海上升压站柴油发电机系统优化设计研究
在“十三五”及“十四五”规划期间，中国海上风电产业取得了显著进展，风电场的装机规模和单机容量持续扩大。为促进沿海地区能源结构优化，推动“双碳”目标的实现，并加快高质量经济发展，政府出台了一系列政策，引导海上风电产业有序发展。在国家政策支持下，我国海上风电正在向深远海、集群化和生态友好型方向稳步迈进。
随着海上风电电力全面参与市场交易，海上风电工程项目需更加重视成本控制与系统稳定性。作为海上风电场的“中枢”，海上升压站的安全运行至关重要。一套科学、合理的站用电系统是保障其稳定运行的重要基础。
通常情况下，海上升压站配备两台互为备用的工作电源变压器。当两路电源同时故障时，柴油发电机作为应急电源，承担着保障海上升压站安全运行的最后责任。在全站失电状态下，柴油发电机组与0.4 kV应急母线配合，为关键负荷和应急系统提供交流电源。
本文以一座500 MW / 220 kV 海上升压站为研究对象，系统探讨了柴油发电机系统的优化设计方案。内容涵盖海上升压站在孤岛运行模式下的选择分析、柴油发电机容量的计算与验证、储油油箱容量的优化研究、补油系统的优化设计，以及柴油机储油与供油系统的布局优化。
海上升压站孤岛运行模式选择
当前新建海上风电项目通常选址于离岸30 km以外或水深大于30 m的区域。当海上升压站与陆上电网之间220 kV送出海缆断开时，风电场将进入孤岛运行状态，通常分为小孤岛和大孤岛两种模式。
小孤岛运行模式
在小孤岛模式下，柴油机组仅向海上升压站内部部分负荷供电，而风机组和集电海缆进线回路断开。此模式下，只需配置一台柴油发电机组接入0.4 kV应急母线，为应急负荷和重要负荷供电。
大孤岛运行模式
大孤岛模式下，柴油机组还需为风机组的控制系统、通信系统、偏航系统及通风除湿系统供电，以实现风机自启动。与小孤岛模式相比，此模式需配备大容量柴油机组、升压变压器、66 kV高压配电装置，以及无功补偿电抗器，系统复杂度和重量明显增加。
运行模式对比分析
从技术角度看，我国东部沿海电网结构较完善，海上升压站通常设置双回送出海缆，因此全站失电的概率较低。结合风机内部UPS电源、储能系统及良好的可达性，小孤岛模式在技术和经济上更具优势。综合考虑系统可靠性、经济性及运维便利性，小孤岛运行模式是更为合理的选择。
柴油发电机容量选型研究
以500 MW / 220 kV 海上升压站为例，应急负荷包括应急照明、直流电源、UPS电源、检修电源、通风系统、柴油机组辅助电源、高压细水雾系统等。重要负荷则主要为电气设备的操作电源。其中，电动消防泵为最大电机负荷，每组系统配备6台运行泵和1台备用泵。
通过计算得出，柴油机的额定容量应不小于501.6 kVA，功率不低于415.5 kW。结合系统负荷特性，推荐选用额定容量为625 kVA、功率为500 kW的柴油发电机组，以满足应急运行和短时过载要求。
对于典型工程，建议配置一台500 kW的柴油发电机组，作为海上升压站的应急电源。
柴油机储油油箱容量优化研究
储油油箱的容量设计需兼顾应急工况下的供油需求和运维成本，既要满足长时间运行的供油量，又要避免过大容量带来的投资浪费。
应急工况下油耗分析
在应急状态下，柴油机需为消防泵、应急照明、火警系统、逃生设备等设备供电，其中消防泵供电时长应不少于18小时，而雾笛、导航灯等设备供电时间不少于96小时。尽管这些设备总功率较小，但长期运行对柴油消耗仍有显著影响。
根据柴油机组的运行参数，500 kW机组在额定功率下每小时油耗约为140 L。考虑到低负荷运行时效率下降，按40小时供油时间计算，柴油消耗量可达5600 L。
日常运维油耗分析
按运维规范，海上升压站应每月进行一次电源切换试验和柴油机试运行，每次运行约20分钟。年运维耗油量约为560 L。
储油油箱容量优化
推荐储油油箱容量应满足两次应急工况及五年运维需求，总容量应不小于14000 L（14 m³）。在实际工程中，该容量可满足系统运行要求。同时，当储油油箱油量接近临界值时，应及时补油，以保障系统连续运行。
柴油机补油系统优化设计
通常，储油油箱布置于柴油罐间，通过DN65补油管连接至国际通岸接头。为提高系统适应性，建议在柴油罐间增设一套输油软管卷盘和便携式输油泵。其中，输油软管长度不小于50 m，便于连接运维船；便携式输油泵扬程应不低于40 m。
根据运维船设备配置情况，可分别采用以下三种补油方式：
- 工况一：运维船自带输油泵和油管，将油管连接至海上升压站通岸接头，通过自带泵进行补油。
- 工况二：运维船仅带输油泵，使用平台配备的输油软管完成补油。
- 工况三：运维船无输油设备，通过平台提供的便携式输油泵实现补油。
上述配置方案提高了柴油机补油系统的适应性，可在多种运维条件下灵活运行。
柴油机储油及供油系统连接与布置优化
海上升压站一般采用三层设备布置，其中柴油机房通常设置于第三层，以便于设备的吊装和检修。柴油发电机系统包括储油箱、输油管路、阀门及控制系统等，其布置方案对系统可靠性与运维效率有重要影响。
方案一：储油油箱布置于一层
储油油箱与日用油箱独立设置，储油箱位于一层柴油罐间，日用油箱设于三层日用油箱间。通过电动输油泵将柴油输送至三层，再由供油管连接至柴油机。此方案补油便利，但系统结构较复杂，可靠性相对较低。
方案二：储油油箱布置于三层
储油油箱与日用油箱合并设置于三层柴油罐间，直接为柴油机供油。该方案结构简单，系统可靠性高，但补油操作相对复杂。相比方案一，该布置方式可节省空间，减少工程造价，并更符合轻量化设计要求。
布置优化分析
两种布置方案各有优劣。方案二在系统可靠性、维护便捷性和成本控制方面表现更佳，因此在工程设计中更为推荐。
研究结论
本文围绕海上升压站柴油发电机系统的优化设计进行了系统研究，提出以下主要结论与优化建议：
- 基于可靠性与经济性综合考虑，推荐采用小孤岛运行模式。
- 建议配置一台额定功率为500 kW的柴油发电机作为应急电源。
- 柴油储油油箱容量推荐为14 m³，满足两次应急运行及五年运维需求。
- 推荐在柴油罐间配置输油软管卷盘和便携式输油泵，以提升运维适应性。
- 推荐采用储油油箱与日用油箱合并布置于三层的方案，提升系统可靠性与工程经济性。
本研究为海上风电工程中海上升压站柴油发电机系统的优化设计提供了理论依据与工程参考。