郭江艷 王雙成 王 永 王善芬

（1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2. 青島海洋工程水下設(shè)備檢測(cè)有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

近幾十年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源需求越來(lái)越大，能源供需矛盾日益突出，海洋石油已成為我國(guó)石油工業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，為了緩解能源供需矛盾，維護(hù)我國(guó)的海洋主權(quán)和權(quán)益，加快開發(fā)我國(guó)深水油氣資源已成為國(guó)家戰(zhàn)略需求[1]。

隨著海上深水油氣田開發(fā)水深的不斷增加，水下生產(chǎn)系統(tǒng)得到各大石油公司的廣泛關(guān)注。水下供電系統(tǒng)是油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，為深海遠(yuǎn)距離水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供必需的電力輸送和變換[2]。

1 水下供電系統(tǒng)組成及分類

水下供電系統(tǒng)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(guān)、用電設(shè)備等[3]，水下供電系統(tǒng)如圖1所示。

水下供電系統(tǒng)與供電距離密切相關(guān)，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(dòng)力供電系統(tǒng)，如圖2所示，其優(yōu)點(diǎn)突出，具有成本低、水下設(shè)備少、配套設(shè)備成熟可靠的特點(diǎn)，但其受制于中壓變頻器輸出電壓等級(jí)、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。

圖1 水下供電系統(tǒng)

圖2 直接供電系統(tǒng)

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(guī)供電距離內(nèi)、供電負(fù)荷功率較大的動(dòng)力供電系統(tǒng)[4]，如圖 3所示，此種供電方式在水下增設(shè)降壓變壓器，其供電距離較長(zhǎng)、供電功率較大，但此種供電方式在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)易發(fā)生諧振，因而降低了電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力，影響供電質(zhì)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(shù)的發(fā)展，其成熟產(chǎn)品逐漸應(yīng)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(tǒng)可選擇的供電方式越來(lái)越多。

圖3 水下變壓器供電系統(tǒng)

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(yōu)勢(shì)在于將變頻器放置在水下距離電動(dòng)機(jī)較近的地方、以最優(yōu)性能驅(qū)動(dòng)變頻器[5]，但是此種供電方式將變壓器、變頻器、開關(guān)都放置于水下，如圖 4所示，風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難度都較高，目前暫無(wú)實(shí)際投產(chǎn)項(xiàng)目。

圖4 水下交流供電系統(tǒng)

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(wú)法滿足生產(chǎn)要求的系統(tǒng)[6]，其較交流輸電方式最大的優(yōu)勢(shì)在于線路損耗小、無(wú)趨膚效應(yīng)、海纜成本低。目前該方案尚在概念階段，無(wú)實(shí)際投產(chǎn)項(xiàng)目。

2 水下供電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)

伴隨著深水油氣田集約式發(fā)展，供電系統(tǒng)也由原來(lái)的短距離向長(zhǎng)距離發(fā)展。目前，不僅長(zhǎng)距離輸配電技術(shù)制約著國(guó)內(nèi)外深水油氣田的開發(fā)，而且變頻器高頻分量引起的電機(jī)端過(guò)電壓、線路功率損耗和壓降增大及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等負(fù)載的能力降低等都是遠(yuǎn)距離水下供電技術(shù)存在的問(wèn)題。另外，水下供電系統(tǒng)還面臨著水深約3 000m、壓力4 300lbf/in2（1lbf/in2=6.894 76kPa）的海底環(huán)境的挑戰(zhàn)，在這樣惡劣的條件下，所有的電氣元件和設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)并能承受高壓，且海水是導(dǎo)體并具有腐蝕性，因此電氣設(shè)備和海水間必須有絕緣隔離。由于設(shè)備位于水下3 000m深處，一旦發(fā)生故障，將設(shè)備帶到平臺(tái)維修代價(jià)昂貴且生產(chǎn)中斷時(shí)間長(zhǎng)，因此設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格高于20年，這意味著平均故障間隔時(shí)間應(yīng)大于20年。

2.1 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(bǔ)償裝置、干/濕插拔水下電連接器、綜合監(jiān)測(cè)裝置、底座，通常應(yīng)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(yùn)輸和安裝方面存在困難。另外水下變壓器長(zhǎng)期承受海水施加的高壓，其采用內(nèi)部充油的形式，利用壓力補(bǔ)償裝置補(bǔ)償殼內(nèi)外的壓力差，同時(shí)提供絕緣空間隔離內(nèi)部電氣元件，保證正常運(yùn)行。較陸上變壓器而言，壓力補(bǔ)償技術(shù)是水下變壓器首要解決的技術(shù)問(wèn)題之一[7]。

圖5 水下變壓器

2.2 水下變頻器

水下變頻器主要用于驅(qū)動(dòng)水下用電設(shè)備，其較陸上變頻器的主要技術(shù)難點(diǎn)在于深海耐壓、密封等問(wèn)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(dǎo)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)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(jìn)的耐壓封裝技術(shù)用來(lái)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(chǎn)品，如圖6所示。

2.3 水下開關(guān)

水下開關(guān)主要功能是當(dāng)線路和設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，水下開關(guān)可迅速將故障設(shè)備從水下供電系統(tǒng)中切除[8]。水下開關(guān)設(shè)備通常將陸地用電氣開關(guān)置于壓力容器內(nèi)，SF6氣體用作絕緣介質(zhì)，如圖7所示。在水下應(yīng)用中，可靠性（平均無(wú)故障時(shí)間超過(guò)20年）是水下開關(guān)主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖6 水下變頻器

圖7 水下開關(guān)

2.4 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(wěn)定性、高沖擊強(qiáng)度、低收縮率、低吸水率、高抗壓強(qiáng)度和不燃性等。市場(chǎng)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(diǎn)見表3。

圖8 西門子水下電連接器

表3 各類水下電連接器的主要特點(diǎn)

3 水下供電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外水下供電系統(tǒng)已有長(zhǎng)達(dá)30年的技術(shù)積累，ABB、SIEMENS、GE等公司具備了水下供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及成套設(shè)備供貨的能力。ABB公司早在 1984年就開啟了水下電氣設(shè)備的可行性研究[9]，2007年為Ormen Lange氣田生產(chǎn)的最大容量20MV·A變壓器可應(yīng)用于水下1 000m的環(huán)境。同時(shí)，ABB能夠生產(chǎn)水下變頻器等關(guān)鍵設(shè)備，已為全球多個(gè)油氣田完成水下供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和供貨。SIEMENS經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)積累，已基本具備了水下供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及水下變壓器、水下開關(guān)、水下電連接器、水下變頻器等設(shè)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(wú)諧波變頻器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)。GE旗下Vetcogray公司具備水下供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力及電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，其生產(chǎn)的 36kV/500A濕式電連接器、12kV/3.5MV·A的水下變頻器可用于2 000m深水環(huán)境。

目前我國(guó)遠(yuǎn)距離變頻供電技術(shù)在水下供電系統(tǒng)中得到了應(yīng)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(fā)在國(guó)內(nèi)首次成功將遠(yuǎn)距離中壓變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于油田生產(chǎn)控制中，該油田電潛泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)距離位于浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（floating production storage unit, FPS）上的變頻器15.5km，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)面臨眾多挑戰(zhàn)，最終油田采用 PF7000型電流源中壓變頻器解決了遠(yuǎn)程控制問(wèn)題。而流花16-2油田則擁有世界上最遠(yuǎn)距離變頻器直接驅(qū)動(dòng)雙電潛泵的供電系統(tǒng)，水下電潛泵通過(guò)長(zhǎng)達(dá) 25km的海底電纜由浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油輪（floating production storage offloading, FPSO）上的變頻器供電。這兩個(gè)油田供電方式的成功應(yīng)用為我國(guó)其他海上油田遠(yuǎn)距離變頻驅(qū)動(dòng)用電設(shè)備提供了借鑒。

4 水下供電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

世界范圍內(nèi)海洋石油工程開發(fā)正在向全球化發(fā)展，水下供電系統(tǒng)也正朝著距離更遠(yuǎn)、海域更深、功率更大、易安裝維護(hù)、監(jiān)控更先進(jìn)的方向發(fā)展。

挪威國(guó)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(gè)集油氣水三相分離技術(shù)、水下增壓技術(shù)、處理后的原油存儲(chǔ)海底及產(chǎn)出處理后進(jìn)行回注等技術(shù)于一體的“水下油氣處理廠”。相較于傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)，“海底工廠”有4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，分別是海底增壓系統(tǒng)、海底氣體壓縮系統(tǒng)、海底分離與產(chǎn)出水回注系統(tǒng)、海底輸配電系統(tǒng)。從某種意義上講，“海底工廠”可以看作是傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)版。

挪威國(guó)家石油公司于 2012年啟動(dòng)了海底工廠技術(shù)研發(fā)計(jì)劃。在現(xiàn)有海底設(shè)施的基礎(chǔ)上，研發(fā)海底工廠關(guān)鍵技術(shù)，計(jì)劃2020年實(shí)現(xiàn)海底工廠開發(fā)。

2013年，ABB與 Equinor、Total、Chevron簽約，攜手開展聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目（JIP），開發(fā)適應(yīng)3 000m水深、距離超過(guò)600km的輸配電和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，為大型海底泵和氣體壓縮機(jī)提供高達(dá) 100MW 的電力供應(yīng)。項(xiàng)目主要研發(fā)水下變頻器、水下中壓開關(guān)柜和低壓控制及輔助系統(tǒng)。

根據(jù)JIP項(xiàng)目的要求，在2017年底，ABB變頻器（variable frequency speed regulating device, VSD）通過(guò)了淺水試驗(yàn)（shallow water testing, SWT），接下來(lái)進(jìn)行了兩臺(tái)變頻器并聯(lián)運(yùn)行的水下3 000m的耐久測(cè)試，在2019年6月完成了項(xiàng)目的所有試驗(yàn)，計(jì)劃2020年在實(shí)際項(xiàng)目中安裝使用這種水下供電系統(tǒng)。

5 我國(guó)水下供電系統(tǒng)發(fā)展期望

目前，為了解決遠(yuǎn)距離、大功率供電問(wèn)題，很多大型電氣公司都開始了關(guān)鍵電氣設(shè)備的研制工作。而我國(guó)水下供電系統(tǒng)研究基礎(chǔ)薄弱，大功率電氣設(shè)備深海工程化經(jīng)驗(yàn)不足，伴隨著油氣田的勘探開發(fā)向著超深水方向發(fā)展，水下供電系統(tǒng)研究將成為必然。因此，加快水下供電系統(tǒng)研究、突破深海電氣設(shè)備工程化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)我國(guó)未來(lái)實(shí)現(xiàn)深海油氣田開采戰(zhàn)略目標(biāo)有重要的意義。

6 結(jié)論

隨著我國(guó)水下生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用推廣，水下供電系統(tǒng)將成為制約水下生產(chǎn)技術(shù)開拓創(chuàng)新的重要因素之一，本文介紹了水下供電系統(tǒng)的四種供電方式并著重分析了其關(guān)鍵設(shè)備如水下變壓器、水下變頻器、水下開關(guān)和水下電連接器等的技術(shù)難點(diǎn)，闡述了未來(lái)水下供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。