Tải điện một chiều cao áp ra dàn khai thác ngoài khơi

Admin 16/11/2017

Tải điện một chiều cao áp ra dàn khai thác ngoài khơi

Sverre Gilje của hãng BP Norge AS và Lars Carlsson của hãng ABB giới thiệu việc ứng dụng công nghệ HVDC Light  để tải 78 MW tới mỏ dầu khí Valhall ở Biển Bắc, cách đất liền 300 km

Hãng BP gọi công trình khai thác trở lại mỏ dầu khí Valhall ở Biển Bắc là “lá cờ đầu của mỏ dầu khí trong tương lai”, đưa công trình này lên vị trí tiên phong trong việc ứng dụng những công nghệ tiên tiến. Cải tiến có tính then chốt đó là việc sử dụng lần đầu tiên điện cao áp một chiều (HVDC) để cấp điện cho toàn bộ hệ thống điện xoay chiều trên các dàn khai thác ngoài khơi. Các tuabin khí ngoài khơi sẽ được cho ngừng vận hành để toàn bộ công suất 78 MW của khu vực khai thác sẽ được đưa từ bờ biển Na Uy cách đó 300 km, bằng công nghệ HVDC Light của ABB.

Tổ hợp Valhall hiện có năm dàn khai thác trên biển, có cầu nối liền với nhau. Ba dàn trên miệng giếng đã được lắp đặt cách tổ hợp chính khoảng 6 km. Dàn sản xuất và nén khí và dàn dùng cho sinh hoạt của cán bộ công nhân viên sẽ được thay thế bằng công trình mới, nhưng còn phải chờ ý kiến chấp thuận của bên đối tác và của cơ quan chức năng.  

Công trình mới này cùng với toàn bộ khu vực khai thác Valhall sẽ đuợc cấp điện từ bờ (power from shore - PFS) bằng hệ thống truyền tải điện HVDC Light của ABB, sử dụng những thành tựu mới nhất trong lĩnh vực điện tử công suất và các hệ thống điều khiển và bảo vệ có sử dụng máy tính. Hệ thống truyền tải điện HVDC Light bao gồm các trạm biến đổi điện trên bờ và ngoài khơi kết nối với nhau qua 292 km cáp. Hệ thống biến đổi điện xoay chiều từ trạm biến áp 300 kV Elkem đặt tại Lista thành điện một chiều 150 kV, dẫn điện qua cáp điện một chiều đi ngầm dưới biển rồi sau đó biến đổi ngược lại thành điện xoay chiều 11 kV tại dàn khai thác mới.

Vấn đề dùng điện HVDC để cấp cho hoặc từ các công trình ngoài khơi đã được thảo luận từ nhiều năm trước. Tuy nhiên, theo kỹ thuật HVDC truyền thống, cần phải có một hệ thống xoay chiều đủ mạnh để hoạt động nên cho đến nay  điều này vẫn chưa khả thi. Khoảng 10 năm trước đây, tình thế này đã thay đổi khi ABB triển khai hiệu quả công nghệ HVDC Light, dựa trên việc sử dụng các transistor thay vì các thyristor trong công nghệ HVDC truyền thống. Kỹ thuật này khiến cho các bộ biến đổi điện kiểu mới có khả năng tự chuyển mạch, nghĩa là không yêu cầu một điện áp xoay chiều sẵn có để hoạt động mà có thể cấp điện cho một phụ tải hoàn toàn thụ động.

Việc dẫn điện bằng HVDC ra khơi được ứng dụng lần đầu vào năm 2005, cấp điện cho các máy nén mới tại dàn khai thác Troll A ở ngoài khơi thành phố Bergen của Na Uy. Việc cấp điện từ đất liền cho tổ hợp Valhall khác với cấp điện cho Troll ở một khía cạnh rất quan trọng: đây là lần đầu tiên, một hệ thống điện ngoài khơi hoàn chỉnh dùng cho toàn bộ cả một khu mỏ sẽ được cấp điện từ đất liền bằng HVDC.

Các chi phí và phát thải đều thấp hơn

Cấp điện từ đất liền có hiệu quả về chi phí và tiết kiệm cả không gian cũng như tải trọng cho dàn khai thác trên biển.

Tại hầu hết công trình lắp đặt ngoài khơi, các máy phát cung cấp điện và các máy nén khí lớn được truyền động bằng các tuabin khí hoặc động cơ diesel đặt ngay trên các dàn này. Đa phần các thiết bị này đạt tổng hiệu suất thấp, chỉ khoảng 20 - 25%, kết quả là phát thải nhiều CO2 và tiêu thụ nhiều nhiên liệu một cách không cần thiết.

Ngay trên thềm lục địa của Na Uy, chính sách thuế đối với phát thải khí CO2 đã có hiệu lực, giá phát thải rất đắt, thậm chí không có thị trường mua bán chỉ tiêu phát thải. Nếu điện năng được cấp từ đất liền thì vấn đề phát thải của các thiết bị ngoài khơi sẽ khỏi cần tính đến nữa. Điều này sẽ tiết kiệm chi phí cho các đơn vị vận hành. Ngoài ra, việc truyền tải điện năng từ bờ ra còn có lợi là giảm bớt chi phí cho khâu bảo dưỡng, kéo dài tuổi thọ thiết bị và nâng cao hơn tính sẵn sàng cung cấp điện so với các tuabin khí và động cơ điêden. Nếu có thể bố trí các thiết bị truyền tải điện trên các công trình lắp đặt ngoài khơi đã thôi sử dụng thì việc hoãn lại các khoản chi phí cho việc dỡ bỏ công trình này cũng có thể là một yếu tố quan trọng. Hơn nữa, còn có thể tiết kiệm khoản chi phí phải trả cho lượng phát thải đáng kể các khí nhà kính thông qua việc sử dụng các công trình nguồn hiệu quả hơn tại đất liền so với các cụm phát điện kém hiệu quả ngoài khơi. Thậm chí, nếu tổn thất điện năng do khoảng cách truyền tải lớn từ đất liền đến các dàn thiết bị ngoài khơi có lên tới 10% thì khoản tiết kiệm được của phương án dẫn điện HVDC ra khơi cũng sẽ là đáng kể đối với hầu hết các trường hợp.

Đối với công trình Valhall, khi chuyển đổi sang phương án cấp điện từ bờ ra cho các dàn thiết bị ngoài khơi thì ước tính hằng năm sẽ giảm bớt được khoảng 300.000 t CO2 và 250 t NOX so với việc sử dụng trực tiếp trên dàn một nhà máy điện chu trình hỗn hợp dùng tuabin khí phát thải NOX thấp.

Điều khiển chủ động

Với công nghệ HVDC Light, việc sử dụng các transistor công suất đấu nối tiếp sẽ cho phép kết nối các bộ biến đổi nguồn điện áp vào lưới điện ở các cấp điện áp trước đây chưa thực hiện được. Điều này có thể được dùng vào việc truyền tải điện năng, bù công suất phản kháng và bù chống phát sinh sóng hài/chống nhấp nháy điện áp. Bằng phương pháp “điều khiển vectơ nhanh”, bộ biến đổi điện này có khả năng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng một cách độc lập, đồng thời giữ sóng hài ở mức thấp, ngay cả trong các lưới điện yếu. Các bộ biến đổi được chỉ huy bởi thiết bị điều khiển HVDC rất mạnh và bền mang tên Mach 2, cho đến nay đã được thử thách tại nhiều công trình lắp đặt HVDC và SVC. Trong công nghệ HVDC Light, điện áp tần số cơ bản được tạo ra thông qua việc điều biến chiều rộng xung (pulse width modulation -  PWM).

Khi sử dụng PWM, biên độ và góc pha của điện áp được điều khiển tự do và gần như tức thời trong những giới hạn nhất định. Điều này giúp cho việc điều khiển các dòng công suất tác dụng và phản kháng có thể diễn ra độc lập và rất nhanh chóng. Do đó, bộ biến đổi nguồn áp theo kiểu điều biến chiều rộng xung (PWM VSC) là bộ phận cấu thành gần như lý tưởng trong lưới truyền tải. Theo quan điểm hệ thống, nó đóng vai trò như là một động cơ hay máy phát không quán tính, có thể điều khiển gần như tức thời công suất tác dụng và công suất phản kháng. Hơn nữa, nếu có ngắn mạch xảy ra đâu đó thì nó chỉ góp vào công suất ngắn mạch một phân lượng nhỏ vì có thể điều khiển được dòng xoay chiều (AC).

Đại lượng duy nhất cần xác định ở cả hai đầu của mạch truyền tải là điện áp mạch kết nối một chiều (DC), khỏi cần đến sự thông tin liên lạc giữa khâu điều khiển bộ chỉnh lưu trên đất liền và khâu điều khiển bộ biến đổi điện trên dàn thiết bị ngoài khơi.

Việc thiết kế bộ biến đổi điện HVDC Light cho tổ hợp Valhall được thực hiện theo nguyên lý mạch cầu hai cấp nhưng có trung điểm của tụ ghép không cố định. Quá trình chuyển động của mạch cầu giữa 0 kV và -150 kV sẽ đưa ra giá trị sử dụng tối ưu cho việc thiết kế cáp HVDC đồng trục với sợi dây dẫn chính giữa lõi cáp ở điện áp cao và phần nòng bao phía sát ngoài của dây dẫn trở về gần với mạng lưới nối đất của cáp. Giải pháp thiết kế này khiến cho việc vận hành trong cả trạng thái xác lập cũng như trạng thái động sẽ chỉ xuất hiện những dòng điện cảm ứng rất nhỏ đối với đất. Đặc điểm này là một trong những yếu tố quyết định để thực hiện hệ thống tải điện HVDC trong môi trường biển.

Các thiết bị phía ngoài khơi vận hành với tần số cố định 60 Hz còn các thiết bị phía trên bờ lại vận hành với tần số cố định 50 Hz. Điều này không đòi hỏi các thiết bị của mạch điện chính phải có gì đó khác biệt so với thiết kế thông thường. Các nguyên tắc thiết kế được áp dụng cho hệ thống truyền tải điện bình thường cũng có thể được sử dụng để thiết kế cấp điện cho lưới điện xoay chiều của từng vùng ngoài khơi như Tổ hợp Valhall. Ngoài ra, cũng còn một vài lợi ích khá quan trọng nữa trong việc tải điện HVDC để cấp cho các dàn thiết bị nổi ngoài khơi, đó là:

· Việc điều khiển điện áp và tần số xoay chiều.

· Khởi động trực tiếp và trực tuyến các máy điện không đồng bộ công suất lớn.

· Khắc phục được các nhiễu của hệ thống xoay chiều trên đất liền.

Yêu cầu về môi trường

Đối với việc lắp đặt thiết bị trên dàn nổi ngoài khơi thì điều rất quan trọng là phải tiết kiệm không gian và khối lượng đặt lên dàn. Xem xét đến yếu tố này thì những bộ lọc HVDC cấu tạo kiểu tích hợp nhỏ gọn sẽ là giải pháp hợp lý và ưu việt. Ngoài ra, môi trường ngoài khơi còn đặt ra rất nhiều đòi hỏi khác nữa đối với các thiết bị và trạm biến đổi điện, cụ thể là:

· An toàn cho nhân viên vận hành trong môi trường sản xuất và chế biến.

· Độ tin cậy và tính sẵn sàng cao. Yêu cầu này cực kỳ quan trọng, vì một sự cố làm gián đoạn cung cấp điện cũng đồng nghĩa với việc dừng toàn bộ dây chuyền sản xuất ở tổ hợp Valhall.

· Môi trường biển rất khắc nghiệt, không khí hàm chứa muối và độ ẩm cao, do đó, việc chọn nguyên vật liệu và xử lý bề mặt các cấu kiện phải hết sức nghiêm túc.

· Nghiên cứu hợp nhất hệ thống điều khiển theo hướng bố trí các hệ thống điều khiển quá trình công nghệ cũng như đóng cắt điện ngay trên dàn thiết bị ngoài khơi.

Các thiết bị cao áp sẽ được lắp đặt bên trong một môđun trên dàn ngoài khơi và trong một tòa nhà trên bờ. Thiết kế lắp đặt hệ thống thông gió vào trong môđun trên dàn ngoài khơi cũng như trong tòa nhà trên bờ để bảo vệ thiết bị cao áp và điện tử khỏi hơi muối và ẩm. Theo cách này, các thiết bị mạch điện chính chỉ phải đối mặt trực tiếp với các mức yêu cầu về môi trường thấp hơn so với các thiết bị lắp đặt ngoài trời bình thường khác, và do đó, càng có điều kiện để thiết kế nhỏ gọn hơn nữa.

Hệ thống thông gió cũng phải quán xuyến đến các tổn thất theo đường thông khí. Ưu thế của vùng khí ngoài khơi thuộc Biển Bắc là nước lạnh (5 - 11oC), rất sẵn dùng để làm mát. Một yêu cầu khác đối với hệ thống thông gió là phải tính đến khả năng xuất hiện khí ngay trong vùng đặt dàn thiết bị. Không gian trong môđun lắp đặt thiết bị trên dàn ngoài khơi sẽ được tăng áp suất để chống không khí xâm nhập vào khu vực có điện áp cao. Nếu phát hiện thấy có khí, hệ thống máy cắt sẽ nhảy và trực tiếp cắt điện.

Môđun HVDC sẽ được lắp thành hai tầng với các bộ lọc dòng xoay chiều và các kháng điện pha đặt trên sàn tầng trên, còn các van biến đổi điện và các thiết bị điện một chiều thì được lắp ở tầng dưới. Tầng dưới cũng là nơi đặt các đầu ra của cáp HVDC 150 kV. Các máy biến áp biến đổi điện sẽ được đặt ở một phòng riêng biệt, có các đầu ra nằm trong các ống sứ xuyên qua tường để tới các kháng điện pha và tới phía thiết bị xoay chiều 11 kV tương ứng. Các bộ lọc dòng xoay chiều được đặt ở cả hai phía của máy biến áp để hạn chế tới mức thấp nhất các sóng hài tới hệ thống xoay chiều trên dàn ngoài khơi.

Trạm biến đổi điện trên bờ sẽ được đặt ở Lista và được nối với lưới điện 330 kV của Na Uy bằng một đường dây mạch kép hướng đi Feda. Mặt bằng bố trí thiết bị chính của trạm biến đổi điện ở Lista về cơ bản giống như dàn thiết bị ngoài khơi của tổ hợp Valhall, trừ hai điều khác biệt chính, đó là:

Điện áp xoay chiều tại Valhall là 11 kV trong khi ở Lista là 330 kV AC. Do đó, sân thiết bị xoay chiều sẽ được xây dựng như một trạm lắp đặt thiết bị ngoài trời thông thường với một máy cắt xoay chiều nhưng có hai dao cách ly để có thể đấu nối trạm Valhall vào cả hai hệ thanh cái trong sân thiết bị hiện tại. Điều khác biệt thứ hai chính là hệ thống làm mát cho các van, nó mang đặc trưng của những tháp làm lạnh không khí kiểu khô.

Việc làm tương thích hệ thống điều khiển để điều hành quá trình công nghệ trên dàn thiết bị ngoài khơi đã đem lại một độ tin cậy khác so với các hệ thống truyền tải bình thường. Trong một miền tiếp xúc trực tiếp với khí thì việc truyền động lệnh đến các máy cắt sao cho an toàn và tin cậy còn quan trọng hơn nhiều so với khi vận hành liên tục. Vì thế, hệ thống điều khiển được lắp bổ sung một số mạch để thực hiện truyền động lệnh đóng cắt từ bên ngoài xuất phát từ các hệ thống báo hiệu sự cố khẩn cấp.

Phần mềm điều khiển bộ biến đổi điện sẽ được làm tương thích với điện áp thao tác và điều khiển tần số, còn phần cứng của bộ điều khiển sẽ được làm giống hệt như đối với bộ chỉnh lưu và các bộ biến đổi điện ngược. Chức năng bảo vệ và giám sát bộ biến đổi điện cũng được tích hợp luôn trong cùng bộ điều khiển này.

Giảm thiểu sóng hài

Chính sự mong muốn giảm nhẹ trọng lượng thiết bị lắp đặt trên dàn ngoài khơi lại tạo ra được giải pháp tối ưu về yêu cầu giảm thiểu sóng hài, đó là, dàn thiết bị ngoài khơi không được phép thiết kế với mức sóng hài vượt quá quy định. Do đó, quan điểm thiết kế là lắp đặt các bộ lọc có dung lượng lọc bằng nhau, đây cũng là một yêu cầu thông thường vẫn phải đáp ứng trong việc lắp đặt các thiết bị cao áp và không cho phép tồn tại các sóng hài lớn.

Sự phát sinh sóng hài từ bộ đổi điện HVDC chủ yếu là tại tần số đóng cắt (từ 1620 Hz trở lên), còn ở dải tần số thấp thì hầu như không sinh ra sóng hài (các hài bậc 5, 7, 11 và 13) là các hài phổ biến trong bộ biến đổi điện HVDC kiểu xưa nay vẫn dùng.

"Theo: KHCN ĐIỆN SỐ 4 - 2007 "

Bình luận
Nội dung này chưa có bình luận, hãy gửi cho chúng tôi bình luận đầu tiên của bạn.
VIẾT BÌNH LUẬN