C油田群電力系統(tǒng)在滾動(dòng)勘探開發(fā)中的適應(yīng)性調(diào)整

余俊雄，崔朋朋，趙金亮，段敬堯

1.中海石油（中國）有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津 300451

2.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300451

1 工程概況

C油田群經(jīng)過近二十年的滾動(dòng)勘探開發(fā)，相繼投產(chǎn)了1艘FPSO、1座單點(diǎn)、8座生產(chǎn)平臺(tái)（見圖1），具體情況為：第一年投產(chǎn)G平臺(tái)、H平臺(tái)、FPSO及單點(diǎn)，第二年投產(chǎn)C平臺(tái)，第三年投產(chǎn)D、E、F平臺(tái)，2019年投產(chǎn)I、J平臺(tái)[1]。

圖1 C油田群平臺(tái)布置

在滾動(dòng)勘探開發(fā)中，為了適應(yīng)油田群增加油氣產(chǎn)量和減少污水排放等對電力的需求，對電力系統(tǒng)進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整，包括在FPSO上增加透平發(fā)電機(jī)組、升級(jí)電滑環(huán)，在D平臺(tái)上增加透平電站、進(jìn)行新老設(shè)施電力聯(lián)網(wǎng)。這些調(diào)整助力了油田的提效增產(chǎn)。

2 在FPSO上增加透平發(fā)電機(jī)

油田群投產(chǎn)之初，F(xiàn)PSO配置了5臺(tái)原油發(fā)電機(jī)機(jī)組作為油田的電站。油田生產(chǎn)的第一年，通過電滑環(huán)三路輸出中的兩路將電力輸送到G平臺(tái)，再輸送到H平臺(tái)、C平臺(tái)；第二年，通過第三路輸出將電力經(jīng)C平臺(tái)送到D平臺(tái)，再輸送到E平臺(tái)、F平臺(tái)（見圖2）。

圖2 C油田群起初的電網(wǎng)示意

隨著滾動(dòng)勘探開發(fā)的進(jìn)行，油田群調(diào)整井?dāng)?shù)量逐年增加；同時(shí)綜合含水率攀升，注水量也不斷增長，5臺(tái)原油主機(jī)已經(jīng)不能滿足油田群生產(chǎn)的電力需求。2012年在FPSO上增加了1臺(tái)索拉TITAN130燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組T130。將T130機(jī)組并入已有電站，電站的發(fā)電能力增加了15 MW。控制方式為T130定功率輸出，其他5臺(tái)原油機(jī)組等比例分配剩余負(fù)載。電站的增容促進(jìn)了注水量的增加。油田群在產(chǎn)液量上升的條件下，生產(chǎn)污水排放量逐年下降。

3 升級(jí)電滑環(huán)

電滑環(huán)安裝在單點(diǎn)頂部，外部有金屬外罩，見圖3。原電滑環(huán)在轉(zhuǎn)動(dòng)中通過電刷和圓筒形導(dǎo)體進(jìn)行電流傳送，電刷和圓筒形導(dǎo)體為水平推壓式接觸（見圖4），此種配合方式抗橫向振動(dòng)能力較弱。當(dāng)單點(diǎn)在風(fēng)、浪、流以及FPSO的作用下振動(dòng)時(shí)，電滑環(huán)隨著振動(dòng)，圓筒形導(dǎo)體和電刷之間易發(fā)生輕微接觸不良，從而產(chǎn)生細(xì)小的電弧，灼傷圓筒形導(dǎo)體和電刷表面。當(dāng)這種情況持續(xù)時(shí)間較長，就會(huì)造成嚴(yán)重的接觸不良，最終燒壞電滑環(huán)。隨著用電負(fù)載的逐年增高，圓筒形導(dǎo)體和電刷表面的灼傷逐漸加劇，電滑環(huán)損壞周期從三年左右逐步縮短到不足一年半。電滑環(huán)損壞后，平臺(tái)供電中斷，油田群停產(chǎn)。不考慮動(dòng)員時(shí)間，維修時(shí)間至少需要5 d。

圖3 電滑環(huán)外觀

圖4 圓筒形導(dǎo)體和電刷實(shí)物

為了改善電滑環(huán)的運(yùn)行狀況，2014年5月對其進(jìn)行了升級(jí)。新型電滑環(huán)采用夾盤式設(shè)計(jì)，將圓筒形導(dǎo)體改成圓環(huán)形導(dǎo)體，將電刷和電滑環(huán)的接觸形式由推壓式改為對夾式，不僅增加了電滑環(huán)與電刷的接觸面積，而且也增大了電滑環(huán)和電刷之間的接觸力，有效緩解了橫向振動(dòng)造成的細(xì)小電弧。另外圓筒形導(dǎo)體是一個(gè)整體，不能單獨(dú)拆卸，維修時(shí)需要拆卸安裝在上面的全部部件，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此對圓環(huán)形導(dǎo)體做三段式設(shè)計(jì)，維修時(shí)將其拆成三段取下，無需拆卸上面的部件。同時(shí)在外罩側(cè)面增加了檢查和維修孔，方便圓環(huán)形導(dǎo)體的安裝和拆卸，見圖5；增設(shè)了狀態(tài)監(jiān)測裝置（弧光監(jiān)測等），可以為電滑環(huán)提供早期故障預(yù)警功能，見圖6。

圖5 外罩側(cè)面的檢查和維修孔

2017年啟用狀態(tài)監(jiān)控裝置后，電滑環(huán)維修效率明顯提高，維修周期明顯延長。11月20日00：23，電滑環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)DDCS第一次出現(xiàn)弧光報(bào)警，此后連續(xù)出現(xiàn)報(bào)警，截至12月24日24：00，共發(fā)生55次報(bào)警，表明高壓電滑環(huán)出現(xiàn)損傷，面臨失效的可能。經(jīng)過充分準(zhǔn)備，12月29日開始計(jì)劃性停產(chǎn)，對單點(diǎn)高壓電滑環(huán)進(jìn)行維修，最終花費(fèi)32.8 h完成修復(fù)，比以往減少了約一周的產(chǎn)量損失。此時(shí)電滑環(huán)已安全運(yùn)行超過三年半。

4 在D平臺(tái)上增加透平電站

隨著油田群滾動(dòng)勘探開發(fā)的深入，供電量逐漸不能滿足需求，同時(shí)電滑環(huán)三路輸出也不平衡。為了滿足增產(chǎn)和減排的電力需求，2018年啟動(dòng)了在D平臺(tái)上增加透平電站的項(xiàng)目。協(xié)調(diào)兄弟油田閑置的索拉TAURUS60燃?xì)馔钙诫娬綯60，將其安裝在D平臺(tái)（見圖7），大大縮短了采辦周期，快速緩解了電力瓶頸問題。

圖7 C油田群加入T60電站的電網(wǎng)示意

T60電站與FPSO的電站并網(wǎng)運(yùn)行，增加了4.8 MW的發(fā)電能力。電網(wǎng)控制方式為：T60電站調(diào)度固定值，D平臺(tái)、E平臺(tái)、F平臺(tái)其他負(fù)載由FPSO的電滑環(huán)第三路輸出來承擔(dān)，當(dāng)出現(xiàn)電滑環(huán)第三路輸出跳機(jī)后，D平臺(tái)、E平臺(tái)、F平臺(tái)執(zhí)行甩載策略，將負(fù)載降低到T60電站的額定帶載值。

T60電站發(fā)電機(jī)增加了油田群的電力供應(yīng)，使原來受制約的調(diào)整井及油井提液、注水等工作的潛力得到了發(fā)揮。2018年油田群油氣當(dāng)量比上一年增加5.5%，同時(shí)生產(chǎn)污水排海量下降11.8%。

5 進(jìn)行新老設(shè)施電力組網(wǎng)

隨著滾動(dòng)勘探開發(fā)的進(jìn)一步深入，2019年在D平臺(tái)、G平臺(tái)附近分別投產(chǎn)了I平臺(tái)、J平臺(tái)。I平臺(tái)電站通過海底電纜給J平臺(tái)輸送電力，新平臺(tái)的發(fā)、輸、變電設(shè)計(jì)為自成系統(tǒng)（見圖8）。

圖8 新平臺(tái)發(fā)、輸、變電自成系統(tǒng)示意

為了充分利用I平臺(tái)電站的大容量機(jī)組以解決老區(qū)的電力瓶頸，啟動(dòng)了油田整體的電力組網(wǎng)[2]。由于FPSO電站、D平臺(tái)電站、I平臺(tái)電站容量差異很大，F(xiàn)PSO的最大機(jī)組為15 MW（Gas/ISO），D平臺(tái)的T60機(jī)組僅僅4.8 MW（Gas/ISO），而I平臺(tái)的單個(gè)機(jī)組為32.3 MW（Gas/ISO）。如果按照常規(guī)的電站之間等比例控制模式，I平臺(tái)電站根據(jù)分配的負(fù)載情況就會(huì)導(dǎo)致I平臺(tái)至J平臺(tái)的海底電纜過載，輸電鏈路之間的變壓器也會(huì)過載。如果電站采用調(diào)度模式，則每次負(fù)載變化都需要經(jīng)過人為的精細(xì)計(jì)算才能設(shè)定過載值，效率低且安全性差。為解決電站間的巨大差異性問題[3]，決定采用潮流控制模式。潮流控制模式分為潮流調(diào)度和潮流熱備兩種，前者是在對電能輸送有特殊要求時(shí)在某處節(jié)點(diǎn)設(shè)定一個(gè)調(diào)度值，使其輸送電力持續(xù)恒定，避免大設(shè)備啟停、機(jī)組投切等因素對輸送電力的影響；而后者是把組網(wǎng)鏈路上的發(fā)、輸、配電設(shè)備的帶載余量作為剩余熱備，來調(diào)節(jié)電網(wǎng)中各個(gè)電站帶載，找出組網(wǎng)鏈路中的熱備余量薄弱環(huán)節(jié)，增加此處熱備，進(jìn)而增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性[4]。

電力組網(wǎng)項(xiàng)目在各個(gè)平臺(tái)設(shè)置了EMS控制系統(tǒng)，通過光纖串聯(lián)成環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)所有平臺(tái)的控制互聯(lián)。各個(gè)平臺(tái)的EMS控制系統(tǒng)與各發(fā)電機(jī)組進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)機(jī)組的控制（見圖9）。

圖9 EMS系統(tǒng)控制

G平臺(tái)的電力供應(yīng)來自FPSO電站和I平臺(tái)電站，而I平臺(tái)電站通過一個(gè)10 MVA的變壓器給G平臺(tái)供電，是組網(wǎng)鏈路中容量最小環(huán)節(jié)，在此處對輸送電力設(shè)定一個(gè)調(diào)度值，EMS系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)I平臺(tái)電站和FPSO電站帶載來保持此值恒定（見圖10）。各平臺(tái)電站內(nèi)部機(jī)組也根據(jù)需要設(shè)置調(diào)度值。

圖10 C油田群電力聯(lián)網(wǎng)示意

電網(wǎng)控制系統(tǒng)界面見圖11，此部分為系統(tǒng)潮流控制模式的功能區(qū)，只需選擇電站間調(diào)度模式功能按鈕，并在J平臺(tái)至G平臺(tái)輸電鏈路上設(shè)定固定參數(shù)，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)電站帶載，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的自動(dòng)化運(yùn)行。

圖11 電網(wǎng)管理畫面

正常輸電工況鏈路下，J平臺(tái)給G平臺(tái)輸電剩余熱備容量最小，其次為FPSO給G平臺(tái)輸電熱備容量，且這兩側(cè)的剩余熱備容量是相對的此消彼長。當(dāng)FPSO給G平臺(tái)輸送電力有功剩余熱備容量與J平臺(tái)給G平臺(tái)輸送電力有功剩余熱備容量相差超過某值時(shí)，系統(tǒng)開始減少I平臺(tái)電站帶載，從而提升J平臺(tái)給G平臺(tái)的剩余熱備，增加FPSO電站帶載從而降低FPSO給G平臺(tái)的剩余熱備，當(dāng)兩剩余熱備差值到達(dá)一定范圍值內(nèi)，暫停調(diào)節(jié)兩側(cè)電站帶載，電網(wǎng)由此達(dá)到一種相對平衡狀態(tài)。

在日常使用時(shí)，電網(wǎng)會(huì)同時(shí)選擇潮流調(diào)度模式和潮流熱備模式。當(dāng)出現(xiàn)機(jī)組跳機(jī)或者開關(guān)跳閘事件時(shí)，潮流調(diào)度模式會(huì)自動(dòng)取消，電網(wǎng)自動(dòng)回到潮流熱備模式，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)最大化帶載。

潮流控制模式不但能夠?qū)崿F(xiàn)電站間等比例模式調(diào)節(jié)電網(wǎng)的效果，而且解決了組網(wǎng)鏈路上各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備功率容量大小不一容易造成過載的問題，助力組網(wǎng)順利進(jìn)行[5]。

電力組網(wǎng)后，最大化發(fā)揮I平臺(tái)電站的燃?xì)鈾C(jī)組能力，同時(shí)當(dāng)電滑環(huán)出現(xiàn)故障時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)油田的孤島式生產(chǎn)（見圖12），降低對電滑環(huán)的依賴。因此，2019年老平臺(tái)油氣當(dāng)量比上一年提升9.8%，而油田群油氣當(dāng)量比上一年提升13.3%；生產(chǎn)污水排放減少6.9%，并在12月25日實(shí)現(xiàn)零排放。預(yù)計(jì)2020年油氣當(dāng)量比上一年提升50%以上。

圖12 C油田群孤島運(yùn)行示意

6 電力系統(tǒng)適應(yīng)性調(diào)整成效

在滾動(dòng)勘探開發(fā)中對油田群電力系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，盡力提升供、輸、配電能力，助力增產(chǎn)減排。至2018年，C油田群累計(jì)產(chǎn)量超出總體開發(fā)方案預(yù)測的產(chǎn)量數(shù)百萬噸；2018年至2020年，C油田群產(chǎn)量連年實(shí)現(xiàn)較大幅度增加，此外還實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)污水的逐年減排，并在2019年12月25日實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)污水零排放；同時(shí)初步實(shí)現(xiàn)碳減排。

此次海上油田電力系統(tǒng)的升級(jí)改造，包括不同容量機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行，對后期其他海上油田的滾動(dòng)勘探開發(fā)具有很好的借鑒意義。其中，潮流控制模式既解決了新舊平臺(tái)電力聯(lián)網(wǎng)中各處節(jié)點(diǎn)的有功平衡，避免電站間等比例模式未考慮海底電纜、變壓器等中間節(jié)點(diǎn)而造成過載的情況，又提高了電網(wǎng)安全水平和供電可靠性，對于后期差異化發(fā)電機(jī)組的組網(wǎng)也有很好的推廣價(jià)值。