海油工程设计仪电讯设计教程资料第二章1.docx
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海油工程设计仪电讯设计教程资料第二章1
第四篇海上油气田开发工程仪电讯设计
第二章电力系统设计
第一节电力系统的设计步骤
第二节电力负荷计算书的编制
第三节供电方案的设计和选型
第四节电力系统单线图的设计
第五节主发电机组的选型
第六节应急发电机组的选型
第七节电力变压器的选择
第八节规格书的编制
第九节电力系统的短路电流计算
第一十节大功率电动机起动电压降计算
第一十一节电力系统的潮流分析
第一十二节电力系统中的电缆负载电流的估算
第一十三节线路电压降计算
第一十四节配电装置及其选型
第一十五节电缆的种类，特性与选择
第一十六节
第二章电力系统设计
第一节电力系统的设计步骤
海上油气田电力系统的设计是海上油气田开发工程设计的众多专业中的一个专业，也就是电气专业。
电气专业的设计工作主要是：
进行海上油气田开发工程的电力系统的设计。
电力系统设计任务的开展，系统设计的基础数据，设计的进度和质量的保证等的主要依据是：
业主的任务书及其它专业提供的基础资料。
设计任务书和设计所需的基础资料提供完成以后，电气专业就可以开展电力系统的设计了，电力系统设计的主要步骤可归纳为：
●确定海上油田的基本形式。
其主要内容是：
海上油田的规模，油气田资源的类型（油田，气田或油气田）和海上构造物的形式等。
●根据规范和业主设计任务书的要求，确定设计依据的规范和标准；确定设计深度和范围。
●根据机械，舾装，安全，通讯和仪表等专业提供的用电设备清单编制电力负荷计算书。
电力负荷计算书中的“正常工况”计算的结果是选择主发电机和主变压器的容量和台数的依据。
“应急工况”计算的结果是选择应急发电机的容量的依据。
●根据负荷计算书的计算结果，确定电站的容量，电力及配电系统的供电方式；确定电力系统的基本参数（电压等级和接地方式等）。
●绘制电力及配电系统的单线图。
它们包括：
主发电机的保护系统，中压配电系统，400V配电系统，应急发电机的保护系统，应急配电系统，正常/应急照明系统，正常/应急电伴热系统，不间断电源（UPS）和导航系统等。
●编制电气设备规格书，其中包括：
电气设备的安装要求，发电机，中压配电盘，低压配电盘，电力变压器，中压电动机，低压电动机，不间断电源（UPS），导航系统，撬装电气设备，海底电缆，电伴热系统和动力/控制/接地电缆等。
●电力系统进行短路电流计算和大电机起动时发电机瞬态电压降计算；对装机容量大的电站，供电范围广，距离远的电力系统还应该进行电力系统的潮流计算。
●为保证用电设备的电源电压满足设备运行的要求，对电力网进行电压降计算，校核所选用的电缆是否满足系统电压降的要求。
●编制电力系统设计的总规格书。
●为配合设备的采办，还需要进行电气设备数据表的编制，其中包括：
主发电机，应急发电机，电力变压器，照明变压器，电伴热变压器，中压配电盘，低压配电盘，不间断电源和海底电缆等设备。
●根据油田平台的总体布置图，进行电力设备布置图的绘制。
对电气设备较多的舱室，比如：
主配电间，应急配电间，主变压器间和蓄电池间等，还应绘制专门的布置图。
●根据主干电缆的走向，为各层甲板，工作舱室和生活舱室等绘制主干电缆走向图或电缆托架布置图。
●为各层甲板，工作舱室和生活舱室等绘制电力系统的电缆分布图（简称电力系统的布线图）。
●编制电气设备清单。
●在进行电力系统设计时，还有一些必不可少的工作，比如：
编制采办标书和设备调试大纲等。
上面的设计步骤，仅介绍了电力系统设计的主要内容和开展工作的先后顺序。
在海上油气田开发工程设计的实际工作中，不同的设计阶段，不同的工程项目或不同的业主会根据具体的设计条件，工作范围，设计深度和计划进度的不同，设计的内容会有所增减，开展工作的顺序也会根据整个工程项目的设计进度表及基础数据提交时间的不同而有所变化。
海上油气田电力系统的设计是海上油气田工程设计的一部分，它与其他专业有着密切的联系，在进行电力系统设计时，必须充分注意与有关专业的密切配合，否则会影响工程的设计进度和质量。
第二节电力负荷计算书的编制
一.目的
电力负荷是用电设备在正常工作时所消耗的电功率。
电力负荷计算（简称负荷计算书）是将用电设备在各种工况下运行时的数量和耗电功率进行分类,汇总,计算和分析。
根据电力负荷计算的结果确定主发电机组，应急发电机组和电力变压器的容量和台数。
电力负荷计算书是选择油田电站和供电方案最重要的的依据之一。
从海上油气田开发工程设计的最初阶段（预可行性阶段）到详细设计阶段的每一个阶段，电力负荷计算书是电气专业都需要做的工作。
除此以外，它还是开展电力系统深入设计的基础和依据。
因此，电力负荷计算是海上油气田电力系统设计最重要的工作之一。
二.计算方法
电力负荷计算的基本依据是用电设备的额定容量，数量，运行工况和负荷系数等。
但是，电力负荷计算不是简单地将所有用电设备的额定容量进行累加的计算，因为安装的所有用电设备并非都同时运行，而且运行着的用电设备的实际需用功率并不是每一刻都在额定的状态下运行，这些设备在不超过用电设备额定容量的状态下，时大时小地变化着。
所以直接使用用电设备额定容量累加的结果来选择发电机组和确定电力系统的供电方案肯定不合理，而且还会造成工程投资费用的增加。
目前，电力负荷计算的方法很多，分为陆地工厂供配电系统的电力负荷计算和船舶电力负荷计算两大类；在电力系统设计手册和船舶电力系统设计实用手册中对电力负荷计算的方法都有详细的介绍。
由于海上油气田开发工程的电力系统的设计条件和工作环境比较接近海上航行的船舶，因此海上油气田开发工程电力系统负荷计算的方法是从船舶电力负荷计算的方法演变过来的，计算方法上也比较相同。
在进行海洋工程电力系统的设计时，常用的电力负荷计算的方法与船舶电力负荷计算的需要系数法和三类负荷法比较接近。
由于海洋工程电力系统的总用电量和电站的装机容量远远大于船舶电力系统的总用电量和电站装机容量，而且海洋工程电力系统的用电量随着油田的开采逐年发生着变化，因此在进行电力负荷计算时，还要逐年进行负荷的预测和评估，这一部分的内容与陆地电网的负荷预测比较接近。
三.用电设备分类
在编制电力负荷计算书时，第一步需要做的工作是对用电设备进行分类，常用的分类方法主要有以下几种：
1.首先，按用电设备的电压等级进行分类：
根据不同电压等级，比如：
6300V，3300V，400V，230V和115V等，对用电设备分别进行汇总和计算，从而可以确定电力变压器，照明变压器，电伴热变压器和不间断电源（UPS）的容量和数量。
2.其次，按用电设备的系统进行分类：
在编制电力负荷计算书时，用电设备的排列顺序主要是根据用电设备所属的系统进行排序，比如：
工艺系统的天燃气处理系统，注水系统，原油输送系统，热介质锅炉系统，化学注入系统和开/闭式排放系统等；公用系统的柴油输送系统，淡水系统，通风/空调/冷藏系统，主发电机的辅助系统和吊机等；消防系统的消防泵；舾装系统的厨房设施和系泊系统等；另外还有不间断电源系统（UPS），照明系统和电伴热系统等。
3.然后，按配电系统的汇流排进行分类：
如果中压配电系统和400V配电系统的汇流排由两段或两段以上汇流排组成的话，那么在编制电力负荷计算书时，除了满足用电设备的系统分类的要求以外，还应该按用电设备所在的汇流排位置分别进行排列。
其目的是：
便于各段汇流排电功率的汇总，同时在绘制单线图时可以根据电力负荷计算书中用电设备的顺序进行排列。
四.用电设备运行的工况
在进行电力负荷计算时，应该对海上油气田的各种不同工况分别进行电力负荷计算。
不同的海上油气田开发工程设施，比如：
井口平台，动力/生产/生活综合平台，浮式生产/储油船和自升式（半潜式）钻井船等，由于类型和用途的不同，其运行工况也是不一样的，而且不同工况之间的耗电量的差异也非常大。
不同的海上油气田开发工程设施上各种设备的运行工况分以下几种类型：
1.井口平台和综合平台的工况大致可分为：
1）正常工况（NormalorProductionCondition）：
油田正常生产和生活时的状态。
2）应急工况（EmergencyCondition）：
油田发生火灾时的消防和逃生的状态。
3）应急置换工况（EmergencyDisplaceCondition）：
当主发电机维修或发生故障时，为防止海底管线堵塞，对海底管线进行油水置换工况。
2.浮式生产/储油船的工况大致可分为：
1）正常工况：
油田正常生产时的状态。
2）原油外输工况：
（OffloadingCondition）周期性的原油外输工况。
3）拖航：
（HaulageCondition）浮式生产/储油船迁移时的拖航状态。
4）应急工况：
浮式生产/储油船发生火灾时的消防和逃生状态。
3.自升式（半潜式）钻井船的工况大致可分为：
1）正常生产：
钻井船正常生产时的状态。
2）拖航：
钻井船迁移时的拖航状态。
3）桩腿升降：
（LegRising&downCondition）自升式钻井船定位后，桩腿升降状态。
4）停泊：
（DockCondition）钻井船停泊码头时的状态。
5）应急工况：
钻井船发生火灾时的消防和逃生状态。
五.专业术语的基本定义
电力负荷计算书中常见的专业术语及选用和计算的方法是：
1.需要系数
负荷实际需要的功率是由各用电设备的种类及其使用方法决定的，其值可用需要系数来计算。
需要系数就是设备使用时的最大需要功率与其额定输入功率之比，既：
需要系数=
设备的需要功率
X100%
设备的额定输入功率
（公式4.2.2.1）
设备的额定输入功率，对电动机来说，就是它的额定输入功率；对照明设备，电伴热系统和不间断电源等设备的需要功率通常使用的是安装总功率；如果负载是随时间上下波动的话，一般取其平均功率。
船舶设计实用手册（电气分册）对船舶上的一些常用的设备进行了负荷分类，分为连续负荷和间断负荷两大类；并确定了它们的需要系数K值，现将它们列入表4.2.2.1，供设计参考使用。
表4.2.2.1连续负荷分类及其需要系数K值
机械种类
需要系数K/%
备注
航行
进出港
装卸货
柴油机船舶辅机
淡水冷却泵
85
85
海水冷却泵
85
85
滑油泵
65
65
燃油油头冷却水泵
85
85
燃油油头冷却油泵
70
70
C重油净油机及泵
65
燃油净油机及泵
65
增压器及泵
65
辅锅炉
给水泵
85
85
85
重油喷射泵
65
65
65
鼓风机
85
85
85
废气锅炉
85
空气压缩机
85
发电机冷却水泵
85
通用辅机
淡水泵
85
85
85
卫生水泵
85
85
85
通风机
85
85
85
造水装置及其泵
85
甲板机械
绞车
30~40
根据形式
货油泵
30
和台数决定
舵机
20
20
定
生活区
风机
80
80
50
电热器
80
80
50
冷库装置
80
80
50
鼓风机
80
80
50
不包含
泵舱鼓风机
80
去湿机
货舱通风机
60~80
60~80
热水循环泵
80
80
80
冷藏机
粮食库
60
80
60
按台数定
货物库
60
80
80
货油用惰性气体鼓风机
70
70
85
石油液化气再液化压缩机
90
90
90
石油液化气负载泵
90
石油液化气用惰性气体发生装置
80
80
80
其他
货舱
固定的
100
100
照明
移动的
80
探照灯
80
电动发电机组
70
70
70
陀螺罗经
80
80
烟囱照明
100
100
电灯
生活区
80
80
70
机舱用
100
100
100
航行信号灯
100
100
雷达
100
气轮机
主循环水泵
75~90
75~90
发电机循环水泵
80~90
80~90
主给
货船
65~70
50~60
水泵
油船
70~80
50~60
辅给水泵
连续负荷，
主凝水泵
65~75
50~60
装卸货时
辅凝水泵
的K值，由
滑油泵
60~70
60~70
实际情况
燃油喷射泵
75~85
75~85
75~85
决定。
表4.2.2.2间歇负荷分类及其需要系数K值
机械种类
需要系数K/%
备注
航行
进出港
装卸货
主机
A重油净油机及泵
65
65
辅机
净油机
80
通用辅机
总用泵
65
65
增压泵
85
压载泵
85
85
燃油驳运泵
80
80
滑油循环泵
80
65
80
滑油净油机
80
85
80
甲板机械
绞车
40
舱口盖绞车
80
驳运泵
15~25
55~65
舷梯绞车
80
绞盘
锚绞盘
20
40
其他设备
厨房
电灶
40~60
40~60
40~60
由形式和内容决定
电烘箱
40~61
40~60
40~60
其它设施
40
40
40
探照灯
80
蓄电池用充电机
80
80
80
雷达
100
无线电装置
80
航海仪器
60
60
电笛,电喇叭
80
80
2.同时使用系数（UtilizationFactor）：
在正常情况下，电力系统内各种间断运行的用电设备不会在同一时刻都在额定负荷的状态下运行。
所以在确定条件下，可能运行的各间断负荷的最大需要功率之和，总比所有间断负荷所需的最大功率之和要小。
国外将其称之为不等系数，我国将其倒数称之为同时系数。
同时系数的公式为：
同时系数=
所有间断负荷的最大需要功率之和
运行的间断负荷的最大需要功率之和
（公式4.2.2.2）
同时系数=
运行的间断负荷的最大需要功率之和
所有间断负荷的最大需要功率之和
这个应为正确公式
在海洋工程中不同的运行状态，同时使用系数的取值也是不同的。
同时使用系数可以通过公式计算确定。
无精确计算值时，同时系数的取值可以根据实际经验，按用电设备的负载类别来决定。
I类负载的同时系数的范围通常是0.7~1.0；II类负载的同时系数的范围通常是0.3~0.6；III类负载的同时系数的范围通常是0.1~0.3。
3.负载系数（LoadEfficiency）：
电气设备的负载系数用某一期间内的负载平均需要功率与同一期间内的负载最大需要功率的比值来表示，既：
负载系数=
某一期间的负载的平均需要功率
X100%
同一期间的最大需要功率
（公式4.2.2.3）
负载系数的计算方法是：
在海洋工程中使用最多的用电设备是电动机，对电动机而言，每台机械设备选配的电动机有一额定功率P1，每台机械设备有一最大轴功率P2，由此可以求得电动机的利用系数K1为：
K1=
P2
P1
（公式4.2.2.4）
每台机械设备又有一个实际使用功率P3，由此可以求得机械负载系数K2为：
K2=
P3
P2
（公式4.2.2.5）
根据上面两个公式，可以求得电动机的负载系数K3为：
K3=K1XK2=
P3
P1
（公式4.2.2.6）
由于不同容量的电动机的效率不一样，所以电动机的额定需要功率P4应为：
P4=
P1
（公式4.2.2.7）
所以，电力负荷计算中，电动机实际需要功率P5应为：
P5=K3XP4K3X
P1
（公式4.2.2.8）
由于交流异步电动机在低负载时效率变差，所以实际上电动机在P3功率下运行时的效率不等于电动机的额定效率。
对于交流电动机，求出有功功率后，有时还要计算无功功率。
海上油气田开发工程设施上总的功率因数都是比较高的，一般不会低于0.7，所以对选择发电机功率不会有很大影响，为简化计算，可不计算无功功率。
当数据充分时，可以根据机械设备的轴功率，机械设备的负载系数和电动机的额定功率求得。
如果没有确切资料的话，负载系数的取值由工程设计的实际经验来确定。
根据海洋工程的实践经验，并参考了船舶实用设计手册和电动机生产厂家的技术参数，对海上油气田开发工程设施上使用的不同形式的电动机效率和功率因数等方面的资料进行了汇总，列表如下：
（插入表4.2.2.3）
表4.2.2.3异步电动机效率及功率因数
用电设备的负载系数是参考船舶实用设计手册和工程实践的经验进行收集和归纳，列表如下，供设计时参考使用：
表4.2.2.4主要用电设备的负载系数变化范围
用电设备
负载系数
用电设备
负载系数
天然气压缩机
0.8~0.9
舱底泵
0.5~0.7
原油外输泵
0.8~0.9
压载泵
0.5~0.7
扫舱泵
0.6~0.8
海水冷却泵
0.7~0.8
消防增压泵
0.6~0.85
电动消防泵
0.65~0.9
注水泵
0.8~0.9
开式排放泵
0.5~0.8
电潜泵
0.65~0.8
闭式排放泵
0.5~0.8
空气压缩机
0.8~1.0
热水循环泵
0.4~0.8
热介质循环泵
0.6~0.9
化学注入撬
0.6~0.9
核桃壳滤器
0.3~0.5
压井泵
0.1~0.4
海水提升泵
0.5~0.9
吊机
0.2~0.4
海水处理装置
0.3~0.5
厨房设施
0.2~0.6
淡水泵
0.6~1.0
冷藏机组
0.3~0.5
水源井
0.4~0.6
照明
0.6~0.8
主发电机辅助设备
0.7~0.9
电伴热
0.5~0.8
集中空调机组
0.6~0.9
不间断电源
0.5~0.8
4.第I类负荷
第I类负荷（简称I类负荷）。
通常是指长期连续运行的用电设备的负荷载。
在正常运行时，考虑到各种用电设备的最大负荷的不同时性，I类负荷的同时使用系数的取值一般为0.8~1.0。
5.第II类负荷
第II类负荷（简称II类负荷）。
通常是指：
短时或重复短时使用的用电设备的负载。
II类负荷的同时使用系数可以按该用电设备的平均工作时间和工作周期之比来估算。
在没有确切资料的情况下，对用电设备进行逐一的计算是一项非常繁琐的工作，所以在实际计算时，通常是采用负荷系数计算出各种间断负载总需要功率之后，再乘以总的同时系数的方法，同时系数的取值一般为0.3~05。
如果某一间断负载较大，比如其需要功率大于或接近其他间断负载总和时，大功率的间断负载一般不乘以同时系数。
6.第III类负荷
第III类负荷（简称III类负荷）。
通常是指偶然短时使用的用电设备的负载。
III类负荷在计算时，通常可以不计。
但对于装机容量小的电站，应予以充分的注意，同时使用系数的取值一般为0.1~0.3。
7.工况（Duty）
工况是指用电设备在油田正常生产期间所处的工作状态。
在通常情况下，用电设备所处的工作状态有三种：
连续（Continuity）运行。
用电设备长期处于运行状态，用缩写字母“C”表示。
备用（Standby）；用电设备处于停止状态。
用缩写字母“S”表示。
间断（Intermittent）运行；短时或重复短时使用的用电设备。
用缩写字母“I”表示。
六.电力负荷计算书的编制方法和步骤
在进行电力系统设计时，电力负荷计算书采用的是统一的电子表格的型式，不同的设计单位使用的电力负荷计算书的格式可能会有些差异，但基本内容一般不会有太大的出入。
常用的电力负荷计算书的标准格式见表4.2.2.5
（插入表4.2.2.5）
表4.2.2.5电力负荷计算书（标准格式）
注：
除了表4.2.2.5中列出的这两种常用的运行工况以外，在工程的实例中还有“原油外输”工况，“应急置换”工况，“拖航”工况以及其他形式的运行工况等，由于篇幅的限制，不一一列出。
电力负荷计算书的编制方法和步骤有三种：
方法一是海洋工程电力系统设计时常用的方法；方法二是船舶工程电力系统设计时使用的方法。
方法三是国外工程公司在进行电力系统设计时常用的方法。
下面将这三种计算方法分别进行介绍，供设计人员参考。
1.方法一：
电力负荷计算书的编制步骤如下：
1）收集机械专业的设备清单，舾装专业的用电设备清单，以及安全，仪表和通讯等专业提供的用电设备清单。
2）根据用电设备的电压等级，工艺/公用/消防/生活等系统，以及连接的汇流排编号进行分类和汇总，并一一将这些用电设备的技术参数输入电力负荷表中。
3）选择计算工况，并确定各工况下所需使用的电气设备，按连续，备用和间断负载区分用电设备在不同工况下的运行状态。
4）确定电潜泵电机所需的电功率。
井口平台上的电潜泵，注水泵和水源井等大功率的用电设备所需的功率是根据油田总体开发方案逐年投入使用，每口井的电潜泵和注水泵电机所需的功率取决于钻/完井专业提供的对每口井逐年用电量的预测表。
根据这份预测表，将这些用电设备投入使用的情况和实际所需的电功率按照油田投产的年限编制成表格，并将这些用电设备每年实际所需的电功率进行累加。
电力负荷计算书上的电潜泵电机的总功率通常选择的是用电量最高年的数据作为电潜泵电机的耗电功率。
表4.2.2.6是QHD32-6油田电潜泵电机逐年耗电功率的汇总表。
（插入表4.2.2.6）
表4.2.2.6QHD32-6油田电潜泵电机逐年电功率汇总表
5）确定各用电设备的负载系数。
6）计算各用电设备的所需功率，并计算出各工况下所需总功率。
7）在上述计算结果的基础上，乘以5%的网络损失，计算出所需总功率。
8）根据上面的计算结果，分别选择主发电机和电力变压器的容量和台数，选择应急发电机的容量，并计算各工况下，主发电机，电力变压器和应急发电机的负荷率。
（插入表4.2.2.7）
表4.2.2.7电力负荷计算书（实例1）
计算实例1：
按照上面介绍的方法和步骤，将用电设备的技术参数一一输入电子表格（见表4.2.2.5和表4.2.2.7）。
这些工作完成之后，还需要根据计算结果和选择的发电机组和变压器的容量和数量（此处的结果均为假设结果），核实主发电机组，应急发电机组和电力变压器的容
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