海洋鉆井平臺(tái)電站無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用分析

劉暉

摘? 要：通過(guò)對(duì)海洋內(nèi)的資源進(jìn)行廣泛利用，可以提高國(guó)內(nèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平，海洋鉆井平臺(tái)電站具有能耗量過(guò)高、功率較低等問(wèn)題，為了對(duì)鉆井平臺(tái)電站的供電水平進(jìn)行改善，提升鉆井平臺(tái)的生產(chǎn)時(shí)效性，對(duì)鉆井平臺(tái)的功率進(jìn)行分析，通過(guò)在鉆井平臺(tái)電站中應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，可以顯著改良電站的供電狀況。以便達(dá)到鉆井平臺(tái)的節(jié)能目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：鉆井平臺(tái)電站;無(wú)功補(bǔ)償技術(shù);應(yīng)用措施

引言

海洋鉆井企業(yè)配備的電站設(shè)施普遍是傳統(tǒng)的產(chǎn)品，伴隨海上勘探產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展，鉆井平臺(tái)電站缺少足夠的電力，存在能源消耗過(guò)高的問(wèn)題，綜合海上的實(shí)際生產(chǎn)狀況，在鉆井平臺(tái)上借助動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。對(duì)電站功率因數(shù)進(jìn)行有效改善，提高鉆井平臺(tái)的施工效率，減少鉆井平臺(tái)的能耗量，獲取顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1、鉆井平臺(tái)負(fù)載的特點(diǎn)及無(wú)功損耗對(duì)電站的影響

海上鉆井平臺(tái)一般采用電動(dòng)鉆機(jī)。根據(jù)電流差的不同，把電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)劃分為交直流驅(qū)動(dòng)可控硅鉆機(jī)和交直流交流變頻驅(qū)動(dòng)變頻器鉆機(jī)兩類。針對(duì)SCR驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，柴油發(fā)電機(jī)組可以產(chǎn)生690V交流電，并通過(guò)三相整流電路將AC轉(zhuǎn)換為DC，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行直接管控，繼而滿足鉆井工藝要求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，針對(duì)VFD傳動(dòng)系統(tǒng)，可以把三相整流電路整流轉(zhuǎn)化為直流電，通過(guò)逆變形式轉(zhuǎn)化為交流電，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行直接控制，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)速。不管采取哪種形式，鉆井平臺(tái)的電驅(qū)動(dòng)設(shè)備反復(fù)從空載變化到滿載狀態(tài)，作為典型的沖擊性負(fù)荷。比如，鉆井絞車在開展工作的過(guò)程中具有以下變化，逐漸從空載狀態(tài)變化到滿載狀態(tài)，頂部驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)鉆入地層造成影響，負(fù)荷開始實(shí)時(shí)變化，沖擊性負(fù)荷會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓造成壓力產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致供電質(zhì)量不斷降低。除此之外，因?yàn)榇嬖诰чl管，在交直流變流器向系統(tǒng)中注入以6k±1次（k=1，2，…，n）特征諧波，諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的設(shè)備造成不良影響，例如把海洋931鉆井平臺(tái)為例：這個(gè)鉆井平臺(tái)配備了3臺(tái)2350kW柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組。690V系統(tǒng)供電設(shè)備主要有頂部驅(qū)動(dòng)、絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、泥漿攪拌器及690V/380V變壓器。頂部驅(qū)動(dòng)裝置利用交流變頻（VFD）的方式開展驅(qū)使工作。運(yùn)用10臺(tái)以上的直流調(diào)速裝置品迫使相關(guān)裝置進(jìn)行有效驅(qū)動(dòng)。因?yàn)槭褂昧舜罅康恼髟O(shè)備和旋轉(zhuǎn)設(shè)施，致使電網(wǎng)中的無(wú)功需求量明顯提升。依照設(shè)計(jì)要求，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組就可以滿足所有的鉆井工作，但是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中并不能夠?qū)崿F(xiàn)，在開展一開及二開倒劃眼作業(yè)時(shí)，無(wú)功需求的急劇提高，促使系統(tǒng)功率因數(shù)下降0.65，確保這3臺(tái)主機(jī)全部并網(wǎng)才可以滿足需求。與此同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高度的功率損耗，會(huì)破壞電能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、分析鉆井平臺(tái)電站無(wú)功

2.1影響平臺(tái)電站功率因數(shù)的因素

第一點(diǎn)是變壓器和電動(dòng)機(jī)設(shè)備引發(fā)的穩(wěn)態(tài)無(wú)功，海洋鉆井平臺(tái)電站形成了小電網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)，其主要應(yīng)用以下的電設(shè)備，包括直流電動(dòng)機(jī)、變壓器、交流異步電動(dòng)機(jī)等，這些都屬于感性負(fù)載，這類設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程中，不僅要從供電系統(tǒng)中獲取有功功率P，同時(shí)要獲取足夠的無(wú)功功率Q，確保系統(tǒng)中的視在功率為S=P'+Q。功率因數(shù)為λ=P/S=cosφ，φ作為負(fù)載的阻抗角，負(fù)載的特點(diǎn)直接決定了功率因素的多少。

第二點(diǎn)是由鉆井平臺(tái)的實(shí)際工況引發(fā)的諧波。海上鉆井平臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的600V交流電源首先通過(guò)SCR系統(tǒng)整流為直流電源，然后通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆井絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤等設(shè)備，提升鉆井設(shè)備進(jìn)行鉆井生產(chǎn)。可控硅整流器采用移相控制。600V電網(wǎng)吸收的正弦波存在缺角現(xiàn)象，電網(wǎng)中剩余的正弦波也存在缺角現(xiàn)象。剩余的正弦波中有許多諧波?？煽毓柘到y(tǒng)的主要諧波源是四個(gè)可控硅整流裝置。除此之外，鉆井絞車在接鉆桿或起下鉆具時(shí)，通常需要以較大的電流才可以開啟，從空載-滿載、從滿載-空載進(jìn)行不斷變化，對(duì)600V電網(wǎng)供電系統(tǒng)造成了嚴(yán)重沖擊，使鉆井平臺(tái)電站電網(wǎng)造成一定的電壓波動(dòng)。通過(guò)對(duì)可控硅整流裝置進(jìn)行嚴(yán)格管控，確保電站的功率因數(shù)不至于過(guò)低而導(dǎo)致過(guò)勵(lì)磁報(bào)警甚至全船停電。

2.2無(wú)功的增加對(duì)線路造成的影響

由于系統(tǒng)無(wú)功的提高，致使電網(wǎng)的功率因素不斷降低，對(duì)供電系統(tǒng)造成了嚴(yán)重危害。首先是功率損耗的增加。根據(jù)單回路分析，假設(shè)線路電流為I，線路電阻為r。該線路的損耗功率為：△ P=3I2r×10-3=（P2/U2+Q2/U2）R×103。（1）式中為額定電壓，Q為無(wú)功功率。將上式變形為：△P=PR×10-3（U2，COS2φ）（2）可以得知，當(dāng)線路的額定電壓和有功功率保持定值，線路的有功損耗因數(shù)越低，則線路損耗會(huì)越大。其次是電壓損失增大。換而言之，線路的無(wú)功功率越大，功率因數(shù)越低，線路中的損失電壓相對(duì)較大。最后，鉆井電臺(tái)設(shè)備的供電能力下降，因?yàn)殂@井平臺(tái)電站普遍是由大功率柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，用視在功率S表示供電能力。由于功率因素不斷降低，則會(huì)增大無(wú)功功率，會(huì)使固定容積的柴油發(fā)電機(jī)組提供的有功功率減少。

3、海洋鉆井平臺(tái)的技術(shù)改造方案

海洋鉆井平臺(tái)電站普遍是由3-4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組成的，同時(shí)需要利用其它的配電設(shè)備，包括絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)等鉆井設(shè)備的8臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)、大量的驅(qū)動(dòng)輔助機(jī)械的交流異步電動(dòng)機(jī)、以及生活設(shè)備等等。為了對(duì)鉆井平臺(tái)的功率因素進(jìn)行提升，降低負(fù)載電流，依據(jù)鉆井機(jī)械的負(fù)載運(yùn)行特點(diǎn)，以及相關(guān)的技術(shù)改造方案，在鉆井平臺(tái)的維修過(guò)程中，需要對(duì)平臺(tái)電站進(jìn)行改造。低壓實(shí)時(shí)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置連接至電氣控制室內(nèi)發(fā)電機(jī)配電盤的電源母線。在計(jì)算機(jī)控制晶閘管投切的幫助下，采用由電抗器和電容器組成的串聯(lián)電路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以濾除電網(wǎng)中的高次諧波，提高功率因數(shù)和電網(wǎng)質(zhì)量。補(bǔ)償系統(tǒng)和無(wú)功動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

4、補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用成果

海洋鉆井平臺(tái)在開展升降平臺(tái)、鉆井、試油等不同工種時(shí)，不同工種的總負(fù)荷存在較大差異。發(fā)電機(jī)具有標(biāo)準(zhǔn)的額定數(shù)值，在開展大負(fù)荷的工作時(shí)，需要引進(jìn)表層鉆井、二開鉆進(jìn)等設(shè)備，需要配備3臺(tái)及以上柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電。以海洋石油931的鉆井平臺(tái)為基礎(chǔ)，在施工過(guò)程中采用的高壓大排量鉆井工況，分析比較了補(bǔ)償裝置應(yīng)用前后電網(wǎng)功率因數(shù)的變化。假設(shè)四臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)供電，負(fù)載均勻分布。在高壓大排量鉆井條件下，兩臺(tái)泥漿泵進(jìn)行超負(fù)荷的運(yùn)行，泵沖轉(zhuǎn)速可以達(dá)到100t/min，泵壓為21MPa。每臺(tái)泥漿泵由兩臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，負(fù)載電流2x1150A，電傳柜額定輸出電流2300A，轉(zhuǎn)換交流側(cè)電流1877A;絞車也由兩臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。運(yùn)行到負(fù)載工作的一半時(shí)，電流達(dá)到了1050A，電傳柜的額定輸出電流為1050A，轉(zhuǎn)換到交流側(cè)方位的電流為857A;頂部驅(qū)動(dòng)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)大約一半負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電流為550A。在海洋鉆井平臺(tái)引用動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置后，可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，確保發(fā)電機(jī)電流可以快速降低，減少了系統(tǒng)線路損耗和設(shè)備損壞，對(duì)電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量進(jìn)行改善，延長(zhǎng)鉆井平臺(tái)機(jī)械設(shè)備的使用期限，節(jié)約了設(shè)備的維修費(fèi)用，以便獲得一定的社會(huì)價(jià)值和成本效益。

5、結(jié)束語(yǔ)

簡(jiǎn)而言之，通過(guò)在海洋鉆井平臺(tái)電站上安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，可以改善供電質(zhì)量，在增強(qiáng)鉆井安全性的同時(shí)減少了生產(chǎn)成本，達(dá)到節(jié)約能源、減少能耗、提高效率的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔隨來(lái)，張銅望，郭擁軍，等.鉆井平臺(tái)電站無(wú)功補(bǔ)償[J].礦場(chǎng)機(jī)械，2019（05）：87-88.

[2]馮莉萍，戴春芳.王濱海，等，海洋鉆井平臺(tái)諾波成因與治理分析[J].礦場(chǎng)機(jī)械，2020（06）：23-25.

[3]楊永清.功率因數(shù)對(duì)電站發(fā)電機(jī)的影響及提高方法[J].移動(dòng)電源與車輛，2019（04）：7-9.