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    • 頭條水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢
      2021-06-11 作者:郭江艷 王雙成 等  |  來源:  |  點擊率:
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      導語深海油氣資源開發是當今油氣開發的一大趨勢,我國深海油氣資源豐富,且近幾年隨著海洋戰略的實施,海洋油氣開采進入了快車道,未來水下供電系統將會有越來越多的應用,其發展已成為必然趨勢。中海油研究總院有限責任公司、青島海洋工程水下設備檢測有限公司的研究人員郭江艷、王雙成、王永、王善芬,在2021年第3期《電氣技術》上撰文,介紹了用于水下生產的水下供電系統的組成和分類,分析了直接供電方式、水下變壓器供電方式、水下交流供電方式、水下直流供電方式的特點和應用案例,并詳細介紹了水下供電系統的關鍵設備和技術難點,最后提出了加快推進我國水下供電系統研究的建議。

      近幾十年,我國經濟快速發展,能源需求越來越大,能源供需矛盾日益突出,海洋石油已成為我國石油工業新的增長點,為了緩解能源供需矛盾,維護我國的海洋主權和權益,加快開發我國深水油氣資源已成為國家戰略需求。

      隨著海上深水油氣田開發水深的不斷增加,水下生產系統得到各大石油公司的廣泛關注。水下供電系統是油氣田水下生產系統的關鍵組成部分,為深海遠距離水下生產系統提供必需的電力輸送和變換。

      水下供電系統組成及分類

      水下供電系統主要包括臍帶纜電纜、水下變壓器、水下變頻器、水下電連接器、水下開關、用電設備等,水下供電系統如圖1所示。

      水下供電系統與供電距離密切相關,目前共有四種水下供電方式,分別為直接供電方式、水下變壓器供電方式、水下交流供電方式、水下直流供電方式。

      1 直接供電方式

      直接供電方式主要用于供電距離較短的動力供電系統,如圖2所示,其優點突出,具有成本低、水下設備少、配套設備成熟可靠的特點,但其受制于中壓變頻器輸出電壓等級、電力輸送距離和有限的輸送功率。采用此種供電方式的油氣田見表1。

      水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢

      圖1 水下供電系統

      水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢

      圖2 直接供電系統

      水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢

      表1 采用直接供電方式的油氣田

      2 水下變壓器供電方式

      水下變壓器供電方式主要適用于常規供電距離內、供電負荷功率較大的動力供電系統,如圖3所示,此種供電方式在水下增設降壓變壓器,其供電距離較長、供電功率較大,但此種供電方式在遠距離傳輸時易發生諧振,因而降低了電機驅動能力,影響供電質量和供電安全。

      采用此種供電方式的油氣田見表2。隨著水下變壓器技術的發展,其成熟產品逐漸應用于水下變壓器供電方式中,其中較短供電距離的供電系統可選擇的供電方式越來越多。

      水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢

      圖3 水下變壓器供電系統

      水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢

      表2 采用水下變壓器供電方式的油氣田

      3 水下交流供電方式

      水下交流供電方式較水下變壓器供電方式的主要優勢在于將變頻器放置在水下距離電動機較近的地方、以最優性能驅動變頻器,但是此種供電方式將變壓器、變頻器、開關都放置于水下,如圖4所示,風險和技術難度都較高,目前暫無實際投產項目。

      水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢

      圖4 水下交流供電系統

      4 水下直流供電方式

      水下直流供電方式適用于供電距離大于200km、交流輸電無法滿足生產要求的系統,其較交流輸電方式最大的優勢在于線路損耗小、無趨膚效應、海纜成本低。目前該方案尚在概念階段,無實際投產項目。

      水下供電系統的關鍵設備和技術

      伴隨著深水油氣田集約式發展,供電系統也由原來的短距離向長距離發展。目前,不僅長距離輸配電技術制約著國內外深水油氣田的開發,而且變頻器高頻分量引起的電機端過電壓、線路功率損耗和壓降增大及驅動電機等負載的能力降低等都是遠距離水下供電技術存在的問題。

      另外,水下供電系統還面臨著水深約3000m、壓力4300lbf/in2(1lbf/in2= 6.894 76kPa)的海底環境的挑戰,在這樣惡劣的條件下,所有的電氣元件和設備都必須經過設計并能承受高壓,且海水是導體并具有腐蝕性,因此電氣設備和海水間必須有絕緣隔離。

      由于設備位于水下3000m深處,一旦發生故障,將設備帶到平臺維修代價昂貴且生產中斷時間長,因此設備可靠性設計必須嚴格高于20年,這意味著平均故障間隔時間應大于20年。

      1 水下變壓器

      水下變壓器如圖5所示。主要包括殼體、變壓器本體、壓力補償裝置、干/濕插拔水下電連接器、綜合監測裝置、底座,通常應用于水下的電力變壓器的功率范圍從500kV?A到幾十兆伏安。而用于降壓和變頻器前端的隔離變壓器通常體積龐大,因此在運輸和安裝方面存在困難。

      另外水下變壓器長期承受海水施加的高壓,其采用內部充油的形式,利用壓力補償裝置補償殼內外的壓力差,同時提供絕緣空間隔離內部電氣元件,保證正常運行。較陸上變壓器而言,壓力補償技術是水下變壓器首要解決的技術問題之一。

      水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢

      圖5 水下變壓器

      2 水下變頻器

      水下變頻器主要用于驅動水下用電設備,其較陸上變頻器的主要技術難點在于深海耐壓、密封等問題。隨著水深的增加和變頻器額定功率的增大,壓力容器逐漸成為笨重的模塊。由于容器壁厚,電力電子元件與海水之間的熱傳導會出現問題。

      因此,各石油公司正在為水下變頻器的電力電子元件尋找更可行的解決方案。兩種改進的耐壓封裝技術用來保證可靠的操作,一種是緊壓封裝方法,另一種是粘接平面模塊。目前,SIEMENS、ABB、GE等公司具有較成熟的水下變頻器產品,如圖6所示。

      3 水下開關

      水下開關主要功能是當線路和設備出現故障時,水下開關可迅速將故障設備從水下供電系統中切除[8]。水下開關設備通常將陸地用電氣開關置于壓力容器內,SF6氣體用作絕緣介質,如圖7所示。在水下應用中,可靠性(平均無故障時間超過20年)是水下開關主要的設計指標。

      水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢

      圖6 水下變頻器

      水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢

      圖7 水下開關

      4 水下電連接器

      水下電連接器包括干式電連接器和濕式電連接器,不同的連接器類型需要不同的材料,但具有相同的性能,即高尺寸穩定性、高沖擊強度、低收縮率、低吸水率、高抗壓強度和不燃性等。

      市場上常見的水下電連接器分為四大類,即橡膠模制電連接器、剛性外殼電連接器、充液電連接器、電感耦合電連接器。圖8所示為額定電壓10kV的西門子水下電連接器。各類水下電連接器的主要特點見表3。

      水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢

      圖8 西門子水下電連接器

      水下供電系統的關鍵設備、技術難點和未來發展趨勢

      表3 各類水下電連接器的主要特點

      水下供電系統發展現狀

      國外水下供電系統已有長達30年的技術積累,ABB、SIEMENS、GE等公司具備了水下供電系統設計及成套設備供貨的能力。

      ABB公司早在1984年就開啟了水下電氣設備的可行性研究,2007年為Ormen Lange氣田生產的最大容量20MV?A變壓器可應用于水下1000m的環境。同時,ABB能夠生產水下變頻器等關鍵設備,已為全球多個油氣田完成水下供電系統的設計和供貨。

      SIEMENS經過長期的技術積累,已基本具備了水下供電系統設計及水下變壓器、水下開關、水下電連接器、水下變頻器等設備成套供貨能力,并于2003年為BP King油氣田完成了1.8MV?A的水下無諧波變頻器的設計、生產和試驗。

      GE旗下Vetcogray公司具備水下供電系統設計能力及電氣設備的設計生產能力,其生產的36kV/500A濕式電連接器、12kV/3.5MV?A的水下變頻器可用于2000m深水環境。

      目前我國遠距離變頻供電技術在水下供電系統中得到了應用,比較典型的案例是流花4-1、流花16-2油田。

      流花4-1油田的開發在國內首次成功將遠距離中壓變頻驅動系統應用于油田生產控制中,該油田電潛泵的驅動電機距離位于浮式生產儲油裝置(floating production storage unit, FPS)上的變頻器15.5km,遠程控制系統面臨眾多挑戰,最終油田采用PF7000型電流源中壓變頻器解決了遠程控制問題。

      而流花16-2油田則擁有世界上最遠距離變頻器直接驅動雙電潛泵的供電系統,水下電潛泵通過長達25km的海底電纜由浮式生產儲油卸油輪(floating production storage offloading, FPSO)上的變頻器供電。這兩個油田供電方式的成功應用為我國其他海上油田遠距離變頻驅動用電設備提供了借鑒。

      水下供電系統發展趨勢

      世界范圍內海洋石油工程開發正在向全球化發展,水下供電系統也正朝著距離更遠、海域更深、功率更大、易安裝維護、監控更先進的方向發展。

      挪威國家石油公司(Equinor)是“海底工廠”這一新概念的提出者,“海底工廠”是一個集油氣水三相分離技術、水下增壓技術、處理后的原油存儲海底及產出處理后進行回注等技術于一體的“水下油氣處理廠”。

      相較于傳統的水下生產系統,“海底工廠”有4項關鍵技術的突破,分別是海底增壓系統、海底氣體壓縮系統、海底分離與產出水回注系統、海底輸配電系統。從某種意義上講,“海底工廠”可以看作是傳統的水下生產系統的技術升級版。

      挪威國家石油公司于2012年啟動了海底工廠技術研發計劃。在現有海底設施的基礎上,研發海底工廠關鍵技術,計劃2020年實現海底工廠開發。

      2013年,ABB與Equinor、Total、Chevron簽約,攜手開展聯合工業項目(JIP),開發適應3 000m水深、距離超過600km的輸配電和電力轉換系統,為大型海底泵和氣體壓縮機提供高達100MW的電力供應。項目主要研發水下變頻器、水下中壓開關柜和低壓控制及輔助系統。

      根據JIP項目的要求,在2017年底,ABB變頻器(variable frequency speed regulating device, VSD)通過了淺水試驗(shallow water testing, SWT),接下來進行了兩臺變頻器并聯運行的水下3000m的耐久測試,在2019年6月完成了項目的所有試驗,計劃2020年在實際項目中安裝使用這種水下供電系統。

      我國水下供電系統發展期望

      目前,為了解決遠距離、大功率供電問題,很多大型電氣公司都開始了關鍵電氣設備的研制工作。而我國水下供電系統研究基礎薄弱,大功率電氣設備深海工程化經驗不足,伴隨著油氣田的勘探開發向著超深水方向發展,水下供電系統研究將成為必然。因此,加快水下供電系統研究、突破深海電氣設備工程化應用的關鍵技術,對我國未來實現深海油氣田開采戰略目標有重要的意義。

      結論

      隨著我國水下生產技術的不斷發展和應用推廣,水下供電系統將成為制約水下生產技術開拓創新的重要因素之一,本文介紹了水下供電系統的四種供電方式并著重分析了其關鍵設備如水下變壓器、水下變頻器、水下開關和水下電連接器等的技術難點,闡述了未來水下供電系統的發展趨勢。

      以上研究成果發表在2021年第3期《電氣技術》,論文標題為“油氣田水下供電技術綜述”,作者為郭江艷、王雙成、王永、王善芬。