浮式生产储油卸油装置的英文简称为FPSO，作为一种油田工程设备，主要应用于深海油气工程作业，设备的主要功能是将开采出的深海原油进行储存和运输，同时还能够根据原油的处理要求对其进行初步加工，因此也被称为“海上石油化工厂”。FPSO是一种大型的海上石油生产装置，不仅能够满足海上油气工作人员的居住，而且能够对开采的原油进行储存、运输和初步加工。FPSO设备的甲板和船体面积和空间较大，一方面能够布置大量的生产设备，更好地进行原油的开采和加工，另一方面能够储存大量原油，并且该装置移动方便，应用方式灵活，因此能够有效保证原油的储存和运输量。
一、FPSO电气系统组成
电气系统是FPSO的动力核心，更是海上油气工程开发与发展的关键环节。FPSO电气系统的科学设计能够有效保障海上油田开采和运输的稳定性，同时有效保障相关工作人员的人身安全，因此对其电气系统设计进行研究，能够促进FPSO的进步和发展。
1.1 FPSO电气系统概述
本文将以我司设计建造的某FPSO为例，对其电气系统进行详细的介绍。首先发电机，FPSO的电力供给是由透平双燃料发电机来提供的，发电机一般设置在装置的上部模块，共计4台，其参数为13800V、60Hz、31250kVA、25MW，正常情况下3台发电机同时工作就能够满足整个装置的电力需求，当处与尖峰负荷情况下时，就需要4台发电机进行同时工作。其次电力供应，FPSO的上部模块供电是通过6台变压器实现的，其中两台三绕组变压器为上部模块低压负荷供电、两台双绕组变压器为上部模块及船体中压负荷供电、剩余的两台双绕组变压器为再生气加热器配电盘供电。另外船体低压负荷供电是两路13.8kV馈电回路经过船体变压器降压后提供的。最后船体配电设置包括一台辅助发电机、一台应急发电机、一套UPS系统、一套应急照明系统。辅助发电机是全船生活负荷的有效保障，尤其是在“死船”的情况下，能够为船上的技术人员提供最基本的生活用电保障。应急发电机则在应急工况下为全船的应急负荷供电，两台发电机都可以用于“黑起动”工况。
1.2 FPSO主要电气设备
FPSO的主要电气设备包括以下六种：①配电盘和马达控制中心，配电盘包括高、中、低压三种，其中高压配电盘的外壳材质为金属材料，安装在室内，其防护等级为IP42，采用真空断路器，快速限流装置设在13.8kV的高压配电盘母联处。限流装置能在极短的时间内切断高达240kA的电流，及时将系统分为两个独立部分，实现对装置的保护作用。马达控制中心安装在室内，防护等级较高，并且在进线处设有限流电抗器，出线处设有马达控制中心。②动力变压器，其防护等级和绝缘等级较高，且为三绕组形式，一方面减少了数量和站控空间，另一方面采用缠绕型绝缘，散热效果好且不会发生绝缘开裂的情况，因此其运行的安全性较高。③电机、软启动器，电机供电所需电压主要由电机的功率决定，当电机功率小于150kW时，采用480V供电；当电机功率大于1200kW时，采用13.8kV供电；中间部分则采用4kV供电。软启动器一般都安装在室内，为金属外壳，防护等级为IP42，其使用需满足一定的条件，即电机启动压降超出额定电压的15%。④限流电抗器，主要作用在于降低MCC体积，节约大量成本。一般情况下，限流电抗器安装在MCC和低压主配电盘之间，能够有效降低电流，同时其防护等级、绝缘等级和温升等级较高，因此使用的安全性和稳定较强。⑤电伴热系统、照明系统，FPOS设备处于深海油田，其环境非常恶劣，因此需要对生产设备中的管线进行维温，因此需要电伴热系统发挥其维温的作用，不仅如此电伴热系统还能够起到对管线的漏电检测和保护功能。照明主要包括基本照明、正常照明和应急照明三种，基本照明石油辅助发电机进行供电实现的、正常照明则是与生产设备使用正常的电源来实现的、应急照明一部分是电气模块自带的蓄电池提供，同时直流UPS提供应急照明的另一部分电源。⑥电加热器的功率为2440kW，工作所需电源由两台2500kVA的专用变压器提供，电加热器的主要作用是在就生气环节对分子筛脱水装置进行加热。
二、FPSO电气系统设计原则和要点
2.1 决定因素
FPSO电气系统中发电机组机型选择的决定因素包括以下两方面：一是对油田的气体燃料进行分析，查看天然气或者伴生气的产量，来推算出其使用年限；二是根据不同时间、不同工况下生产设备的用电特点，以及用电负荷的峰值，来确定电站的配置。值得注意的是FPSO设备的用电和输电情况也要考虑在内。
2.2 配置形式
电站配置的基本形式如下：第一种是燃气轮发电机组电站，以天然气和伴生气为主要燃料，适合于天然气丰富的海上油田，但同时也要准备一些液体燃料作为辅助，这种类型的FPSO装置占比较大；第二种是活塞式发电机组电站，以原油为主要的燃料，同时也需要配备一些液体燃料作为辅助，这种电站的配置形式主要原因是油田缺乏天然气和伴生气，无法使用燃气发电机；第三种是混合式发电机组电站，以燃气轮发电机组为主、以活塞式发电机组为辅，适合于天然气不足的海上油田；最后活塞式混合发电机组，其中既包括以原油为燃料的活塞式发电机组，也包括以天然气为燃料的活塞式发电机组。
2.3 电站机组确定
总装机容量、电站机组数量、单机功率等都是电站机组需要确定部分，可以通过以下四点对其进行选择和确定：①确定发电机组的发动机类型；②根据相关技术方法估算出不同情况下的电力负荷，要分别对不同的生产实践、不同的用电工况进行估算，计算出用电量的范围；③以每台发电机组的额定输出功率为基础，结合总装机容量，通过计算得出发电机组的台数；④为了有效保证并联运行的发电机组的稳定性和安全性，尽量选择参数相同的发电机组，保证每台发电机组之间的相近性。
发电机组相关数量和类型确定的方法和步骤如下：①将所有用电设备进行罗列，准确计算其额定输入功率之和；②针对各种不同的工况进行计算，例如将不同的生产情况、不同的生产时间等需要的用电设备、用电量等进行估算和研究；③用电设备相关系数的确定，需要通过对间断负荷和连续负荷的有效区分来实现；④总需要功率的计算首先要计算出不同工况下的总功率，在结合用电设备的相关系数通过计算得出；⑤结合电气网络损失等因素对上述计算进行准确性的判断，并给出裕量系数，来初步确定发电机组的总装机容量及单机功率。
2.4 布置特点
电站机组中各个模块的布置具有一定的规律和特点，具体如下：首先主电站是独立模块，大多数都设置在船的主甲板上，只有极少数的设置在机舱内；其次出于安全性的考虑，电站模块的布置要远离油气处理模块，同时也要高于船的主甲板，同样都需要保持3米的间隔；再次燃料和燃料处理系统等电站的辅助系统，一定要设置在远离电站模块的位置，来有效保障电站运行的稳定性和安全性；最后电站要配置配电室和中央控制室，与现场盘功能一致，对电站的参数进行显示和控制。
三、FPSO电气系统设计研究
3.1 FPSO电气系统组成
FPSO的电气系统的组成包括三部分，分别为上部模块电气系统、船体电气系统、单点电气系统。其中上部模块电气系统包括主电站、中压系统、低压系统和应急低压系统，为整个FPSO提供配电；船体电气模块包括中压系统、低压系统和应急低压系统，主要为船体的用电设备提供配电；单点电气系统包括高压电滑环、低压电滑环、应急低压电滑环、井口平台或水下井口和海底电缆，为单点舱内的用电设备和周围井口平台提供配电。
3.2 FPSO电气系统设计研究
3.2.1 主电源设计
主电源的设计建立在油田电气负荷计算的基础之上，结合油田的实际确定燃料类型，并进行主电站的选型。一般情况下油田的开采都伴有天然气和伴生气，所以选燃气透平发电机组。只有少数的油田选择原油发电机组。需要注意的是原油发电机组需要专门的发电机房，因为在原油的处理环节存在泄露的风险，因此一定要远离主发电机房，设置在上部模块的危险区域内。
3.2.2 应急电源设计
FPSO的应急电源设计一般设置在船体部分，在船体的独立机舱室内设置有应急电站，其发电机组的选型建立在FPOS应急工况的负荷基础之上，具体要求为负荷率在80%-90%之间，根据实际情况进行确定。以我司设计建造的某FPSO为例，其应急负荷1300KW，配置的柴油应急发电机组为1600KW，符合应急发电机组的选型要求。在主电源发生故障后，应急发电机组要在45秒内完成自动启动，为全船提供不低于1.8小时的应急负荷连续供电。应急电源的另一个重要作用是在黑启动工况下，供电给上部模块的主电站辅助系统。
3.2.3 中低压配电系统
相较于陆地发电系统发电机－变压器单元式接线方式，FPSO的电气设计则直接采用发电机直接配电线路的接线形式，因此在FPSO中压配电系统的设计面临着一些难点。首先中压系统的短路电流直流分量高达50%左右，其短路容量越来越大，面临开关柜选型难的问题。一般采用在中压母联处或发电机出口断路器位置加装快速限流器，来解决这个难题。其次FPSO直接配电接线的方式导致电容电流过载，可采用增加接地变压器的方式来解决，通过在中压系统中增设接地变压器来降低电容电量。
3.2.4 输电系统与电滑环
在FPSO的单点电气系统中包括高压电滑环、低压电滑环和应急低压电滑环，其中高压电滑环为FPSO输电系统中的关键设备。高压电滑环不仅设置有三相通道，还应设置公共接地滑环通道。鸭舌式的滑环布置在单点舱内，因高温、潮湿的特殊环境，必须要具备防护等级IP66、防爆等级满足1组1类要求。井口平台供电主要是变压器通过海底电缆实现的，在供电的过程中，海底电缆的充电电流较大，在综合考虑油田电网的安全性基础上选择电阻接地形式。
3.2.5 能量管理系统设计
能量管理系统的主要功能包括：发电机管理、有功无功分配、电气设备状态监测、数据储存和系统自检测等等，能量管理系统的主站会设置在FPSO的上部模块，子站会设置在船体和井口平台。能量管理系统的网络结构分为三层，分别为信息层、控制层、间隔层，其中信息层包括上部模块能量管理系统、工程师工作站、操作员工作站、相关网络设备；控制层包括现场控制器、网络设备，并实现与各层之间的通信、在线监控、电站自动化控制等功能；间隔层包括各个平台的保护测量装置，并在完成对各层的保护功能后，实现测量和控制。
结语：综上所述，FPSO具有十分突出的优势，不仅储油量大、抗干扰性强，而且移动灵活，更适合于深海油田作业。通过对FPSO的电气系统进行介绍，以及其相关设计原则和设计要点的总结，为FPSO的电气系统的设计研究提供了有效参考，希望能够有效促进FPSO的进步和发展。
参考文献：
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