海上油气平台SVG无功补偿案例分析

0引言

功率因数是衡量电力系统效率的重要指标,其定义为有功功率与视在功率的比值^[1]。海上油气平台因其负荷特性,如大量的感性设备(电机、变压器等)和复杂的电力系统配置,容易出现功率因数低的问题。功率因数低意味着系统中的无功功率占比高,从而降低了电能利用率,严重的甚至会危害平台的安全生产^[2]。

全球范围内,许多海上油气平台均面临功率因数偏低的问题,而传统的静态电容器补偿方式在面对复杂的动态负荷时,难以提供有效的补偿。近年来,动态无功补偿技术,如SVG(静止无功发生器)^[3]和SVC(静止无功补偿器)^[4]成为解决这一问题的重要手段。本文分析了低功率因数的危害及其成因,并以南海某项目为例,探讨无功补偿方案,通过具体改造案例验证补偿措施的有效性。同时,本文列举了大量海上油气平台采用SVG技术进行无功补偿的案例,进一步说明了该技术对海上电气系统的重要性。

1功率因数偏低危害及优化措施

海上油气平台的电力系统中存在大量的感性负载和非线性装置,比如各类水泵和原油泵等。另外,平台之间传送电能的长距离海缆也可以认为是感性负载。这些负载需要消耗电力系统大量的无功功率,无功功率对海上油气平台电力系统有以下严重影响:

1)发电机和变压器的容量增加:无功功率的增加,会导致电流和视在功率增加,从而使发电机、变压器等电气设备容量增加,系统需要传输更多的无功功率。变压器和输电线路的容量被无功功率占用,导致设备实际承载的有功功率减少,无法充分发挥设备容量的作用,降低了电能传输效率^[5]。

2)设备及线路损耗增加:无功功率的增加,使总电流增大,因而使设备及线路损耗增加。

3)线路及变压器的电压降增大:诸如吊车、消防泵、海水泵等大容量电机的启动负载会增加,使供电质量严重降低。大电机在启动期间造成功率因数更低,这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动,甚至使连接在同一电网的用户无法正常工作。

低功率因数会给电力系统造成以上危害。针对海上油气平台功率因数偏低的问题,主要防治措施有:

1)优化用电设备:选择功率因数高的电机设备,尽量减少低功率因数设备的使用。如果设计中不可避免使用了低功率因数设备,则尽量通过调整电机运行状态(如减少空载运行、过载运行),提高设备效率。

2)优化负荷分配:通过海上平台油气生产工艺的优化,合理分配平台电网的负载,避免某些区域负载过高或分布不均,导致无功功率占用过多。

3)安装无功补偿设备:无功补偿设备适用于负载变化较大的场景,能够快速调整无功功率补偿量,保持功率因数稳定^[6]。SVG通过PWM脉宽调制控制技术,使其发出无功功率,呈容性;或者吸收无功功率,呈感性。SVG由于没有大量使用电容器,而是采用桥式变流电路多电平技术或PWM技术来进行处理,所以使用时不需要对系统中的阻抗进行计算^[7]。SVG的产品响应时间在5 ms以内,甚至能达到1 ms,可以做到从额定容性无功功率到额定感性无功功率的全补偿,并可在1 ms之内完成反向切换。此外,它还能够快速提供变换的无功电流,以补偿负荷变化引起的电压波动和闪变^[8]。

4)安装智能功率因数控制器:近些年,很多平台实现了智能控制器动态控制电网电能质量。通过智能控制器实时监测系统功率因数,动态调节无功补偿设备,可确保系统始终维持在较高的功率因数水平^[9]。

2 改造案例

2.1项目描述

南海某气田按计划需要对一座已建平台进行改造,在原有中心平台CEP的附近新建一座无人井口平台WHPA,新建WHPA平台不设发电机,由已建中心平台CEP给WHPA平台供电,并新建一条15.5 km海底电缆。已建CEP平台有2套4650 kW透平发电机组(正常工况下一用一备),其容量可满足为原CEP平台以及新建WHPA平台供电的需求。

由于此次新建WHPA平台与CEP平台距离较远,需要提高供电电压以降低海缆损耗。已建CEP平台需新增一台1000 kVA、6.3/35 kV升压变压器,通过35 kV高压开关柜(SF6)及15.5km海底电缆为新建WHPA平台供电。WHPA设计正常负荷为590 kW,无功功率340 kvar。WHPA平台上的可变功率设备仅有海水提升泵,且为不常用设备。WHPA平台设置一台1 000 kVA、35/0.4 kV降压变压器为平台的低压用电负荷供电。

通过ETAP软件进行不同工况下的仿真,发现新建WHPA平台后,由于长距离海缆和新增平台设备属性,将会造成无功超前的问题。ETAP仿真的两个典型工况为大负载工况和轻载工况,两种工况的无功超前情况如表1所示。

2.2补偿容量选择

SVG补偿容量要考虑两个方面:负载的无功补偿量和长距离海缆的补偿量。

2.2.1负载补偿量

海上油气平台一般电气设备负载功率都很大,并且大多为感性,因此平台电网功率因数偏低。平台在大负载工况运行时,可以通过以下公式估算设备无功功率的补偿量。

Qc=P(|tanφ1|—|tanφ2|)(1)

式中:Qc为负荷所需补偿的最大容性无功补偿量;φ1和φ2为加入无功补偿前后的功率角度;P为最大有功负荷。

假设新建WHPA平台后平台电力系统在大负载工况下的功率因数为0.9,原有系统的功率因数为0.85,计算得补偿容量Qc=500 kvar。

2.2.2长距离海缆补偿量

长距离海底电缆在运行时,海缆的充电功率即海缆的电容发出的无功功率Qc1为:

Qc1=U²CW(2)

式中:U为海缆电压等级;C为海缆的电容;W为角频率,取值为314 rad/s。

本案例中,U=35 kV;长距离海底电缆单位长度电容C=0.134μF/km,海缆长度为15.5 km,则其充电功率根据式(2)计算得约800 kvar。

需要补偿的感性无功容量QL近似计算为:

QL=K1Qc1(3)

式中:K1为补偿度,一般取40%~80%。

根据式(3),海缆空载时需要补偿的感性无功为320~640 kvar。综上所述,结合设备无功补偿和海缆无功补偿,选择1500 kvar的SVG能够满足海缆充电功率的补偿要求。加入SVG后,系统的改造情况见图1中波浪线围起的区域。

新增无功补偿装置SVG以后,两种工况的功率分析如表2所示。

经过改造后,平台的轻载工况功率因数提高至99.6%,大负载工况下,功率因数也达到了91.4%,通过调节设备关停可以使功率因数达到正常状态。改造后,原CEP平台和新建WHPA平台各线路的电压降如表3所示。

由表3可知,通过增加SVG,各个线路的电压降也符合要求。需要注意的是,轻载工况线路压降有偏高的情况,应尽量避免这种工况。

3其他SVG无功补偿案例

海上平台常常使用SVG设备, 占地面积通常很小 ,这对于海上平台这种空间狭小的场合很是实用 。 海上油气平台采用SVG的案例很多。例如 ,渤海某油气平台在改造前,功率因数仅为0.75,导致电能损耗严重,设备运行效率低下。通过安装1 000 kvarSVG 装置,功率因数提高至0.95,电能损耗降低了20%,设备运行效率提高了15%^[10]。东海某油气平台在改造前,由于长距离输电线路的影响,功率因数仅为0.8。通过优化负荷分配和安装800 kvarSVG装置,功率因数提高至0.92,电压质量显著改善,设备运行更加稳定^[11]。渤海海上油气田岸电项目,需满足陆地电网对于用户在电能质量方面的考核指标,重载工况补偿前及在平台侧补偿2 000 kvarSVG系统中母线电压降得到了一定改善,陆地电网端功率因数由0.934提高到0.964,达到考核要求,提高了线路输送容量,降低了用电成本^[12] 。为解决曹妃甸区块某无人平台供电中注水泵启动时无功功率过高问题,采用SVG配合软启动器方案,有效降低了注水泵启动电流,改善了电网电能质量^[13]。涠洲油气田某项目取消9台有载调压开关,配置4台低压SVG,经济效益明显。该项目采用动态无功补偿装置对低压母线进行谐波治理和功率补偿后,有效抑制了谐波,提高了供电质量和功率因数,提高了电能利用率^[14]。

4结束语

功率因数的提升对海上油气平台电力系统具有重要意义。通过合理配置功率补偿装置,不仅可以显著降低电能损耗,还能提高设备运行效率,延长设备寿命。本文的研究为类似项目提供了参考,同时表明了功率补偿技术在实际应用中的高效性和经济性。随着海上油气平台的电气系统越来越复杂,无功补偿技术也将不断发展。未来的研究方向可能包括开发更加智能化、自动化的无功补偿设备,能够实时监测和调节系统功率因数;在平台上合理布置多个小型无功补偿装置,实现分布式补偿,提高补偿效果等等。

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《机电信息》2025年第12期第2篇