一种用于海上气田平台的主电站及其使用方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于海上气田平台的主电站及其使用方法，它包括若干并联的天然气发电系统和一与天然气发电系统并联的柴油发电系统；其中，天然气发电系统包括一天然气气源和一通过第一管路与天然气气源连通的燃气发电机组；柴油发电系统包括一柴油源，一通过第二管路与柴油源连通的柴油日用罐和一通过第三管路与柴油日用罐连通的柴油发电机组；柴油发电机组的输出端上设置一用于将柴油发电机组内剩余的柴油回输至柴油日用罐内的第四管路；它还包括一控制柴油发电系统和天然气发电系统或者若干天然气发电系统运行在控制模式下的控制系统。
【专利说明】—种用于海上气田平台的主电站及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于海上气田平台的电气设备，特别是关于一种用于海上气田平台的主电站及其使用方法。
【背景技术】
[0002]海上气田平台上传统的主电站采用燃气透平发电机组或往复式双燃料发电机组，当海上气田平台的主电站负荷较小，甚至低于2000?3000kW时，上述两种发电机组存在投资以及燃料操作费用高等缺陷。对于燃气透平发电机组，其热效率较低，即发同样功率的电，燃气透平发电机组耗费的燃料远远大于往复式双燃料发电机组。另外，受燃气透平发电机组的规格所限，一般ISO功率大于3500kW，因此存在燃气透平发电机组长期低负荷运行的工况，这使得燃气透平发电机组的热效率将更低，即燃气透平发电机组的能源利用率较低。对于往复式双燃料发电机组，其运行需要柴油引燃，因此存在运行成本高等缺点。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够减少机组投资、降低运行成本以及节约能源的用于海上气田平台的主电站及其使用方法。
[0004]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种用于海上气田平台的主电站，其特征在于:它包括若干并联的天然气发电系统和一与所述天然气发电系统并联的柴油发电系统；其中，所述天然气发电系统包括一天然气气源和一通过第一管路与所述天然气气源连通的燃气发电机组；所述柴油发电系统包括一柴油源，一通过第二管路与所述柴油源连通的柴油日用罐和一通过第三管路与所述柴油日用罐连通的柴油发电机组；所述柴油发电机组的输出端上设置一用于将所述柴油发电机组内剩余的柴油回输至所述柴油日用罐内的第四管路；它还包括一控制柴油发电系统和天然气发电系统或者若干天然气发电系统运行在控制模式下的控制系统，所述控制系统包括一分别将燃气和/或柴油发电机组发的电输送至一汇流排的回路，每一所述回路上均设置一开关，输送至所述汇流排上的电通过设置在其上的若干另一开关输送至气田上的用电设备；每一所述回路上均并联一电压互感器和一电流互感器，每一所述电压互感器的二次输出回路上均连接一用于控制所述开关同期合闸的同期装置，每一所述电压互感器的另一二次输出回路上均分为两支路并分别连接一有功功率/频率输入单元和一无功功率/电压输入单元的信号输入端；每一所述电流互感器的二次输出回路也均分为两支路并也分别连接所述有功功率/频率输入单元和无功功率/电压输入单元的信号输入端；每一所述有功功率/频率输入单元和一无功功率/电压输入单元的信号输出端分别连接燃气和/或柴油发电机组共用的一功率分配器和一电压分配器的输入端，所述功率分配器和电压分配器的输出端分别与燃气和/或柴油发电机组的一调速器和一发电机励磁相连。
[0005]所述燃气发电机组和柴油发电机组均采用空气启动，并共用一个压缩空气瓶，即所述压缩空气瓶通过一启动气源分别连通所述燃气发电机组和柴油发电机组；所述启动气源由平台公用仪表风系统提供或者独立配置空气压缩系统；启动空气压力为100kPa左右，所述压缩空气瓶的容积满足单个发电机组连续6次以上启动所需气量。
[0006]所述燃气发电机组和柴油发电机组均采用水冷冷却，冷却水优先选用海水，即所述燃气发电机组和柴油发电机组均通过第五管路连通冷却水。
[0007]所述燃气发电机组和柴油发电机组均包括一发电机、一中央冷却器、一滑油冷却器和一膨胀水箱；所述燃气发电机组还包括一燃气过滤器。
[0008]所述燃气发电机组采用往复式燃气发电机组。
[0009]一种用于海上气田平台的主电站及其使用方法，它包括以下两种情况:1)在气田投产初期或者燃气发电机组检修或者故障时，启动柴油发电机组与燃气发电机组并联运行，此时柴油发电机组和燃气发电机组均运行在控制模式下；2)在气田正常生产时，切除柴油发电机组，若干燃气发电机组并联运行，并且当各燃气发电机组的容量相同时，各燃气发电机组工作在自动模式下；当各燃气发电机组的容量不同时，各燃气发电机组运行在控制模式下。
[0010]控制模式下基于控制系统的控制方法为:燃气或柴油发电机组分别利用各自的所述电压互感器采集电压信号，通过各自的所述电流互感器采集电流信号，并将采集到的电压和电流信号分别输送至各自的所述无功功率/电压输入单元和有功功率/频率输入单元，所述无功功率/电压输入单元和有功功率/频率输入单元、将电压信号和电流信号的模拟量转换成数字量后实时送至所述电压分配器和功率分配器，并由其对电网的频率、电压以及每台发电机组的有功功率、无功功率进行计算，根据计算得到的实际的频率和有功功率与设定的频率和有功功率的偏差控制所述调速器，所述调速器对相应的发电机组的气门或油门进行调节，从而保证整个海上平台主电站的电网频率稳定在额定值和各机组之间有功功率的分配；根据实际的电压和无功功率与设定的电压和无功功率的偏差，由电压分配器调节相应的发电机组的励磁电流，实现电压的维持在额定值和各机组之间的无功分配；在气田的负荷较低且多台燃气发电机组同时运行或者一台柴油发电机组并联若干台燃气发电机组时，会导致燃气发电机组的负荷率过低，需要切除一台或多台燃气发电机组，或者需要切除柴油发电机组，具体切除方法为:各发电机组并联运行，主电站的控制系统自动跟踪各燃气和/或柴油发电机组的出力和气田的用电负荷，当发现某个或多个燃气发电机组运行时的负荷率低于所设定的最小负荷率时，对与之并联的柴油发电机组或其余燃气发电机组的负荷能否完全转移到某个或多个燃气发电机组进行计算，若某个或多个燃气发电机组能满足接收全部柴油发电机组负荷或其余燃气发电机组的条件，采用自动或手动方式逐步减载柴油发电机组或者其余燃气发电机组的负荷，直至为零；负荷转移完后，柴油发电机组或者其余燃气发电机组空载运行一段时间后延时关闭，此时主电站仅保留某个或多个燃气发电机组运行；当某个或多个燃气发电机组在运行时，如果此时需启动平台上大功率旋转设备，按下大功率旋转设备的电机的启动按钮，主电站的控制系统会自动计算主电站的热备用容量，当计算得到的热备用容量不满足启动需要时，主电站的控制系统会发出抑制电机启动的信号，并向备用柴油发电机组或者其余燃气发电机组发出自启动指令，柴油发电机组或者其余燃气发电系统启动成功后自动与某燃气发电机组并联运行，此时主电站的控制系统解除抑制电机启动信号，电机进入启动过程。
[0011]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、由于本发明主要采用往复式燃气发电机组，不需柴油引燃，因此节约燃气及柴油，降低运行成本。2、由于本发明主要采用的往复式燃气发电机组只能以天然气作为燃料，不能保证主电站运行的可靠性，因此本发明还配备有以柴油为燃料的柴油发电机组，将往复式燃气发电机组和柴油发电机组并联运行，提高燃料利用灵活性。气田投产初期或往复式燃气发电机组检修时，运行柴油发电机组；气田正常生产时，单独运行往复式燃气发电机组。不仅保证了主电站运行的可靠性，而且巧妙地解决了备用燃料的问题。3、由于本发明可以根据海上气田平台电负荷的大小，合理选择一台柴油发电机组并联若干台往复式燃气发电机组，根据海上气田平台投产后的实际电负荷和机组维修情况，方便灵活的选择运行机组的数量，因此方便现场操作管理。4、本发明采用的往复式燃气发电机组本身的日常维护工作量小，大修周期长，燃气发电机组与柴油发电机组机型一致，同属于往复式机组，这种机组组合方式对于机组日常维护管理的不利影响最低。5、将往复式燃气发电机组与柴油发电机组组合作为主电站机组，主电站的设备总投资低，机组运行维护操作费用、燃料操作费用少，综合经济效益好。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的结构组成示意图
[0013]图2是本发明发电机组在控制模式(DROOP)下的控制系统示意图
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明采用一柴油发电系统并联若干天然气发电系统，由于若干天然气发电系统的连接和控制方式相同，故仅以一柴油发电系统并联一天然气发电系统为例进行详细的说明:
[0015]如图1所示，本发明包括一天然气发电系统和一柴油发电系统，其中，天然气发电系统包括一天然气气源10，天然气气源10通过一管路11连通一往复式燃气发电机组12，管路11上设置一单向阀13。往复式燃气发电机组12包括一往复式燃气发电机120、一燃气过滤器121、一中央冷却器122、一滑油冷却器123和一膨胀水箱124，往复式燃气发电机组12为已有装置，在此不再赘述。柴油发电系统包括一柴油源20，柴油源20通过一管路21连通一柴油日用罐22的进油口，柴油日用罐22的出油口通过一管路23连通一柴油发电机组24的输入端，管路23上设置一单向阀25，柴油发电机组24的输出端通过管路26将剩余的柴油输送至柴油日用罐22。柴油发电机组24包括一柴油发电机240、一中央冷却器241、一滑油冷却器242和一膨胀水箱243，柴油发电机组24为已有装置，在此不再赘述。膨胀水箱124和膨胀水箱243均用于适应冷却水在封闭管路内因温度变化所发生热胀冷缩而导致的体积变化。
[0016]在一个优选的实施例中，往复式燃气发电机组12和柴油发电机组24均采用空气启动，并共用一个压缩空气瓶3，即压缩空气瓶3通过一启动气源30分别连通往复式燃气发电机组12和柴油发电机组24。启动气源30可以由平台公用仪表风系统(图中未示出)提供，也可以独立配置空气压缩系统。启动空气压力100kPa左右，压缩空气瓶3的容积至少满足单个机组连续6次启动所需气量。
[0017]在一个优选的实施例中，往复式燃气发电机组12和柴油发电机组24均采用水冷冷却，冷却水优先选用海水，即往复式燃气发电机组12和柴油发电机组24均通过一管路4连通冷却水。
[0018]当气田投产初期，或者往复式燃气发电机组12检修或故障时，需要启动备用的柴油发电机组24与往复式燃气发电机组12并联运行，各机组运行在DROOP模式来实现往复式燃气发电机组12与柴油发电机组24之间的有功、无功分配。
[0019]气田正常生产时，仅需要并联在一起的若干往复式燃气发电机组12运行即可，当并联的若干往复式燃气发电机组12的容量相同时，往复式燃气发电机组12工作在自动同步(ISCO)模式下，由往复式燃气发电机组12自身的控制系统(图中未示出)来实现多台相同容量的往复式燃气发电机组12之间有功功率和无功功率等比例分配。若并联的若干台往复式燃气发电机组12容量不同时，往复式燃气发电机组12运行在DROOP下，以实现不同容量往复式燃气发电机组12之间的有功、无功分配。
[0020]下面以一柴油发电系统并联一天然气发电系统为例详细说明在DROOP下运行的控制系统:
[0021]如图2所示，往复式燃气发电机组12和柴油发电机组24发出的电分别经回路12-0和回路24-0送至共用的汇流排5，回路12-0和24-0上均设置一开关QFl和QF2，汇流排5上的电通过设置在其上的若干开关输送至气田上的用电设备(图中未示出)。回路12-0和24-0上均分别并联有一电压互感器12-1、24-1和电流互感器12_2、24_2，电压互感器12-1、24-1的二次输出回路12-3和24_3上均连通一用于控制开关QFl和QF2同期合闸的同期装置12-4和24-4，电压互感器12-1、24-1的另一个二次输出回路12_5和24_5分为两支路并分别连接一有功功率/频率输入单元12-6、24-6以及无功功率/电压输入单元12-7,24-7的信号输入端；电流互感器12-2、24-2的二次输出回路12_8和24_8也均分为两支路并分别连接有功功率/频率输入单元12-6、24-6以及无功功率/电压输入单元12-7、24-7的信号输入端。有功功率/频率输入单元12-6、24-6以及无功功率/电压输入单元12-7、24-7的信号输出端均分别连接一共用的功率分配器6和电压分配器7的输入端,功率分配器6和电压分配器7的输出端分别与往复式燃气发电机组12以及柴油发电机组24的调速器12-9、24-9和发电机励磁12-10、24-10相连。
[0022]下面详细说明一柴油发电系统并联一天然气发电系统在DROOP下运行的控制过程:
[0023]如图2所示，往复式燃气发电机组12和柴油发电机组24发出的电送至汇流排5，再由汇流排5送给气田上的各用电负荷。
[0024]往复式燃气发电机组12和柴油发电机组24分别利用各自的电压互感器12-1和24-1采集电压信号，通过各自的电流互感器12-2和24-2采集电流信号，并将采集到的电压和电流信号分别输送至无功功率/电压输入单元12-7、24-7和有功功率/频率输入单元12-6、24-6，无功功率/电压输入单元12-7、24-7和有功功率/频率输入单元12_6、24_6将电压信号和电流信号的模拟量转换成数字量后实时送至电压分配器7和功率分配器6，并由其对电网的频率、电压以及每台发电机组的有功功率、无功功率进行计算，根据计算得到的实际的频率和有功功率与设定的频率和有功功率的偏差控制调速器12-9、24-9，调速器12-9、24-9对相应的发电机组的气门或油门进行调节，从而保证整个海上平台主电站的电网频率稳定在额定值和各机组之间有功功率的分配；根据实际的电压和无功功率与设定的电压和无功功率的偏差，由电压分配器9调节相应的发电机组的励磁电流12-10、24-10，实现电压的维持在额定值和各机组之间的无功分配。
[0025]在气田的负荷较低且多台往复式燃气发电机组12同时运行或者一台柴油发电机组24并联若干台往复式燃气发电机组12时，会导致往复式燃气发电机组12的负荷率过低，需要切除一台或多台往复式燃气发电机组12，或者需要切除柴油发电机组24，下面以一台柴油发电机组24并联一台往复式燃气发电机组12为例详细说明切除方法:
[0026]往复式燃气发电机组12与柴油发电机组24并联运行，主电站控制系统自动跟踪各发电机组的出力和气田的用电负荷，当发现往复式燃气发电机组12运行时的负荷率低于所设定的最小负荷率时，要对柴油发电机组24的负荷能否完全转移到往复式燃气发电机组12进行计算，若往复式燃气发电机组12能满足接收全部柴油发电机组负荷的条件，采用自动或手动方式逐步减载柴油发电机组24的负荷，直至为零。负荷转移完后，柴油发电机组24空载运行一段时间后延时关闭，此时系统主电站仅保留一台往复式燃气发电机组12运行。
[0027]当仅往复式燃气发电机组12在运行时，如果此时需启动平台上大功率旋转设备，按下大功率旋转设备的电机启动按钮，主电站的控制系统会自动计算主电站的热备用容量，当计算热备用容量不满足启动需要时，系统会发出抑制电机启动的信号，并向备用柴油发电机组24发出自启动指令，柴油发电机组24启动成功后自动与往复式燃气发电机组12并联运行，此时电站控制系统解除抑制电机启动信号，电机进入启动过程。
[0028]上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种用于海上气田平台的主电站，其特征在于:它包括若干并联的天然气发电系统和一与所述天然气发电系统并联的柴油发电系统；其中，所述天然气发电系统包括一天然气气源和一通过第一管路与所述天然气气源连通的燃气发电机组；所述柴油发电系统包括一柴油源，一通过第二管路与所述柴油源连通的柴油日用罐和一通过第三管路与所述柴油日用罐连通的柴油发电机组；所述柴油发电机组的输出端上设置一用于将所述柴油发电机组内剩余的柴油回输至所述柴油日用罐内的第四管路；它还包括一控制柴油发电系统和天然气发电系统或者若干天然气发电系统运行在控制模式下的控制系统，所述控制系统包括一分别将燃气和/或柴油发电机组发的电输送至一汇流排的回路，每一所述回路上均设置一开关，输送至所述汇流排上的电通过设置在其上的若干另一开关输送至气田上的用电设备；每一所述回路上均并联一电压互感器和一电流互感器，每一所述电压互感器的二次输出回路上均连接一用于控制所述开关同期合闸的同期装置，每一所述电压互感器的另一二次输出回路上均分为两支路并分别连接一有功功率/频率输入单元和一无功功率/电压输入单元的信号输入端；每一所述电流互感器的二次输出回路也均分为两支路并也分别连接所述有功功率/频率输入单元和无功功率/电压输入单元的信号输入端；每一所述有功功率/频率输入单元和一无功功率/电压输入单元的信号输出端分别连接燃气和/或柴油发电机组共用的一功率分配器和一电压分配器的输入端，所述功率分配器和电压分配器的输出端分别与燃气和/或柴油发电机组的一调速器和一发电机励磁相连。
2.如权利要 求1所述的一种用于海上气田平台的主电站，其特征在于:所述燃气发电机组和柴油发电机组均采用空气启动，并共用一个压缩空气瓶，即所述压缩空气瓶通过一启动气源分别连通所述燃气发电机组和柴油发电机组；所述启动气源由平台公用仪表风系统提供或者独立配置空气压缩系统；启动空气压力为100kPa左右，所述压缩空气瓶的容积满足单个发电机组连续6次以上启动所需气量。
3.如权利要求1所述的一种用于海上气田平台的主电站，其特征在于:所述燃气发电机组和柴油发电机组均采用水冷冷却，冷却水优先选用海水，即所述燃气发电机组和柴油发电机组均通过第五管路连通冷却水。
4.如权利要求2所述的一种用于海上气田平台的主电站，其特征在于:所述燃气发电机组和柴油发电机组均采用水冷冷却，冷却水优先选用海水，即所述燃气发电机组和柴油发电机组均通过第五管路连通冷却水。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于海上气田平台的主电站，其特征在于:所述燃气发电机组和柴油发电机组均包括一发电机、一中央冷却器、一滑油冷却器和一膨胀水箱；所述燃气发电机组还包括一燃气过滤器。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于海上气田平台的主电站，其特征在于:所述燃气发电机组采用往复式燃气发电机组。
7.—种如权利要求1~6任一项所述的用于海上气田平台的主电站及其使用方法，它包括以下两种情况: 1)在气田投产初期或者燃气发电机组检修或者故障时，启动柴油发电机组与燃气发电机组并联运行，此时柴油发电机组和燃气发电机组均运行在控制模式下； 2)在气田正常生产时，切除柴油发电机组，若干燃气发电机组并联运行，并且当各燃气发电机组的容量相同时，各燃气发电机组工作在自动模式下；当各燃气发电机组的容量不同时，各燃气发电机组运行在控制模式下。
8.如权利要求7所述的一种用于海上气田平台的主电站及其使用方法，其特征在于:控制模式下基于控制系统的控制方法为:燃气或柴油发电机组分别利用各自的所述电压互感器采集电压信号，通过各自的所述电流互感器采集电流信号，并将采集到的电压和电流信号分别输送至各自的所述无功功率/电压输入单元和有功功率/频率输入单元，所述无功功率/电压输入单元和有功功率/频率输入单元、将电压信号和电流信号的模拟量转换成数字量后实时送至所述电压分配器和功率分配器，并由其对电网的频率、电压以及每台发电机组的有功功率、无功功率进行计算，根据计算得到的实际的频率和有功功率与设定的频率和有功功 率的偏差控制所述调速器，所述调速器对相应的发电机组的气门或油门进行调节，从而保证整个海上平台主电站的电网频率稳定在额定值和各机组之间有功功率的分配；根据实际的电压和无功功率与设定的电压和无功功率的偏差，由电压分配器调节相应的发电机组的励磁电流，实现电压的维持在额定值和各机组之间的无功分配； 在气田的负荷较低且多台燃气发电机组同时运行或者一台柴油发电机组并联若干台燃气发电机组时，会导致燃气发电机组的负荷率过低，需要切除一台或多台燃气发电机组，或者需要切除柴油发电机组，具体切除方法为: 各发电机组并联运行，主电站的控制系统自动跟踪各燃气和/或柴油发电机组的出力和气田的用电负荷，当发现某个或多个燃气发电机组运行时的负荷率低于所设定的最小负荷率时，对与之并联的柴油发电机组或其余燃气发电机组的负荷能否完全转移到某个或多个燃气发电机组进行计算，若某个或多个燃气发电机组能满足接收全部柴油发电机组负荷或其余燃气发电机组的条件，采用自动或手动方式逐步减载柴油发电机组或者其余燃气发电机组的负荷，直至为零；负荷转移完后，柴油发电机组或者其余燃气发电机组空载运行一段时间后延时关闭，此时主电站仅保留某个或多个燃气发电机组运行； 当某个或多个燃气发电机组在运行时，如果此时需启动平台上大功率旋转设备，按下大功率旋转设备的电机的启动按钮，主电站的控制系统会自动计算主电站的热备用容量，当计算得到的热备用容量不满足启动需要时，主电站的控制系统会发出抑制电机启动的信号，并向备用柴油发电机组或者其余燃气发电机组发出自启动指令，柴油发电机组或者其余燃气发电系统启动成功后自动与某燃气发电机组并联运行，此时主电站的控制系统解除抑制电机启动信号，电机进入启动过程。
【文档编号】H02J3/46GK104052081SQ201410227784
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】杜佳, 张强, 王建丰, 袁燕, 黄喆, 刘聪, 李新仲, 陈荣旗, 邱里, 洪毅, 徐正海, 魏澈, 侯广信, 吴尧增, 王祺皓, 张琳, 安维峥, 刘国锋, 张丽娜, 赵雷 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油研究总院