陳建玲，萬宇飛，金 秋，梁 鵬，高 陽

[中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300452]

0 引 言

對于小型邊際油氣田，一般采用“三一模式”開發(fā)，即新建一座無人簡易海洋平臺，通過鋪設(shè)一條海底管道和一條海底電纜來實現(xiàn)油田開發(fā)。若距離周邊依托平臺較遠，則需鋪設(shè)海管，費用高且經(jīng)濟效益差，故擬新建一座無人簡易井口平臺，但由于產(chǎn)量低且依托距離遠，鋪設(shè)海纜引電或自設(shè)電站供電均造成較大工程投資。面對此類開發(fā)項目，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 項目背景

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

2 優(yōu)化方案

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

2.1 中控系統(tǒng)

常規(guī)無人井口平臺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，機柜數(shù)量較多。常規(guī)采用SIL3 等級系統(tǒng)，所需控制器、電源模塊、卡件要冗余設(shè)計，因負載的耗電量相對較大，不能有效降低設(shè)備用電負荷。為了減小平臺規(guī)模，不考慮設(shè)置專用房間，需要對中控系統(tǒng)進行簡化設(shè)計。

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。遠程測控終端（RTU）是對傳統(tǒng)PLC在遠程和分布式應(yīng)用的產(chǎn)品補充，適用于遠距離無人操作井場數(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 ℃，具備對外部電源失電進行數(shù)據(jù)存儲、回填功能。PLC和RTU可滿足無人平臺的控制需求。

控制方案推薦采用滿足SIL2 等級的RTU 或PLC，并將系統(tǒng)機柜布置于室外，能夠簡化冗余配置、減少系統(tǒng)負載、降低平臺耗電量。經(jīng)計算，控制點數(shù)約100 點，耗電量約500 W。在平臺設(shè)置工程師站和操作站即可進行監(jiān)控，采用微波系統(tǒng)進行無線通信。

2.2 井口控制盤

常規(guī)簡易無人井口平臺一般不設(shè)置儀表氣系統(tǒng)，井口控制盤采用電力驅(qū)動，即2 套電動液壓泵和1 套手動液壓泵控制液壓回路，耗電量為1.2 kW，如果同時考慮關(guān)斷閥的驅(qū)動，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)動源，即設(shè)置2 臺氣動液壓泵和1 臺手動泵控制液壓回路。相比于常規(guī)儀表氣驅(qū)動方式，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，采用手動泵驅(qū)動液壓回路，開啟井上、井下安全閥；正常運行時，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)動方案打破了常規(guī)設(shè)計方式、優(yōu)化了設(shè)備用電。

2.3 關(guān)斷閥

關(guān)斷閥作為海上平臺保護安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，要求性能必須可靠，平臺上常規(guī)采用液動關(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，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)動關(guān)斷閥形式，對管道直接氣驅(qū)關(guān)斷閥、自力式液壓驅(qū)動關(guān)斷閥、氣動關(guān)斷閥進行比選分析。

管道直接氣驅(qū)閥門采用管道內(nèi)的天然氣作為動力源，對管道內(nèi)介質(zhì)成本要求較高，缸體長期接觸管道內(nèi)介質(zhì)，可能會造成腐蝕，需要配備專門的凈化、干燥裝備。自力式液壓驅(qū)動閥門，通過手動液壓系統(tǒng)來驅(qū)動液動執(zhí)行機構(gòu)開啟閥門，執(zhí)行完一次動作后需要人工到現(xiàn)場重新補充液壓源壓力，不具備遠程開閥功能。

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

3 供電方案

該氣田井底壓力高，實施自噴開發(fā)，且平臺無較大用電設(shè)施，故用電負荷較低，共計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，占用平臺空間大、人員維護工作量大、經(jīng)濟性較差。為積極響應(yīng)國家“碳達峰、碳中和”號召降低碳排放，考慮采用低碳新能源技術(shù)作為主要研究方向，針對光伏發(fā)電和風力發(fā)電方案進行研究。

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)成為太陽能板、蓄電池組、控制保護單元、低壓配電箱、電源逆變器等。太陽能的發(fā)電效率受日照強度、環(huán)境溫度等多方面的影響。設(shè)計方案充分考慮到發(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。對于太陽能板的安裝位置，需最大化減少平臺空間的占用，并盡可能提高發(fā)電效率，方案設(shè)計如下。

對耗電量1.3 kW常用額定功耗設(shè)備進行配置，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)置一個撬裝房間用于布置太陽能控制機柜、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)和風機采用太陽能直驅(qū)形式，撬裝小屋尺寸5 m×2.5 m×2 m，撬裝房間內(nèi)設(shè)置太陽能直驅(qū)空調(diào)（0.38 kW）、風機（0.20 kW），多用于夏季，太陽能發(fā)電采用冬季（全年最短）日照時間進行計算，以保證冬季發(fā)電穩(wěn)定。經(jīng)過計算，需設(shè)置太陽能板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。

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

3.2 風力發(fā)電方案

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

風力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成：風輪、發(fā)電機、調(diào)速和調(diào)向機構(gòu)、停車機構(gòu)、塔架及拉索、控制器、蓄電池、逆變器等。采用智能風機控制系統(tǒng)，功能包含震動檢測、葉片健康檢測、智能潤滑、智能解纜、抗臺風策略、變槳無線通信、激光測風等功能。

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

采用垂直軸風力發(fā)電機作為風力發(fā)電方案，垂直軸風力發(fā)電機在風向改變的時候無需對風，這相對于水平軸風力發(fā)電機是一大優(yōu)勢，它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化，也減少了風輪對風時的陀螺力。發(fā)電機和變速箱可安裝在地上，易于維護和維修，而且不需要尾翼和偏航系統(tǒng)來驅(qū)動槳葉，塔架設(shè)計簡單?？紤]將風機布置在平臺邊緣通風處，安裝需滿足風機工作高度要求，電池分組布置在室外，如圖1 所示。

圖1 風機及電池布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind turbine and battery layout

風力發(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，海上風力資源較好，發(fā)電時效較長，技術(shù)應(yīng)用較為成熟，故風力發(fā)電方案更優(yōu)。

4 結(jié)論與建議

對于小型邊際氣田的開發(fā)，要打破常規(guī)設(shè)計思路、創(chuàng)新技術(shù)，從而推動降本增效。通過各專業(yè)優(yōu)化方案，降低了平臺設(shè)備耗電量，創(chuàng)新了供電形式，探索了采用新能源風力發(fā)電或光伏發(fā)電方案，較新建電站或依托平臺供電費用大幅減少，整體簡化了平臺設(shè)計，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>