论钻井平台电力系统的节能

摘 要：钻井平台不仅是能源的开发装置同时也是能源消耗很大的系统。以自升式平台为例，在非生产期间的日消耗电能在7 000 kwh，而生产作业期间可能会高达40 000 kwh以上，而这些电能中有大约25%～30%是在各个环节中浪费掉了。因此，在钻井平台中推进电力的节能不但可行而且非常必要。文章从钻井平台电力系统的整体出发，从发、输、变、配到使用等各个环节来分析论证如何实现电力节能。对平台电控系统的设计和设备选型具有很好的指导和借鉴意义。

关键词：钻井平台；电力系统；设计；设备选型；节能

中图分类号：P752 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）35-0074-04

作为具有一定时限自存能力的海洋工程生产设施，移动式钻井平台的所有具有动力的装置几乎都是由电能驱动的。而在远离陆岸的海洋中自由移位的特点决定了只能使用自备发电，因此平台上要有发电装置；平台上的装置很多且分散在各处，其使用的电压等级及电制也不相同，又决定了平台上要有变压、输电、配电能力。可见钻井平台是一个完备的电网系统。下文从发电、变配到用电各过程来论述如何实现节能。

1 发电环节的节能

1.1 合理安排运行的发电机并网台数，减少怠机和过大

的电能备用余量

因为原先原动机的可靠性和响应负载突变的能力不强，平台的人员为给生产运行提供可靠保障，经常会两台发电机能够满足要求的时候，还要多并网投入一台，留有足够的余量。这其实是很不合理的，一方面现在的原动机都有很强的应对负载突加突卸的能力，即便是过载110%也能运行10 min而不损害设备。另一方面多并网一台发电机，就要多消耗一台车的燃料，多余化石能会变成热量排入到环境中增加了碳排放，也造成了极大燃料的浪费，同时多车并网还会产生发电机间的无功环流，减少有功输出影响发电机出力。

1.2 合理分配工况，提高系统负荷率节能

损失率如图2，可见当负载系数？茁达到某一值时损失率最小，令上式P%对？茁的导数为零，可得P0=？茁2PK。也就是说当铜损等于铁损时变压器的损失率最低。所以可以通过调整负荷来实现变压器的有功经济运行。此时，P0/PK大约在0.24～0.33左右，而？茁≈0.5左右。同理，可知当变压器的负载漏磁功率等于空载励磁功率时，无功消耗最小。经过分析我们可知在平台电网负载不同的情况下通过不同的变压器并列和分立运行，可实现变压器的有功无功或者综合经济运行。具体措施可采用：

①选择变压器台数时，应根据计算负荷，负荷性质，生产可能的工况等条件进行选择，能够进行不同的运行方式组合。

②对负荷率很低（正常使用时负荷率低于30%），而且损失率有很高的，通过计算证明是“大马拉小车”的变压器，应予以调整或更换；

③根据计算负荷，对重负荷（80%负载率）不利于经济运行的变压器可放大一级容量，以降低其负载率和损失率；

④电控系统设计时应根据负荷情况，对视在功率630 kva以上的变压器能实现切换变压器的可能性，以满足变压器经济运行的条件；

⑤减少或避免变压器长期空载运行；

⑥照明变压器应单独设置。

⑦高耗能的变压器应考虑更换。对于20世纪70-80年代的产品应该考虑更新换代，采用目前新型的SL7、S9、 S11以及SH非晶态合金系列低损耗配电变压器。新型变压器不但损耗低而且材料成本也相应降低很多。但是更新会带来有功无功电能节约的同时，也要增加投资。

2.2 配电系统的节能措施

①根据用电性质，用电容量合理选择供电电压和供电方式。平台的线缆布线，尽可能的走最短路线，避免线路重复和过多曲折。减少变压级数，在安全前提下能采用高压的设备尽可能不采用低压。当输送负荷不变时，升压后降低功率损失百分比为：？驻P%=（1-U21/U22）100%；U1低电压，U2采用的高电压。可见采用高电压降低线路损耗的效果是比较明显的。

②合理选择导线的截面。钻井平台的输电线路，规范要求采用绝缘电缆。因此电阻产生的线损的影响不是很大，但是因为有色金属的成本较高，所以应该综合考虑其投资和运行成本。所以在选择导体截面的时候应该在动稳定和热稳定校验的同时，依据经济电流密度来选择。经济电流密度是根据节省投资、年运行费用及有色金属消耗等因数综合考虑后制定的：B=0.11Z+1.11N，式中B年费用支出，Z投资，N年运行费用。

我国的经济电流与密度值（GB 50217-2007）为2.0～2.5 A/mm2。

③平衡三相电流。在电网中如果三相负荷不平衡，就会在线路和变压器上增加损耗，三相不平衡越大损耗越大。同时三相不平衡还会因为断路器，熔断器、线路载流量等的限流功能降低线路的输送电能的能力。所以在设计和生产中尽可能将单项负荷均布在三相线路中，比如平台的220 V用电设备的供电，各处所的照明等。

④提高功率因数，提高功率因数是提高供配电系统最有效也采用字多的措施与方法。几乎所有的节能措施总都会采用。因为它可以：一可以减少线损，如果线路的电阻为R，则线路损耗为P=3I2R=P2R/U2COS2？准，COS？准线路输送负荷的功率因数。二可以减少变压器铜损，三可以减少线路及变压器的电压损失；四可以提高功率因数可以增加发电设备的供电能力等优点。

2.3 配电系统元器件的节能

对于节能人们往往关注大型设备和系统，而对于小容量的低压电器往往容易忽略的。因为就每一低压电器而言所消耗的电能不大一般只有几瓦或者几十瓦，但是因为低压电器使用的量很大，如热继电器、熔断器以及信号灯等数量多，这样总的能量消耗就不容忽视了。因此在选型的时候加以重视采用成熟、可靠、节能的低压电器也是很好的节能方向。具体来说像交流接触器，一方面如果对于380 V或以上的接触器断路器采用220 V的控制电源，那么就不得在每一个主电路中并上一组控制变压器引出控制回路，这样必然增加电能的消耗和浪费。另一方面，交流接触器的吸持消耗。以目前我国生产的60 A以上的交流接触器，其交流操作电磁系统消耗的有功功率在几十到一百多瓦。各项消耗大约为：线圈电阻消耗3%～5%，短路环消耗25%～30%，铁心消耗为65%～70%。如果吸持从交流改为直流，则免去了铁心和短路环中的绝大部分功率损失（约为原先的85～90%），而获得非常理想的节电效益。同时采用节电技术后降低了温升和噪音。

3 用电设备的节能

3.1 电动机的节能措施

用电设备的节能应重点从电机的节能开始，国家“十二五节能规划发展纲要”中提到“电机及其拖动的设备，风机、水泵、空压机以及变频器调速技术和设备是节能的中的重点”。针对钻井平台而言，采用最多的是三相异步电动机和直流电动机（其他电动机应用的少这里不作介绍）（如图4a所示）。

3.1.1 影响电动机效率的因素分析

电动机的效率η=P2/P1=P2/（P2+P）式中：P2电动机的输出功率kw；P1电动机的输入功率kw；P电动机的功率损耗，有负载损耗（主要是铜损）和空载损耗（主要是铁损）。当输出功率P2减少后，虽然总的损耗也在减少，但减少的速度较慢。因此电动机的效率随负荷的减少而降低。特别是负荷系数低于50%以后，电动机效率下降更快。如图4b。当空载运行时P2=0，总损耗等于恒定损耗，此时电动机效率为零。

异步电动机的功率因数，对电源来说，电动机相当于一个电阻和一个电感串联，因而功率因数cos？准总小于1。为了建立磁场，异步电动机从电网吸收很大的无功电流I0，它在正常工作范围内几乎不变，在空载时定子电流，I1=I0此时功率因数cos？准=0.2左右很低。当负载增加定子电流的有功分量也随之增加，使cos？准很快上升，当接近额定负荷时功率因数达到最大值。当负荷增加到一定程度以后，由于转差率的增加，转子漏抗增加，转子电路的无功电流增加，相应定子无功电流也增加，因而功率因数反而降低。如图4c。

3.1.2 电动机的经济运行判定，一般采用电机输入电流与额定电流之比来判断

电动机综合效率在大于或等于额定综合效率时表明电动机对电能利用是经济的（输入电流下降在15%以内）；综合效率小于额定综合效率但大于其60%为（输入电流下降在35%以内）基本合理；当综合效率小于额定效率60%（输入电流下降超过35%）为非经济适用范围。具体的电机节能措施有：①根据电动机经济运行的原则合理选择电动机，在满足电动机安全启动、制动、调速等方面要求的情况下，以节能为主。②采用高效电动机，减少电动机损耗。根据GB/T 3485《评价企业合理用电技术导则》规定：年运行时间大于3 000 h，负荷率应大于60%的电动机应优先选用节能电动机。③对轻载电动机采用降压运行方式实现节能。如异步电动机采用调压节电措施；改变电动机接线绕组的节电方法等。④电动机无功就地补偿。就地补偿就是在异步电动机附近设置电容，对异步电动机进行无功补偿，提高功率因数的方法（原理略）。这种方法对平台尤为有效，因为它可以：减少供电网络、配电变压器、线路的负荷电流；可以减小平台电网的功率消耗；补偿点的无功经济当量最大，降损效果最好；

3.2 风机水泵类的节能

3.2.1 设计容量要合适

平台设备中风机、水泵、压缩机类占有很大的比重。这类设备在选型设计时就应该给与考虑，如图5，在A是运行的高效点。如果选择不当，余量太大，如B点偏离高效区，就会造成风机水泵的效率下降。

3.2.2 采用合理的系统调节方式

泵或风机系统采用何种类型的调节方式，主要取决于：工作流量的变化规律；管路性能曲线的净扬程（静压）所占扬程（全压）的比例；泵或风机容量的大小；调节装置价格的高低、可靠性、调节效率以及功率因数特性等。对于压力或流量变化幅度较大，年运行总时较长的系统按表1的条件判断评价后可采用调速装置。

理论上讲，风机泵类具有以下特点：

转速控制PC=HCQC=0.7 HA0.8 QA=0.56 PA可见流量的转速控制节能效果非常明显。因此对于电机功率大于15 kw的系统，工作流量变化范围较大的系统应采用变速调节，具体的解决方案为：大范围采用变频调速；对于小范围的场合最小流量在额定流量的50%～70%以上的采用晶闸管串级调速。而对于工作流量在额定流量90%以上的系统，一般不采用变速调节。

总之，钻井平台是一个小而全的电力电网系统，既是电能消耗的大户也是采取节能措施收效最大的系统。另外除了在加强技术措施的同时还要加强对电网系统的管理措施，以期达到良好的节能效果。总结来说，钻井平台的供配电系统节能要点是：

降低变压器损耗；降低输配电线路损耗供配电线路优化，减少输电线路路径；供配电设备经济运行；提高平均负荷也最大负荷之比提高功率因数采用高效节能、高功率因数设备。

参考文献：

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[2] GB 50217-2007，电力工程电缆设计规范[S].

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