陳建玲，萬宇飛，金 秋，梁 鵬，高 陽(yáng)

[中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 天津 300452]

0 引 言

對(duì)于小型邊際油氣田，一般采用“三一模式”開發(fā)，即新建一座無人簡(jiǎn)易海洋平臺(tái)，通過鋪設(shè)一條海底管道和一條海底電纜來實(shí)現(xiàn)油田開發(fā)。若距離周邊依托平臺(tái)較遠(yuǎn)，則需鋪設(shè)海管，費(fèi)用高且經(jīng)濟(jì)效益差，故擬新建一座無人簡(jiǎn)易井口平臺(tái)，但由于產(chǎn)量低且依托距離遠(yuǎn)，鋪設(shè)海纜引電或自設(shè)電站供電均造成較大工程投資。面對(duì)此類開發(fā)項(xiàng)目，只有打破常規(guī)，采用新技術(shù)、新方法才能降低投資和提升效益。

1 項(xiàng)目背景

A油氣田擬新建的簡(jiǎn)易無人井口平臺(tái)，設(shè)3 井槽，生產(chǎn)物流通過多相流量計(jì)計(jì)量后直接接入海底管道，外輸至周邊已建平臺(tái)。為簡(jiǎn)化工藝流程配置，僅設(shè)置發(fā)球閥、化學(xué)藥劑橇、開排槽、公用儀表風(fēng)系統(tǒng)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。由于平臺(tái)設(shè)施極其簡(jiǎn)易，無大型用電設(shè)施，儀控設(shè)施的用電量小，鋪設(shè)長(zhǎng)距離電纜或自設(shè)電站為其供電顯然不經(jīng)濟(jì)。

2 優(yōu)化方案

通過優(yōu)化設(shè)備選型，分別對(duì)井口控制盤、中控系統(tǒng)、關(guān)斷閥進(jìn)行優(yōu)化選型分析，從而降低平臺(tái)用電量和縮減平臺(tái)規(guī)模。

2.1 中控系統(tǒng)

常規(guī)無人井口平臺(tái)多采用過程控制系統(tǒng)（PCS）、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）和火氣系統(tǒng)（FGS）［1］，其架構(gòu)復(fù)雜，機(jī)柜數(shù)量較多。常規(guī)采用SIL3 等級(jí)系統(tǒng)，所需控制器、電源模塊、卡件要冗余設(shè)計(jì)，因負(fù)載的耗電量相對(duì)較大，不能有效降低設(shè)備用電負(fù)荷。為了減小平臺(tái)規(guī)模，不考慮設(shè)置專用房間，需要對(duì)中控系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

相較于應(yīng)用較為廣泛的分布式控制系統(tǒng)（DCS）產(chǎn)品，可編程邏輯控制器（PLC）已經(jīng)非常成熟［2］，具有較好的通訊能力。遠(yuǎn)程測(cè)控終端（RTU）是對(duì)傳統(tǒng)PLC在遠(yuǎn)程和分布式應(yīng)用的產(chǎn)品補(bǔ)充，適用于遠(yuǎn)距離無人操作井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與控制，能夠采取無線和有線方式與中央控制系統(tǒng)信號(hào)傳輸，可用于惡劣的外部環(huán)境，適用環(huán)境溫度為-40～70 ℃，具備對(duì)外部電源失電進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回填功能。PLC和RTU可滿足無人平臺(tái)的控制需求。

控制方案推薦采用滿足SIL2 等級(jí)的RTU 或PLC，并將系統(tǒng)機(jī)柜布置于室外，能夠簡(jiǎn)化冗余配置、減少系統(tǒng)負(fù)載、降低平臺(tái)耗電量。經(jīng)計(jì)算，控制點(diǎn)數(shù)約100 點(diǎn)，耗電量約500 W。在平臺(tái)設(shè)置工程師站和操作站即可進(jìn)行監(jiān)控，采用微波系統(tǒng)進(jìn)行無線通信。

2.2 井口控制盤

常規(guī)簡(jiǎn)易無人井口平臺(tái)一般不設(shè)置儀表氣系統(tǒng)，井口控制盤采用電力驅(qū)動(dòng)，即2 套電動(dòng)液壓泵和1 套手動(dòng)液壓泵控制液壓回路，耗電量為1.2 kW，如果同時(shí)考慮關(guān)斷閥的驅(qū)動(dòng)，則耗電量為1.6 kW。

A氣田井口氣體壓力較高，可考慮采用高壓天然氣作為驅(qū)動(dòng)源，即設(shè)置2 臺(tái)氣動(dòng)液壓泵和1 臺(tái)手動(dòng)泵控制液壓回路。相比于常規(guī)儀表氣驅(qū)動(dòng)方式，天然氣不能直接泄放，需要集中收集后高處放空。在氣田正式投產(chǎn)前，采用手動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)液壓回路，開啟井上、井下安全閥；正常運(yùn)行時(shí)，天然氣氣源可從集輸管線中分離；緊急關(guān)斷工況下，可從輸氣海管中引少量氣體作為氣源。井口高壓天然氣驅(qū)動(dòng)方案打破了常規(guī)設(shè)計(jì)方式、優(yōu)化了設(shè)備用電。

2.3 關(guān)斷閥

關(guān)斷閥作為海上平臺(tái)保護(hù)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，要求性能必須可靠，平臺(tái)上常規(guī)采用液動(dòng)關(guān)斷閥，液壓源引自井口控制盤，需要增加井口盤液壓泵功率400 W。同時(shí)，需要鋪設(shè)液壓油管線至閥門，故接口較多。為了減少耗電量，創(chuàng)新采用天然氣作為儀表氣驅(qū)動(dòng)關(guān)斷閥形式，對(duì)管道直接氣驅(qū)關(guān)斷閥、自力式液壓驅(qū)動(dòng)關(guān)斷閥、氣動(dòng)關(guān)斷閥進(jìn)行比選分析。

管道直接氣驅(qū)閥門采用管道內(nèi)的天然氣作為動(dòng)力源，對(duì)管道內(nèi)介質(zhì)成本要求較高，缸體長(zhǎng)期接觸管道內(nèi)介質(zhì)，可能會(huì)造成腐蝕，需要配備專門的凈化、干燥裝備。自力式液壓驅(qū)動(dòng)閥門，通過手動(dòng)液壓系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟閥門，執(zhí)行完一次動(dòng)作后需要人工到現(xiàn)場(chǎng)重新補(bǔ)充液壓源壓力，不具備遠(yuǎn)程開閥功能。

氣動(dòng)關(guān)斷閥是一種海上常用的關(guān)斷閥，需要單獨(dú)提供儀表氣作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，此閥門反應(yīng)快速，能夠遠(yuǎn)程和就地操作，且功能完善，具備PST、FC、FO等功能，現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)管路，需設(shè)置儀表氣處理流程。綜合考慮安全性、自動(dòng)化需求，建議采用氣動(dòng)關(guān)斷閥，工藝設(shè)置天然氣處理流程作為儀表氣使用，對(duì)釋放的天然氣進(jìn)行回收。

3 供電方案

該氣田井底壓力高，實(shí)施自噴開發(fā)，且平臺(tái)無較大用電設(shè)施，故用電負(fù)荷較低，共計(jì)1.3 kW，其中霧笛導(dǎo)航系統(tǒng)0.5 kW、中控控制盤0.5 kW、微波通信0.2 kW、攝像頭0.1 kW，如選擇常規(guī)透平電站，占用平臺(tái)空間大、人員維護(hù)工作量大、經(jīng)濟(jì)性較差。為積極響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”號(hào)召降低碳排放，考慮采用低碳新能源技術(shù)作為主要研究方向，針對(duì)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電方案進(jìn)行研究。

3.1 光伏發(fā)電方案

光伏發(fā)電技術(shù)在陸地的應(yīng)用較為成熟和廣泛，其在海上平臺(tái)的應(yīng)用還處于探索階段。光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成為太陽(yáng)能板、蓄電池組、控制保護(hù)單元、低壓配電箱、電源逆變器等。太陽(yáng)能的發(fā)電效率受日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等多方面的影響。設(shè)計(jì)方案充分考慮到發(fā)電效率、天氣變化等因素，考慮設(shè)置3 d的后備電池容量。對(duì)于太陽(yáng)能板的安裝位置，需最大化減少平臺(tái)空間的占用，并盡可能提高發(fā)電效率，方案設(shè)計(jì)如下。

對(duì)耗電量1.3 kW常用額定功耗設(shè)備進(jìn)行配置，電池組若放置于防爆箱體內(nèi)，散熱問題難以解決，所以考慮設(shè)置一個(gè)撬裝房間用于布置太陽(yáng)能控制機(jī)柜、電池組、配電柜等。房間內(nèi)設(shè)備以低功耗設(shè)備選型為主，空調(diào)和風(fēng)機(jī)采用太陽(yáng)能直驅(qū)形式，撬裝小屋尺寸5 m×2.5 m×2 m，撬裝房間內(nèi)設(shè)置太陽(yáng)能直驅(qū)空調(diào)（0.38 kW）、風(fēng)機(jī)（0.20 kW），多用于夏季，太陽(yáng)能發(fā)電采用冬季（全年最短）日照時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，以保證冬季發(fā)電穩(wěn)定。經(jīng)過計(jì)算，需設(shè)置太陽(yáng)能板42 塊，單塊尺寸1.2 m×0.6 m，單塊電量330 W，單塊重量15 kg，考慮在甲板朝南側(cè)按照多層布置。

對(duì)于光伏發(fā)電方案在海上平臺(tái)的應(yīng)用，受天氣影響，太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)效按季節(jié)每天2～6 h不等，考慮到需應(yīng)對(duì)天氣變化設(shè)置的發(fā)電規(guī)模，太陽(yáng)能板數(shù)量較多，需進(jìn)行多層布置，同時(shí)還需考慮太陽(yáng)能板的朝向等因素，以提高發(fā)電效率。由于本平臺(tái)空間有限，布置難度較大，綜合以上因素考慮，光伏發(fā)電方案在海上平臺(tái)不具備良好的適用性。

3.2 風(fēng)力發(fā)電方案

作為清潔能源技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)在越來越得到廣泛應(yīng)用，海上風(fēng)力資源較好，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在海上已經(jīng)逐步得到應(yīng)用。對(duì)于無依托供電的海上平臺(tái)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用探索具有很重要的意義［3］。本項(xiàng)目針對(duì)風(fēng)力發(fā)電方案進(jìn)行設(shè)計(jì)如下。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成：風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)速和調(diào)向機(jī)構(gòu)、停車機(jī)構(gòu)、塔架及拉索、控制器、蓄電池、逆變器等。采用智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，功能包含震動(dòng)檢測(cè)、葉片健康檢測(cè)、智能潤(rùn)滑、智能解纜、抗臺(tái)風(fēng)策略、變槳無線通信、激光測(cè)風(fēng)等功能。

設(shè)計(jì)方案選擇2 kW額定功耗，在無風(fēng)狀態(tài)下，儲(chǔ)能裝置使用7 d。設(shè)備配置說明：選擇6 套400 W風(fēng)輪機(jī)布置于甲板邊緣，電池分散布置于室外，風(fēng)機(jī)智能控制；電池采用分散布置方式置于防爆箱內(nèi)；風(fēng)輪安裝高度1.68 m，重量48 kg，風(fēng)輪直徑1.5 m。

采用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電方案，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)向改變的時(shí)候無需對(duì)風(fēng)，這相對(duì)于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一大優(yōu)勢(shì)，它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，也減少了風(fēng)輪對(duì)風(fēng)時(shí)的陀螺力。發(fā)電機(jī)和變速箱可安裝在地上，易于維護(hù)和維修，而且不需要尾翼和偏航系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)槳葉，塔架設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單?？紤]將風(fēng)機(jī)布置在平臺(tái)邊緣通風(fēng)處，安裝需滿足風(fēng)機(jī)工作高度要求，電池分組布置在室外，如圖1 所示。

圖1 風(fēng)機(jī)及電池布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind turbine and battery layout

風(fēng)力發(fā)電方案應(yīng)用分析：設(shè)備布置占地面積較光伏發(fā)電小，海上風(fēng)力資源較好，發(fā)電時(shí)效較長(zhǎng)，技術(shù)應(yīng)用較為成熟，故風(fēng)力發(fā)電方案更優(yōu)。

4 結(jié)論與建議

對(duì)于小型邊際氣田的開發(fā)，要打破常規(guī)設(shè)計(jì)思路、創(chuàng)新技術(shù)，從而推動(dòng)降本增效。通過各專業(yè)優(yōu)化方案，降低了平臺(tái)設(shè)備耗電量，創(chuàng)新了供電形式，探索了采用新能源風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電方案，較新建電站或依托平臺(tái)供電費(fèi)用大幅減少，整體簡(jiǎn)化了平臺(tái)設(shè)計(jì)，降低了工程投資，提升了開發(fā)效益，為后續(xù)小型邊際油氣田開發(fā)提供了很好的借鑒意義?！?/p>