研发生产的FLNG 极少，对年产量较大的FLNG 还缺乏设计和建造经验，本文结合3.0 MTPA FLNG，分析了大容量配电网型式。11 kV馈线式配电网较为经济可靠，可满足3.0 MTPA FLNG对可靠安全生产的需求。对于大容量配电系统，短路电流有可能略超过保护装置最大值，此时可在配电板间加装快速限流器保护。由于FLNG的主尺度较大，电网容量大，电缆较长，单相接地故障电流较大，当单相接地故障电流在限制内时，可采用高阻接地方式。但是，随着平台容量的增大，单相接地故障电流可能会超过限值，有可能需采用经消弧线圈接地方式或其他方式，而这些方式在海洋石油工程中极少应用，需进一步研究。