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]
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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>