直流自持供電模式在海上邊際氣田開發(fā)的應(yīng)用研究

馬金喜 王萬旭 鄒昌明 金秋 郝銘

中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院

隨著海上整裝油氣田的不斷減少，邊際油氣田將成為增儲上產(chǎn)的主力，而邊際油氣田開發(fā)最核心的問題是經(jīng)濟(jì)問題。目前在渤海已探明未開發(fā)的邊際油氣田中有些區(qū)塊井?dāng)?shù)少，與周邊依托油田設(shè)施距離遠(yuǎn)。供電方案的設(shè)計是油田高效開發(fā)的重要組成部分[1-2]，如果采取新建海纜依托供電經(jīng)濟(jì)性一般都較差，如何經(jīng)濟(jì)、可靠地供電成為了邊際油氣田開發(fā)的瓶頸之一。因此研究設(shè)計就地安裝、安全穩(wěn)定、可遠(yuǎn)程操控并維護(hù)管理方便的供電系統(tǒng)，是邊際油氣田開發(fā)的當(dāng)務(wù)之急。

1 海上邊際小氣田供電模式優(yōu)選

以渤海某邊際氣田開發(fā)為例，新增2 口氣井，距離周邊在役平臺約11 km，針對用電負(fù)荷約3 kW的新建平臺，提出了一種基于自發(fā)電的直流供電新模式，并基于此模式，開展了海上平臺小功率直流電站方案的優(yōu)選應(yīng)用研究。

1.1 常規(guī)海纜依托供電模式

通過新鋪設(shè)海底電纜與周邊依托平臺進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)供電，需要設(shè)置海纜護(hù)管、海纜接線箱以及平臺中高壓配電系統(tǒng)，同時也需要考慮應(yīng)急配電系統(tǒng)，配套設(shè)備設(shè)施較多，占地面積較大，常規(guī)海纜供電模式單線圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)海纜供電模式單線圖Fig.1 Single-line diagram of conventional submarine cable power supply mode

1.2 直流發(fā)電機(jī)組自持供電模式

直流發(fā)電機(jī)組自持供電模式是采用1+1 或N+1熱備用模式，直流發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行。正常工況通過直流母排為系統(tǒng)直流負(fù)載供電，并通過逆變器給230 V 負(fù)載供電。同時，系統(tǒng)通過DC/DC 直流充電裝置給備用電池組浮充電。當(dāng)主發(fā)電機(jī)組故障時，自動切換備用機(jī)組。當(dāng)機(jī)組全部故障時，系統(tǒng)自動切換為后備電池供電。系統(tǒng)同時配置1 臺便攜式柴油發(fā)電機(jī)，為平臺檢修提供230 V 交流電源。平臺采用天然氣驅(qū)動的工藝設(shè)備和儀表閥門，選用室外型電氣設(shè)備，不設(shè)置電氣房間，選用發(fā)光二極管（LED）照明等設(shè)計優(yōu)化方案，控制用電負(fù)荷，自發(fā)電直流供電模式如圖2所示。

圖2 直流發(fā)電機(jī)組自持供電模式單線圖Fig.2 Single-line diagram of self-sustaining power supply mode of DC generator set

1.3 常規(guī)海纜供電與直流自持供電模式對比

以渤海某邊際氣田開發(fā)為例，采用直流發(fā)電機(jī)組自持供電模式，使用氣動儀表和氣動工藝設(shè)備，利用微波通訊的方案較常規(guī)海纜供電節(jié)省長距離海底電纜，不用降壓變壓器，系統(tǒng)功率損耗低，配套設(shè)備設(shè)施占地小，初步估算投資費(fèi)用較常規(guī)海纜供電模式節(jié)省約1 800 萬元，對于邊際油氣田采用無人平臺開發(fā)，有一定的經(jīng)濟(jì)效益，具體比選如表1所示。

表1 常規(guī)海纜供電與直流發(fā)電機(jī)組自持供電模式投資對比Tab.1 Investment comparison between conventional submarine cable power supply mode and self-sustaining power supply mode of DC generator set

2 直流自持供電模式電站方案優(yōu)選

根據(jù)項(xiàng)目擬建平臺的用電負(fù)荷需求，按照密閉循環(huán)渦輪發(fā)電機(jī)組（CCVT）和熱電偶發(fā)電機(jī)組（TEG）兩種機(jī)型分別進(jìn)行供電設(shè)計和系統(tǒng)配置對比，確定推薦方案，并在此基礎(chǔ)上提出直流自持供電模式在海上邊際氣田開發(fā)中的應(yīng)用建議。

2.1 直流電站機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)

基于自發(fā)電的直流供電模式，目前小功率燃?xì)馐街绷靼l(fā)電機(jī)組主流產(chǎn)品有兩種型式，一是密閉循環(huán)渦輪發(fā)電機(jī)組，其結(jié)構(gòu)形式見圖3。工作原理是有機(jī)工質(zhì)被燃燒器加熱成蒸汽，在密閉循環(huán)中推動蒸汽渦輪膨脹做功發(fā)電（圖4）。機(jī)組可以燒氣也可以燒輕油，可靠性較高，大修周期達(dá)到3×104h，自動化程度高，可遠(yuǎn)程控制啟停，出力受環(huán)境影響小，環(huán)境溫度36 ℃以下機(jī)組發(fā)電功率無折減，可以做防爆設(shè)計[3-4]。

圖3 CCVT結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic diagram of CCVT

圖4 CCVT工作原理Fig.4 Working principle of CCVT

另一種機(jī)型是熱偶發(fā)電機(jī)組，其結(jié)構(gòu)形式如圖5 所示。工作原理是利用燃燒器直燃加熱熱電偶，利用其兩側(cè)的溫差產(chǎn)生溫差電勢（圖6）。機(jī)組只能燒氣，可靠性較高，但發(fā)電功率受環(huán)境影響較大，環(huán)境溫度超過20 ℃后，每升高1 ℃機(jī)組發(fā)電功率降低約1.4 W。

圖5 TEG結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Schematic diagram of TEG

圖6 TEG工作原理Fig.6 Working principle of TEG

2.2 應(yīng)用情況

兩種機(jī)型在國內(nèi)外的陸地天然氣長輸管道項(xiàng)目應(yīng)用較多，且成熟應(yīng)用在國外海上邊際油氣田開發(fā)無人平臺（圖7）。目前在國內(nèi)海上平臺尚未應(yīng)用，但其產(chǎn)品和技術(shù)特性已十分成熟，應(yīng)用工況和條件也相對明確[3-4]。

圖7 國外海上平臺應(yīng)用案例Fig.7 Overseas offshore platform application cases

2.3 系統(tǒng)配置和方案優(yōu)選

電站方案優(yōu)選基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為總電負(fù)荷3 kW，電制要求24 VDC，防爆要求Class 1，Div 2 危險區(qū)域，環(huán)境溫度-16～36 ℃，自產(chǎn)天然氣充足，燃?xì)饨M分如表2所示。

表2 渤海某邊際氣田的燃?xì)饨M分Tab.2 Fuel gas components of a marginal gas field in Bohai Sea 體積分?jǐn)?shù)/%

擬配置的電站選型要求和特點(diǎn)主要考慮項(xiàng)目屬于邊際氣田，井?dāng)?shù)少，電負(fù)荷低，新建無人平臺需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控?zé)o人值守，設(shè)備可靠性和智能化程度要求高[5-7]，機(jī)組防爆，自產(chǎn)伴生氣含有少量CO2，所以選型研究時需要綜合考慮燃料氣適用性、環(huán)境溫度影響、機(jī)組備用配置方案以及占地投資等因素，發(fā)電機(jī)組的合理選擇、燃料的優(yōu)化選用是設(shè)計的關(guān)鍵[8-9]。

針對渤海某邊際氣田，考慮3 kW 的用電負(fù)荷需求，對兩種機(jī)型的配置方案從可靠性、發(fā)電功率穩(wěn)定性、投資費(fèi)用以及占地面積等方面進(jìn)行比選，自產(chǎn)天然氣滿足兩種機(jī)型的燃料要求，如表3 所示。CCVT 機(jī)組夏季高溫發(fā)電功率不折減，且更穩(wěn)定，投資較TEG 低約5 萬美元，且耗氣量少，占地小，可以做防爆設(shè)計，能夠室外布置，故推薦采用CCVT，具體比選如表4所示。

表3 機(jī)組燃料氣適用性分析Tab.3 Applicability analysis of fuel gas for the generator set

表4 系統(tǒng)配置和方案優(yōu)選Tab.4 System configuration and scheme optimization

2.4 應(yīng)用建議

直流自持供電模式在國內(nèi)海上邊際油氣田尚無項(xiàng)目應(yīng)用案例，但從國外項(xiàng)目應(yīng)用來看，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)根據(jù)海上無人平臺的特點(diǎn)，在設(shè)備可靠性、系統(tǒng)安全性以及遠(yuǎn)程監(jiān)控操作無人化方面采取措施[10]，著重考慮下述幾點(diǎn)：

（1）控制平臺用電總負(fù)荷規(guī)模不宜超過6 kW，以利于直流發(fā)電機(jī)組選型配置。

（2）為提高供電可靠性，電站機(jī)組采用1+1 或者N+1熱備用運(yùn)行模式；備用蓄電池組按平臺總負(fù)荷配置。

（3）為壓縮控制用電負(fù)荷，應(yīng)采用天然氣驅(qū)動儀表和工藝設(shè)備；采用LED 照明以及室外型電氣設(shè)備等。

（4）整體電氣系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，簡 稱SCADA）進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人值守的目的。

3 結(jié)束語

對于用電負(fù)荷較小的邊際油氣田，采用直流自持供電模式，克服了新敷設(shè)海底電纜費(fèi)用高或附近在生產(chǎn)平臺無富余電力不能依托的限制，該系統(tǒng)一次性投資較低且安全可靠，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控?zé)o人值守。直流電站機(jī)組燃料適應(yīng)性強(qiáng)，發(fā)電功率穩(wěn)定，已在國外海上平臺成熟應(yīng)用。通過設(shè)計研究表明，應(yīng)用直流自持供電模式為國內(nèi)海上用電負(fù)荷較小的邊際油氣田供電是可行的。本文通過渤海某邊際氣田為例，系統(tǒng)闡述了該模式的設(shè)計思路和配置方案，為邊際油氣田采用無人平臺方案開發(fā)其供電方式提供了參考。