海上油气田开发工程电缆选型设计_王维高.pdf

节能技术与应用55NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION海上油气田开发工程电缆选型设计王维高 孙亚东 安晓龙 王家乐（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）摘要：随着海上油气田数量日益增加，海上油气田规模不断扩大，电缆工程用量与日俱增。为了确保电缆安全可靠运行，结合海上油气田开发工程实际，从电缆规格选型、电缆截面积选择、电缆电压降计算共3个方面进行电缆选型设计，进一步规范和完善设计思路。针对电缆规格选型，着重讨论工程中常见的电缆结构及类型；针对电缆截面积选择，概括推导设备额定电流和电缆载流量的计算方法；针对电缆电压降计算，理论分析线路电压降超过允许值时应采取的措施。关键词：海上油气田开发工程；电缆选型设计；电缆规格；电缆截面积；电缆电压降中图分类号：TM246 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）05-0055-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.014Design of cable selection for offshore oil and gas field development projectWANG Wei-gao SUN Ya-dong AN Xiao-long WANG Jia-leAbstract：With the increasing number of offshore oil and gas fields,the scale of offshore oil and gas fields continues to expand,and the amount of cable engineering is increasing day by day.In order to ensure the safe and reliable operation of cables,based on the actual situation of offshore oil and gas field development project,cable selection design is carried out from three aspects:cable specification selection,cable cross-sectional area selection and cable voltage drop calculation,further standardizing and improving the design ideas.Regarding the selection of cable specifications,the common cable structures and types in engineering were mainly discussed.Based on the selection of cable cross-sectional area,the calculation methods for equipment rated current and cable current carrying capacity were summarized and derived.For the calculation of cable voltage drop,the measures that should be taken when the line voltage drop exceeds the allowable value were theoretically analyzed.Key words:offshore oil and gas field development project;cable selection design;cable specification;cable cross-sectional area;cable voltage drop引言近年来，我国逐渐加大海上油气田勘探开发力度，海上油气田数量日益增加。开采一个完整的海上油气田需建造若干个海上结构物，如固定平台或浮式生产储卸油装置(FPSO)。电缆作为海上油气田开发工程电力系统的重要组成，发挥着输送电能、传递信号、连接设备、衔接平台的重要作用1-2。随着海上油气田规模不断扩大，电缆工程用量逐渐加大，电缆状况直接影响生产效率。海洋环境比陆地环境更加恶劣，电缆经常处于潮湿、盐雾、油雾的环境中，维持电缆安全可靠面临挑战。为了确保电缆长期稳定运行，电缆选型符合经济适用原则，结合海上油气田开发工程，从电缆规格选型、电缆截面积选择、电缆电压降计算共3个方面展开电缆选型设计相关工作。1电缆规格选型1.1电缆结构电缆主要由一根或多根带有绝缘层的导体以及防护套组成，典型电缆结构截面如图1所示。导体是电缆的核心构件，承担载流和传输信号的重任，海洋工程广泛采用铜导体电缆，因为铜具备较好的图1典型电缆结构截面作者简介：王维高（1996），男，硕士，助理工程师，研究方向为海上油气田开发工程电气设计。收稿日期：2023-01-21引用本文：王维高，孙亚东，安晓龙，等.海上油气田开发工程电缆选型设计 J.节能，2023，42（5）：55-57.节能技术与应用56节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023导电性、耐腐蚀性及机械强度；绝缘层是隔绝导体与外界环境的绝缘材料，海上平台多选择乙丙橡胶(EPR)和交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆；屏蔽层是避免导体与绝缘层、绝缘层与铜带之间不良好接触造成局部放电的半导体材料，铜带充当金属屏蔽层，起接地保护和抑制内外电磁干扰的作用3；铠装是编织在内护套外围的网状合金，以防电缆在敷设过程中被外力损伤，如带有镀锌钢丝铠装的海底电缆；内外护套是电缆的保护层，有效延长了电缆使用寿命，海洋油气田开发领域一般使用聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)护套电缆。1.2电缆类型海上油气田开发工程中，电缆类型众多。按照导体数量，电缆可分为单芯电缆、双芯电缆、三芯电缆、多芯电缆；按照用途，电缆可分为动力电缆、控制电缆、复合电缆，复合电缆内部包含动力电缆和控制电缆；按照电压等级，电缆可分为高压电缆、中压电缆、低压电缆；按照燃烧特性，电缆可分为阻燃(HOFR)电缆、耐火(FS)电缆，通常情况下，HOFR电缆适用于中高压系统，FS电缆适用于消防和应急系统，低烟、无卤型HOFR或FS电缆适用于海上平台生活区。电缆规格选型作为电缆选型设计的前期环节，应充分考虑电缆用途、电压等级、燃烧特性、电缆构造、敷设位置、环境条件等要求。2电缆截面积选择电缆选型设计的关键是电缆截面积选择，会直接影响电缆的实际运行和工程经济成本。电缆截面积指电缆内部导体的截面积，并非整个电缆结构的截面积。电缆截面积选用偏小，会导致电缆载流量不足以承担线路最大负载电流；电缆截面积选用偏大，会造成浪费，不符合经济适用原则。电缆截面积选择的方法是通过计算线路中用电设备的额定电流，将得到的额定电流与电缆载流量进行比较，不小于并最接近额定电流的载流量所对应的截面积为目标截面积。单个三相交流用电设备的额定电流I为：I=KP/3 Ucos(1)式中：I额定电流，A；K负载系数，估算最大负载电流，K取1；P额定功率，kW；U额定电压，kV；cos为功率因数；额定效率。针对以电动机为主的用电回路，根据电动机能效限定值及能效等级（GB 186132020）和高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级（GB 302542013）中关于电动机能效限定值及能效等级相关内容4-5，结合常用电动机功率因数，电动机功率因数和效率取值如表1所示。对于其他用电回路，如电加热器回路、馈线回路、电潜泵(ESP)回路等，cos和可以根据实际经验取值。参考文献6的电力负荷计算方法，多个交流用电设备总负载电流I为：I=Ic+max KiIi,max(Ii)+max KbIb,max(Ib)(2)式中：Ic连续负载的额定电流，A；Ki间断负载的同时工作系数；Ii间断负载的额定电流，A；Kb备用负载的同时工作系数；Ib备用负载的额定电流，A。同时工作系数在设计阶段无法精确计算，按照工程用电设备实况，Ki一般取0.4，Kb一般取0.1。不同芯数、截面积、绝缘材料对应的电缆载流量不同。参考文献7的电缆载流量计算方法，对电缆载流量进行修正计算，设备连续工作（连续负载）条件下，电缆载流量I0为：I0=KcS0.625KtKl(3)表1电动机功率因数和效率取值额定功率/kW0.751.101.502.203.004.005.507.5011.0015.0018.5022.0030.0037.0045.00效率0.8250.8410.8530.8670.8770.8860.8960.9040.9140.9210.9260.9300.9360.9390.942功率因数0.790.810.810.820.820.830.840.840.850.860.860.860.870.870.87额定功率/kW55.0075.0090.00110.00132.00160.00200.00250.00400.00450.00500.00560.00630.00710.00800.00效率0.9460.9500.9520.9540.9560.9580.9600.9600.9400.9440.9450.9470.9490.9540.955功率因数0.880.880.880.880.880.880.880.880.860.870.870.870.870.870.87节能技术与应用57NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION式中：I0电缆载流量，A；Kc芯数修正系数，单芯时Kc取1.00，双芯时Kc取0.85，三芯时Kc取0.70；绝缘材料系数，导体最高工作温度为85 的EPR 或 XLPE 绝缘电缆的取 16；S电缆截面积，mm2；Kt环境温度修正系数，其取值与绝缘材料和环境温度有关，按照 Electrical installations in ships-Part 352:Choice and installation of electrical cables（IEC 600923522005）规定，环境温度为45 时，Kt取1；Kl电缆成束敷设修正系数，海上油气田采用多根（6根以上）电缆成束敷设于托架方式，按照CCS相关规定，Kl取0.85。设备非连续工作（间断负载）条件下，电缆载流量的计算应在上述基础上进行修正，文中不深入探讨。根据式(3)计算，导体最高工作温度为85 的EPR或XLPE绝缘电缆连续工作时的载流量（环境温度45）如表2所示。3电缆电压降计算经过电缆规格选型和电缆截面积选择，电缆选型设计已完成大部分工作，但设计后期还应进行电缆电压降计算。由于电缆线路存在阻抗，电流通过线路时，线路两端势必产生电压差，被称为电缆电压降8。电缆电压降过大，使电力系统供电质量变差，电压额度难以满足用电设备需求。根据CCS相关规定，汇流排到用电设备点的电压降不得超过额定电压的6%，工程实际线路的电压损失一般按不超过5%为原则。三相交流三线制回路的线电压损失u为：u=3 I1 000Ul(R0cos+X0sin)100%(4)式中：I负载电流，A；U线电压，kV；l电缆线路长度，km；R0、X0 线路单位长度的电阻和电抗，/km；cos功率因数。若忽略电缆电抗，并且R0未知，线电压损失u为：u=3 I1 000UlScos100%(5)式中：S导体截面积，mm2；导体电导率，S/m，与导体材料和温度有关。电缆电压降计算主要针对长距离、大容量用电设备，通过分析式(5)可知，如果线路的电压损失超过允许范围，可以采取提高线路电压等级或增大电缆截面积的方式。4结语从电缆规格选型、电缆截面积选择、电缆电压降计算共3个方面进行海上油气田开发工程电缆选型设计。针对电缆规格选型，着重讨论工程中常见的电缆结构及类型，此部分设计应充分考虑用途、防火、敷设等要求；针对电缆截面积选择，明确与额定电流相匹配的载流量对应的截面积为目标截面积，借鉴设计文件和相关规范，概括推导单个设备额定电流、多个设备总负载电流以及电缆载流量的计算方法；针对电缆电压降计算，理论分析电缆线路的电压降超过允许范围时需采取的措施。电缆选型设计过程中，仅考虑电缆的正常工况，并未考虑电缆的短路容量，后续将结合电力系统的短路电流计算，进一步完善设计工作。参考文献1 邵森安，马勰，丰如男，等.海底电缆国内外研究综述 J.南方电网技术，2020，14（11）：81-88.2 姜磊，高景晖，钟力生，等.远海漂浮式海上风电平台用动态海缆的发展 J.高压电器，2022，58（1）：1-11.3 齐磊，崔翔，卢铁兵，等.屏蔽电缆的分布参数测量及瞬态分析 J.中国电机工程学报，2005（6）：122-126.4 GB 186132020，电动机能效限定值及能效等级 S.5 GB 302542013，高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级 S.6 海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南（第3册）：海洋石油工程电气、仪控、通信设计 M.北京：石油工业出版社，2007.7 IEC 60092-2012019，Electrical installations in ships-Part 201：System design-General S.8 王国忠，潘齐旺.低压电缆的电压损失和电压降 J.电线电缆，2014（1）：17-19.表2导体最高工作温度为85 的EPR或XLPE绝缘电缆连续工作时的载流量（环境温度45）电缆规格（芯数S）3C1.53C2.53C4.03C6.03C10.03C16.03C25.03C35.03C50.03C70.03C95.03C120.0敷设系数0.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.85温度系数111111111111载流量/A1217232940547187107134164190电缆规格（芯数S）3C150.03C185.02（3C70.0）2（3C95.0）2（3C120.0）2（3C150.0）3（3C95.0）3（3C120.0）3（3C150.0）4（3C120.0）4（3C150.0）5（3C150.0）敷设系数0.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.85温度系数111111111111载流量/A2182472693283814354925716537628701 088