邱銀鋒 李 強(qiáng) 萬光芬 魏 澈

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028 )

目前全球海洋石油產(chǎn)量已占石油總產(chǎn)量的1/3。近10年來發(fā)現(xiàn)的超億噸級(jí)大型油氣田中有40%左右都在深水，全球海洋油氣年產(chǎn)能力超過10億噸，其中深水已超過2億噸。新發(fā)現(xiàn)的深水油氣田的平均儲(chǔ)量規(guī)模達(dá)到1.6億桶，是陸地上的8倍，再次證明了深水是未來發(fā)現(xiàn)大型油氣田可能性最大的領(lǐng)域[1-2]。由于深水油氣田開發(fā)技術(shù)難度大，投資往往是陸地同規(guī)模油田的數(shù)倍。近年來為了降低深水油氣田開發(fā)成本，通過水下油氣田井口長距離回接開發(fā)技術(shù)，利用現(xiàn)有海上油田生產(chǎn)處理設(shè)施(固定平臺(tái)、浮式裝置、陸地終端)的開發(fā)方案越來越受到國際石油公司的關(guān)注。同時(shí)為了提高油氣藏采收率和項(xiàng)目收益，在深水長距離回接開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)上，近年又發(fā)展出了水下分離、水下壓縮和水下增壓等一系列水下生產(chǎn)新技術(shù)，而且通過這些新技術(shù)的應(yīng)用，能夠降低井口壓力，延長油氣田的生產(chǎn)壽命，而這些新技術(shù)中所用的大功率水下設(shè)備如水下電潛泵、水下增壓泵、水下注水泵、水下壓縮機(jī)等的正常運(yùn)行都離不開深水長距離大功率供電。

從1996年世界上第1個(gè)水下井口電潛泵項(xiàng)目——南海流花11-1油田項(xiàng)目開始，水下大功率供電技術(shù)獲得了越來越多的應(yīng)用。根據(jù)國外石油工程公司不完全統(tǒng)計(jì)，截至2013年，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和已經(jīng)投產(chǎn)的水下分離、水下增壓和壓縮項(xiàng)目就達(dá)到50余個(gè)。深水大功率供電方案也隨著供電距離、供電功率的增長得到了不斷發(fā)展[3-6]。目前比較成熟且有大量成功應(yīng)用案例的深水長距離大功率供電方案主要有變頻器直接驅(qū)動(dòng)方案和水下變壓器方案。水下高壓交流配電技術(shù)由于相應(yīng)的水下輸配電設(shè)備尚在不斷研制完善中，目前還沒有成功商業(yè)應(yīng)用案例，而水下直流輸配電技術(shù)等深水長距離大功率供電方案也在不斷涌現(xiàn)，但目前國內(nèi)缺少對(duì)深水長距離供電技術(shù)方案的系統(tǒng)論述。本文對(duì)深水長距離大功率供電技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用案例、發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及其適應(yīng)性等方面開展了綜述分析，同時(shí)對(duì)該技術(shù)的發(fā)展方向及水下電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)制定工作進(jìn)展進(jìn)行了介紹，以期為更好地將深水長距離大功率供電技術(shù)應(yīng)用于我國深水油氣田開發(fā)以及推進(jìn)水下電氣設(shè)備的國產(chǎn)化提供參考。

1 變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案

1.1 方案原理

水下電潛泵和水下增壓泵等大功率水下生產(chǎn)設(shè)備由于起動(dòng)和調(diào)速需要，一般都會(huì)配置一對(duì)一的變頻調(diào)速裝置。通常情況下，為了避免長距離驅(qū)動(dòng)變頻器輸出諧波、共模電壓和波反射等問題，陸地或海上固定平臺(tái)大功率用電設(shè)備的安放會(huì)盡可能地靠近其變頻調(diào)速裝置，兩者之間的距離一般為幾米到幾十米不等。而在深水油氣田回接開發(fā)方案中，水下大功率用電設(shè)備與其依托設(shè)施的距離長達(dá)幾千米甚至上百千米。在變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案中，大功率水下設(shè)備所配置的變頻器布置在水下生產(chǎn)系統(tǒng)長距離回所接依托的固定平臺(tái)或者浮式裝置的上部組塊電氣房間內(nèi)，然后通過長距離海底電纜和濕式電接頭直接給水下的大功率設(shè)備供電。圖1為變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案電氣原理圖。

1.2 適用范圍及關(guān)鍵技術(shù)

變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案主要用來給水下井口電潛泵、注水泵和水下增壓泵等水下生產(chǎn)系統(tǒng)大功率設(shè)備供電。目前該方案在國內(nèi)外深水油田開發(fā)中已獲得了大量應(yīng)用(表1)。在國內(nèi)，利用該技術(shù)相繼開發(fā)了流花11-1、陸豐22-1[1，3]、流花4-1[7]等多個(gè)深水油田，并取得了良好的應(yīng)用效果。正在施工過程中的流花16-2項(xiàng)目,通過布置在FPSO上部組塊的電潛泵變頻器，直接驅(qū)動(dòng)流花16-2、流花20-2和流花21-2等3個(gè)油田26臺(tái)水下電潛泵[8]。該項(xiàng)目中，水下電潛泵和驅(qū)動(dòng)變頻器之間的距離最遠(yuǎn)超過了27 km，是目前世界上水下電潛泵直接變頻驅(qū)動(dòng)的最長距離案例。

變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案由于其供電系統(tǒng)簡單，無需水下電氣設(shè)備，因此供電可靠性高，投資相對(duì)較低，是目前水下長距離大功率供電的首選方案。但由于受上部變頻器輸出電壓和水下用電設(shè)備輸入電壓的限制，在中遠(yuǎn)距離大功率供電方案中無法滿足要求。一般認(rèn)為變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案適用的距離不超過30 km，單個(gè)負(fù)載功率不超過500 kW。變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案的關(guān)鍵是解決變頻器輸出電壓中的諧波和電壓變化率[8]，目前在其輸出端加裝濾波器是主流的解決方案。濾波器的設(shè)計(jì)需要根據(jù)供電距離、變頻器的載波頻率和海纜等參數(shù)進(jìn)行綜合考慮后確定。

表1 變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案國內(nèi)外應(yīng)用案例Table 1 Application cases of VFD long distance direct driving

2 水下變壓器方案

2.1 方案原理

變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案中，隨著直接驅(qū)動(dòng)距離增長和驅(qū)動(dòng)功率的增加，系統(tǒng)電壓損失和電能損耗將越來越大。解決的方案主要有2種。方案一是增加輸電海纜直徑。但是增加海纜截面一方面會(huì)導(dǎo)致成本劇增，另一方面由于海纜的集膚效應(yīng)和容性效應(yīng)，截面增加帶來的效果將越來越有限，因此海纜截面不可能無限增加。方案二是提高變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出電壓。但目前驅(qū)動(dòng)變頻器輸出的最高電壓等級(jí)在10 kV左右，而水下生產(chǎn)系統(tǒng)用電設(shè)備的電壓等級(jí)一般不超過6.6 kV。隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)回接距離越來越長，水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備功率越來越大，變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案應(yīng)用將越來越受到局限。為解決此問題，水下變壓器方案隨即產(chǎn)生。即在變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案的基礎(chǔ)上，分別在水上變頻器輸出端增加水上升壓變壓器，同時(shí)在水下生產(chǎn)系統(tǒng)用電設(shè)備輸入端增加水下降壓變壓器(圖2)。水下變壓器方案可以通過提升海纜供電電壓來解決因供電距離太長或功率較大導(dǎo)致電壓和損耗過大的問題，同時(shí)減小海纜截面。

圖2 水下變壓器方案電氣原理圖Fig .2 Electrical schematic of subsea transformer plan

2.2 適用范圍及關(guān)鍵技術(shù)

水下變壓器方案從2000年實(shí)現(xiàn)第1個(gè)商業(yè)應(yīng)用開始，目前已在國外海上油田獲得了大量應(yīng)用。目前能夠生產(chǎn)水下變壓器成熟商業(yè)產(chǎn)品的只有ABB和西門子2家公司，但只有ABB的獲得了大規(guī)模應(yīng)用。表2為ABB公司的部分水下變壓器應(yīng)用案例。水下變壓器方面，目前國內(nèi)尚未有相應(yīng)的應(yīng)用案例。

表2 ABB公司水下變壓器部分應(yīng)用案例Table 2 Application cases of ABB subsea transformer

由于水下變壓器制造工藝難度大，只有極少數(shù)廠家具備相關(guān)制造技術(shù)，價(jià)格相對(duì)昂貴，因此較適用于只有少量水下用電設(shè)備的水下增壓泵、水下壓縮機(jī)等方案的長距離大功率供電，而在具有較多用電設(shè)備的水下電潛泵供電方案中經(jīng)濟(jì)性較差。一般認(rèn)為水下變壓器方案的供電電壓等級(jí)不超過35 kV，供電距離不超50 km。水下變壓器作為本方案中的核心關(guān)鍵設(shè)備，其難點(diǎn)主要在于解決其在免維護(hù)情況下的長期穩(wěn)定運(yùn)行，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有變壓器外殼的密封和防腐技術(shù)、壓力補(bǔ)償技術(shù)和散熱技術(shù)。

由于水下增壓和水下壓縮機(jī)方案是未來一個(gè)重要的發(fā)展方向，因此打破少數(shù)廠家水下變壓器的壟斷，降低方案成本是十分必要的。目前國內(nèi)的中海油研究總院與中船重工719所正在開展水下變壓器的科技攻關(guān)，現(xiàn)階段已完成了工程樣機(jī)的研發(fā)(圖3)。該樣機(jī)額定容量為800 kV·A，輸入電壓為10 kV，輸出電壓為3.3 kV，輸入高壓部分采用干式高壓電連接器，輸出部分采用濕式高壓電連接器，變壓器外殼采用耐腐蝕的鈦合金材質(zhì)。

圖3 中海油研究總院與中船重工719所研制的水下變壓器工程樣機(jī)Fig .3 Engineering prototype of subsea transformer developed by CNOOC RI and CSIC 719 RI

3 水下交流輸配電方案

3.1 方案原理

隨著回接距離的進(jìn)一步增加以及深水油氣田“水下工廠”開發(fā)方案的提出，已有的變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案和水下變壓器方案都受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。主要原因是在“水下工廠”開發(fā)方案中，水下負(fù)荷數(shù)量越來越多，負(fù)荷越來越大，需求的電壓等級(jí)各異，已有的變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案和水下變壓器方案由于供電距離長，用電設(shè)備數(shù)量太多，采用這2種方案需要大量的輸電海纜和水下變壓器，成本將變得難以接受，方案也就不再適用。此種情況下，水下交流輸配電方案應(yīng)運(yùn)而生。在水下交流輸配電方案中，海上石油開采過程中所需的電力直接由陸地電網(wǎng)通過高壓海底電纜進(jìn)行長距離輸送；同時(shí)，通常布置于海上石油平臺(tái)的交流輸配電的設(shè)備如斷路器、變壓器、變頻器、UPS等在此方案中也將全部布置于水下。圖4為水下交流輸配電方案電氣原理圖。

圖4 水下交流輸配電方案電氣原理圖Fig .4 Electrical schematic of subsea power AC transmission and distribution

目前ABB、西門子等設(shè)備廠家聯(lián)合Staoil、Shell等石油公司通過JIP(Joint Industry Project)都在積極開展水下交流輸配電設(shè)備的研制和工程樣機(jī)的試驗(yàn)，爭取早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。圖5為ABB公司的水下變頻器以及西門子公司的水下變壓器和斷路器[13]。

3.2 適用范圍及關(guān)鍵技術(shù)

水下交流輸配電方案能夠?qū)崿F(xiàn)超過100 km和100 MW級(jí)的大功率長距離供電，因此可在不建造海上固定平臺(tái)或浮式裝置的情況下實(shí)現(xiàn)深水石油的開采。同時(shí)此方案中，水下增壓泵、水下濕氣壓縮機(jī)等設(shè)備全部布置于水下井口附近，較大程度地避免惡劣的海洋環(huán)境如臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣對(duì)海上石油開采的影響，能夠提高地下油藏采收率和能源利用率，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。但是如何通過設(shè)計(jì)和制造實(shí)現(xiàn)斷路器、變頻器、UPS等水下電氣設(shè)備在免維護(hù)情況的長期穩(wěn)定工作是目前尚未完全攻克的難題。鑒于此方案的巨大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和應(yīng)用前景，建議國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和水下設(shè)備生產(chǎn)廠家聯(lián)合開展斷路器、變頻器、UPS、電機(jī)等水下電氣設(shè)備的科技攻關(guān)，早日突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，在國際上實(shí)現(xiàn)水下交流輸配電方案應(yīng)用的“彎道超車”。

圖5 水下交流輸配電設(shè)備Fig .5 Subsea AC transmission and distribution equipment

4 深水長距離大功率供電技術(shù)探索方案

針對(duì)當(dāng)前深水長距離大功率供電方案存在的缺陷，行業(yè)內(nèi)部分公司和研究人員提出了一些改進(jìn)的深水長距離大功率供電方案，但目前這些方案尚處于設(shè)想探索階段，離商業(yè)化應(yīng)用還存在一定的距離。

4.1 水下高壓交流電機(jī)方案

針對(duì)變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案供電距離和功率受限，而水下變壓器方案成本高、經(jīng)濟(jì)性較差的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[14]提出了一種水下高壓交流電機(jī)方案。即在變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案中，在其上部組塊變頻器輸出側(cè)增加升壓變壓器，同時(shí)將常規(guī)水下泵或壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓從6.6 kV提升至13.6 kV，從而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離和更大功率的驅(qū)動(dòng)，提高變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案的適應(yīng)性。

由于目前13.8 kV電機(jī)已在陸地工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟，且此方案能夠在不增加水下變壓器的情況下，提高變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案的供電功率和供電距離，因此該方案具有很小的風(fēng)險(xiǎn)和很好的應(yīng)用前景。鑒于目前深水水下電機(jī)主要由國外廠家供貨，建議國內(nèi)相關(guān)行業(yè)人員加大與國外供貨廠家在水下高壓交流電機(jī)需求方面的溝通，引導(dǎo)廠家進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品序列的研發(fā)；同時(shí)開展水下高壓電機(jī)的國產(chǎn)化研發(fā)，以便在未來合適的項(xiàng)目中可進(jìn)行選型應(yīng)用。

4.2 水下直流電機(jī)方案

同樣針對(duì)變頻器長距離直接驅(qū)動(dòng)方案供電距離和功率受限的問題，而水下變壓器方案成本高、經(jīng)濟(jì)性較差的缺點(diǎn)，有學(xué)者提出采用水下直流電機(jī)方案[15]。即水下泵和水下壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流電機(jī)而非常規(guī)的交流電機(jī)。這樣可以采用較低的輸送電壓，同時(shí)避免交流輸送過程中長距離海底電纜的容性效應(yīng)和電壓損失。

但是目前大功率直流電機(jī)相對(duì)交流電機(jī)可靠性較低(有刷直流電機(jī)電刷容易磨損出現(xiàn)故障，無刷直流電機(jī)需采用電力電子設(shè)備進(jìn)行換向)，維護(hù)工作量大，且缺乏MW級(jí)的大功率產(chǎn)品。因此直流電機(jī)在本身技術(shù)沒有大的突破的情況下，在需要長期免維護(hù)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，目前還具有較大的局限性。

4.3 水下低頻交流輸配電方案

Aker Solutions公司針長距離海底電纜的容性效應(yīng)，導(dǎo)致在超遠(yuǎn)距離輸送應(yīng)用中受限的問題，提出了一種低頻水下交流輸配電方案[16]。該方案通過上部組塊的變頻器將常規(guī)的50/60 Hz頻率電源降低至16.7 Hz頻率電源；同時(shí)在海底增加一套永磁電動(dòng)機(jī)-永磁發(fā)電機(jī)的頻率轉(zhuǎn)換裝置，在水下將16.7 Hz電源恢復(fù)到正常50/60 Hz頻率電源，以降低交流長距離輸送過程中海纜容性效應(yīng)，從而提升輸送距離。

本方案通過低頻交流技術(shù)來提高送電距離，相對(duì)水下變壓器方案雖然節(jié)省了水下變壓器，但是同時(shí)需要在水下增加1套永磁電動(dòng)機(jī)-永磁發(fā)電機(jī)的頻率轉(zhuǎn)換裝置。目前轉(zhuǎn)換裝置缺乏成熟的商業(yè)產(chǎn)品，因此相對(duì)水下變壓器方案成本更高，且可靠性相對(duì)較低，因此離實(shí)際應(yīng)用尚有較大距離。

4.4 水下直流輸配電方案

針對(duì)水下交流輸配電方案中由于長距離海底電纜的容性效應(yīng)導(dǎo)致在超遠(yuǎn)距離輸送應(yīng)用中受限的問題，提出了水下直流輸配電方案，將陸地的直流輸配電系統(tǒng)應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)電力供應(yīng)中。

由于直流輸配電系統(tǒng)中需要采用大量的電力電子設(shè)備進(jìn)行電能變換，且相對(duì)于交流配電系統(tǒng)缺乏成熟可靠的低成本的直流斷路器，且目前在陸地配電網(wǎng)尚未獲得大規(guī)模應(yīng)用，因此要將直流輸配電系統(tǒng)應(yīng)用于水下輸配電則更加任重而道遠(yuǎn)。因此建議對(duì)陸上直流配電技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行跟蹤，在水下高壓交流輸配電設(shè)備取得成功應(yīng)用后再進(jìn)行水下直流設(shè)備的研發(fā)。

5 水下輸配電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化

針對(duì)水下輸配電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的日益廣泛，2010年Statoil、Shell、Total、Petrobras、Chevron、ExxonMobil及Woodside等七大國際石油公司成立了水下電力標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目(Subsea Electrical Power Standardisation Joint Industry Project，SEPS JIP)，該項(xiàng)目旨在通過成員公司的共同努力并分享各自在水下輸配電技術(shù)方面積累的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)實(shí)踐，為水下輸配電技術(shù)中的關(guān)鍵部件制定國際標(biāo)準(zhǔn)，減少重復(fù)的工程工作，降低深水油田開發(fā)的成本。

SEPS JIP于2014年發(fā)布了首個(gè)水下電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)《SEPS SP-1001 Power connectors,penetrators and jumper assemblies with rated voltage from 3 kV (Umax = 3.6 kV)to 30 kV (Umax = 36 kV)》，并于2016年發(fā)布了第2個(gè)水下電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)《SEPS SP-1002 Subsea power transformers》。目前SEPS JIP正在致力于第3個(gè)水下電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)《SEPS SP-1003 Subsea electrical motors》的發(fā)布。在SEPS JIP工作的基礎(chǔ)上，國際電工委員會(huì)(IEC)和美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)中相應(yīng)的水下電氣委員會(huì)，正在推動(dòng)將其成果推廣成各自的國際標(biāo)準(zhǔn)。表3為IEC和IEEE水下電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃。

表3 IEEE/IEC水下電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)制訂計(jì)劃Table 3 Development plan for subsea electrical equipment standard of IEEE/IEC

注：IEEE/IEC-61886.X代表目前還沒有確定具體的序號(hào)。

目前國內(nèi)尚未有水下電氣設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建議國內(nèi)相關(guān)行業(yè)從業(yè)人員緊跟國外相關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的編制與發(fā)布工作，從而為國內(nèi)研發(fā)水下電氣設(shè)備提供參考。在條件成熟的情況下，編制國內(nèi)的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)乃至國家標(biāo)準(zhǔn)，從而促進(jìn)國內(nèi)水下電氣設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展。

6 結(jié)束語

深水長距離大功率供電技術(shù)是深水油氣田長距離回接開發(fā)方案及水下泵和水下增壓技術(shù)順利實(shí)施的關(guān)鍵因素，而水下輸配電設(shè)備的研發(fā)則是深水長距離大功率供電技術(shù)順利實(shí)施的重中之重。因此，建議國內(nèi)行業(yè)從業(yè)人員緊跟深水長距離大功率供電技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，加大對(duì)水下變壓器、水下電連接器和水下配電柜等水下輸配電“卡脖子”設(shè)備的研發(fā)力度，早日實(shí)現(xiàn)設(shè)備的國產(chǎn)化，助力我國南海深水油氣田經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。