水下生產系統長距離輸配電技術研究

陳 斌， 楊洪慶， 蘇 鋒， 范玉楊， 張汝彬

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

水下生產系統長距離輸配電技術研究

陳 斌， 楊洪慶， 蘇 鋒， 范玉楊， 張汝彬

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

隨著深水油氣田開發模式向著集約式發展，水下生產系統有著越來越多的應用，其供電系統由原來的短距離向長距離發展。對水下生產系統的負載進行了分析，認為水下生產機械動力負荷的長距離供電問題是水下供電的主要問題。以我國南海某油田群開發為背景，全面闡述并分析了水下生產系統長距離輸配電技術中的關鍵技術，即關鍵設備選型技術、電力計算技術等。以其中一口井為例，進行了機械動力負荷供電和控制負荷供電計算，并進行了相關分析。

水下生產系統；輸配電；供電；機械；控制；長距離

0 引 言

隨著深水油氣田的不斷開發，水下生產系統有著越來越多的應用，伴隨著深水油氣田集約式發展，供電系統也由原來的短距離向長距離發展。目前，長距離輸配電技術困擾著國內外深水油田開發模式的發展，水下生產系統的供電系統由發電、電力傳輸、配電和電動機等幾部分組成。距離陸地較遠的油田，電力一般由海洋平臺提供，距離陸地較近的油田可以由陸地提供[1]。電力傳輸和配電部分保證能給電動機提供足夠的電能，以確保水下生產系統能夠正常運行，因此，水下生產系統輸配電系統的充分設計十分必要。在水下生產系統總體方案設計階段，需要對供電進行計算分析，以論證方案的可行性，在基本設計與詳細設計階段，需要進一步復核計算和驗證，確保在負荷正常工作時供電系統的可靠性和安全性，該計算分析結果決定了水下生產系統開發模式、系統供電等級、海纜(臍帶纜)和電氣飛線選型，所以研究長距離輸配電計算分析技術具有非常重要的意義。

1 水下生產系統電力負載分析

當水下油氣井為氣井或者自噴井時，在油氣田生產初期只有水下控制系統需要供電[2]。每口井的水下控制系統功率一般為250W左右，以國內南海某油田水深404m、水下傳輸距離為38km為例，典型的水下控制系統負荷供電拓撲圖如圖1所示。

圖1 典型的水下控制系統負荷供電拓撲圖Fig.1 Typical topology of subsea control system power supply

在深水油氣田的開采過程中一般要對油氣井產出物流進行油氣水處理，包括提升、增壓、注水、分離等，這時需要應用大功率的水下生產機械，如電潛泵、多相泵、注水泵等，而這些水下機械需要通過電動機驅動運行，驅動電動機的大功率電能由海洋平臺或者陸地通過海纜輸送[3]。以國內南海某油田水深404m、水下傳輸距離為38km、泵掛深度1650MD的油井為例，需要180kW的電潛泵將其舉升。由此可以看出，水下生產機械動力的電力負荷要遠遠大于控制系統的電力負荷。

因此在進行水下生產系統電氣計算分析時，只要攻克了水下生產機械動力負荷的長距離供電問題，那么水下長距離輸配電的問題就可以迎刃而解。圖2為典型的水下機械動力負荷供電拓撲圖。

圖2 典型的水下機械動力負荷供電拓撲圖Fig.2 Typical topology of subsea mechanical power supply

由圖2可知，要解決整個長距離輸配電是否可行，需要解決三個問題： 根據各井口配產情況，選擇電潛泵功率和電制；根據電潛泵數據選擇動力電纜規格；根據電潛泵選型，選擇適合的變頻器型號。

2 電力系統設備選型研究

2.1 電潛泵選型技術

針對目前市場上電潛泵應用份額情況進行了調研[4]，如圖3所示，目前，世界上主要供應電潛泵的廠家有斯倫貝謝、貝克休斯(Centrilift)和GE(WOOD)，威德福已經停止生產。

圖3 主要廠商的電潛泵市場份額(資料來源： Spears &Associates, Inc.)Fig.3 ESP market share of major manufacturers

以國內南海某深水油田的一口油井為例，油田的配產情況如表1所示，對該井的電潛泵進行選型，選型的原則堅持優先滿足功率，高電壓、低電流的原則，由于該油田水下傳輸距離為38km，屬于長距離輸電，所以必須盡可能提高傳輸電壓，降低壓損，在這種情況下，可以犧牲泵的負載率來提高工作電壓，但是泵的負載率不能太低，過低會使電機溫度上升，這時電機的主要功能不是提供機械能而是散熱，經過分析研究認為，推薦負載率為60%。

表1 國內某油田單井配產數據Table 1 One well production data of oilfield in China

表2 國內某油田單井電潛泵不同廠家選型(@50Hz)Table 2 Pump selection of different manufacturerin one well (@50Hz)

從表2可以看出，斯倫貝謝的電潛泵在滿足井口配產的基礎上，工作電壓更高，電流更小，滿足選型原則，為了驗證選型結果，根據斯倫貝謝、貝克休斯和GE提供的選型數據，針對該單井，分別采用120、 150、 185mm2的海纜進行核算壓損情況，核算結果如表3所示。

表3 單井不同廠家泵在不同海纜傳輸下的壓損核算Table 3 Power loss calculation of different ESP manufacturer and cable in one well

由表3可以看出，斯倫貝謝電潛泵選型額定數據在120、150、185mm2海纜傳輸情況下，單井壓損都是最低的，因此電潛泵選型以斯倫貝謝電潛泵及相關數據進行電氣計算分析。

2.2 電纜選型技術

海纜是水下長距離供電的主要載體，涉及海纜的主要內容如下。

導體材料： 由于銅材的導電率高，損耗低，機械性能優，延展性好，便于加工和安裝，所以海纜導體選擇銅。

電壓等級： 根據水下電潛泵額定電壓(約4kV)和常用中壓變頻器的輸出值(6.6kV)，本項目選用U0/U(Um)=6/10(12)系統電壓等級。

芯數選擇： 項目采用的是6～10kV交流電傳輸，所以電機供電電纜采用三芯(3C)形式，考慮減小感抗，采用三角形排列，如圖4所示。

圖4 ESP動力電纜3C截面示意圖Fig.4 Sectional drawing of ESP power cable

截面的選擇： 通常長距離海纜的電纜截面為50～300mm2，通過對比，國內外海纜數據值相差較小，計算采用國內廠家海纜數據如表4所示。

表4 國內電纜基本參數Table 4 Domestic cable parameters

海纜銅芯截面主要判定條件包括：

(1) 滿足海纜載流量，即通過負載電流時，線芯溫度不超過海纜絕緣所允許的長期工作溫度。通過對照電潛泵工作電流與海纜的許可載流量(見表4)，確保各截面海纜都能滿足要求。

(2) 滿足電壓損失。由于從水上變頻器輸出的電流經過38km長的海纜傳輸，因阻抗導致較大電壓損失，所以必須保證變頻器電壓經過海纜壓損后仍能夠滿足電潛泵的運行和啟動需要。

2.3 變頻器選型技術

變頻器(VFD)是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻器靠內部電力電子器件的開斷調整輸出電源的電壓(或電流)和頻率，如大功率晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等，根據電機的實際需要提供其所需要的電源電壓(或電流)，進而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等。

對于水下生產機械動力的電力負荷和電潛泵電機的啟動電壓，根據相關工程經驗，電潛泵啟動頻率最低為7Hz，啟動時間，即從啟動頻率到運行頻率的加速時間一般為18～20s，也可以更長。啟動電流約為電機銘牌電流的1.5倍。在此前提下，電潛泵系統成功啟動所需要的電機端電壓可以用下面公式計算：

(1)

式中：VStart為電機啟動電壓；Vrated為電機額定工作電壓；frated為電機額定工作頻率；frated為電機啟動頻率。

從上面線性公式及計算可以得出結論，電頻泵的啟動電壓約為其正常工作時電壓的0.06倍，即啟動電壓遠小于正常工作電壓，這個結果與泵的啟動工況(見圖5)基本一致，所以計算分析時只考慮泵的正常工作電壓。

圖5 電潛泵啟動工況圖Fig.5 Start performance of ESP

過載就是負荷過大，超過了設備本身的額定負載，產生的現象是電流過大，用電設備發熱。電流過大，形成過載，有可能導致停機。線路長期過載會降低線路絕緣水平，甚至燒毀設備或線路。所以變頻器的選型應具有過載保護功能。

空載工況就是不接負載時測得電源兩端的輸出電壓，也稱為開路電壓，所以在該供電系統中，空載電壓就是變頻器的輸出電壓。空載屬于欠載的典型情況。當電流降到設定值以下時形成欠載，所以變頻器的選型應具有欠載保護功能。

3 電力計算分析技術

在水下生產系統總體方案設計階段，需要對水下生產系統電力進行計算分析，以驗證整體方案的可行性。在基本設計與詳細設計階段，應用計算機仿真軟件對水下油氣開發工程的電控系統進行仿真，以驗證在電潛泵正常工作時水下生產系統電力供應的可行性。該分析結果決定了水下生產系統開發模式、動力供電等級、海纜(臍帶纜)和電氣飛線選型。在水下生產系統供電過程中，根據工程經驗，主臍帶纜和內部臍帶纜電壓降最好不要超過30%，以達到較好的性價比。

在圖2簡化的水下機械動力負荷供電拓撲圖中，水下長距離機械動力負荷供電系統，由于電流比較大，因而采用每臺電潛泵通過動力電纜與水上變頻器一對一相連的方式，同時，每口井備用一臺電潛泵，即水上變壓器→水上變頻器→電潛泵。

利用經典的電路理論知識，計算水下生產機械動力的水下電力負荷時，需要考慮海纜的電抗值[5]：

(2)

式中：X=2πfLI為海纜總感抗；ΔU為海纜電壓損失；R為海纜總電阻；cosφ為功率因數；I為海纜電流。

在式(1)中，由于負載是電機，所以選功率因數為0.8，根據表4，可以計算不同海纜規格下電壓損失情況如表5所示。在計算過程中，考慮了諧波干擾的影響，加入了消諧器。

表5 水下生產機械動力負荷壓損計算分析Table 5 Calculation and analysis of power loss of subsea mechanical load

從表5可以看出，150mm2和185mm2兩種規格的海纜均滿足要求，綜合考慮經濟性和壓損要求，選用150mm2海纜為該井口供電。

對于純控制系統的水下生產系統，同樣利用經典的電路理論知識，取各節點電壓，采用倒推的計算方法，從末端電壓往前推到首端電壓。在計算供電系統壓損時，可以不考慮電導值和電抗值，因為它們與電阻相比，不在同一個數量級上[6]：

(3)

式中：Vm為前一節點電壓；Vn為后一節點電壓；Pn為后一節點功率；Vn為后一節點電壓；Lmm為兩節點之間的距離,km；r為海纜每千米的電阻值，Ω/km。

根據水下控制電纜的常用規格數據，計算其不同規格電纜下壓力損失情況如表6所示。

表6 水下控制系統負荷壓損計算分析Table 6 Calculation and analysis of power loss of subsea control system load

從表5和表6可以看出，在水下生產機械動力負荷長距離供配電傳輸過程中，由于要滿足提供機械能的電機工作需要的電壓和電流，壓力損失很大，給系統整體設計和經濟性評價帶來很大的挑戰；而水下控制系統負荷供電傳輸過程中，由于負荷功率小，電流小，所以壓損比較小，同時，比較飛線壓損和主纜壓損，由于飛線距離短，所以飛線壓損遠遠小于主纜壓損，所以飛線基本上都選用常見的規格2.5mm2。

4 結 語

文章以我國南海某油田群開發為背景，全面闡述并分析了水下生產系統長距離輸配電技術中的關鍵技術，即關鍵設備選型技術、電力計算技術等，并以其中一口井為例，進行了機械動力負荷供電和控制負荷供電計算，開展了相關分析。分析結果顯示，水下長距離輸配電技術是可行的。

[1] 蘇鋒，劉鴻雁，王強.電力/信號傳輸技術在水下生產系統的應用[J].石油化工自動化,2008,44(5)： 29.

[2] 郭宏，肖仕武.深水水下生產系統供電技術[C].第十一屆全國石油和化學工業電氣技術年會學術論文集,2010.

[3] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程設計指南(第12冊),海洋石油工程深水油氣田開發技術[M].北京： 石油工業出版社,2011.

[4] 肖長江.經濟全球化背景下的威德福公司電潛泵業務競爭戰略研究[D].上海： 復旦大學,2008.

[5] 任元會.工業與民用配電設計手冊(第三版)[M].北京： 中國電力出版社,2005.

[6] 郭江艷，雷陽，郭宏,等.基于VB的水下控制系統電力分析軟件的開發[J].電子技術與軟件工程,2013(20)： 79.

ResearchonTechnologyofLongDistancePowerTransmissionandDistributionforSubseaProductionSystem

CHEN Bin, YANG Hong-qing, SU Feng, FAN Yu-yang, ZHANG Ru-bin

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

With the development mode of deepwater oil and gas field heading towards intensification, subsea production system has more and more applications, and the power supply system develops from the original short distance one to long distance one. Based on the analysis on the subsea production system load, it is believed that long distance power supply for the underwater production mechanical dynamic loads is the main problem of underwater power supply. Taking the oilfield development in the South China Sea as the background, comprehensive exposition and analysis are given for the key technologies in long distance power transmission and distribution of the underwater production system, including key equipment selection, power computing technology, etc. In the case study, the mechanical power load power supply and the control load power supply are calculated, and related analysis is carried out.

subsea production system; power transmission and distribution; power supply; machinery; control; long distance

P756

B

2095-7297(2017)02-0091-05

2017-02-07

基金基金： 中國海油總公司科研項目“圓筒形FWPSO關鍵技術研究”

陳斌(1983—)，男，工程師，主要從事水下生產設施測試技術研究與水下電氣設計工作。