陈 斌， 杨洪庆， 苏 锋， 范玉杨， 张汝彬

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

水下生产系统长距离输配电技术研究

陈 斌， 杨洪庆， 苏 锋， 范玉杨， 张汝彬

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

随着深水油气田开发模式向着集约式发展，水下生产系统有着越来越多的应用，其供电系统由原来的短距离向长距离发展。对水下生产系统的负载进行了分析，认为水下生产机械动力负荷的长距离供电问题是水下供电的主要问题。以我国南海某油田群开发为背景，全面阐述并分析了水下生产系统长距离输配电技术中的关键技术，即关键设备选型技术、电力计算技术等。以其中一口井为例，进行了机械动力负荷供电和控制负荷供电计算，并进行了相关分析。

水下生产系统；输配电；供电；机械；控制；长距离

0 引 言

随着深水油气田的不断开发，水下生产系统有着越来越多的应用，伴随着深水油气田集约式发展，供电系统也由原来的短距离向长距离发展。目前，长距离输配电技术困扰着国内外深水油田开发模式的发展，水下生产系统的供电系统由发电、电力传输、配电和电动机等几部分组成。距离陆地较远的油田，电力一般由海洋平台提供，距离陆地较近的油田可以由陆地提供[1]。电力传输和配电部分保证能给电动机提供足够的电能，以确保水下生产系统能够正常运行，因此，水下生产系统输配电系统的充分设计十分必要。在水下生产系统总体方案设计阶段，需要对供电进行计算分析，以论证方案的可行性，在基本设计与详细设计阶段，需要进一步复核计算和验证，确保在负荷正常工作时供电系统的可靠性和安全性，该计算分析结果决定了水下生产系统开发模式、系统供电等级、海缆(脐带缆)和电气飞线选型，所以研究长距离输配电计算分析技术具有非常重要的意义。

1 水下生产系统电力负载分析

当水下油气井为气井或者自喷井时，在油气田生产初期只有水下控制系统需要供电[2]。每口井的水下控制系统功率一般为250W左右，以国内南海某油田水深404m、水下传输距离为38km为例，典型的水下控制系统负荷供电拓扑图如图1所示。

图1 典型的水下控制系统负荷供电拓扑图Fig.1 Typical topology of subsea control system power supply

在深水油气田的开采过程中一般要对油气井产出物流进行油气水处理，包括提升、增压、注水、分离等，这时需要应用大功率的水下生产机械，如电潜泵、多相泵、注水泵等，而这些水下机械需要通过电动机驱动运行，驱动电动机的大功率电能由海洋平台或者陆地通过海缆输送[3]。以国内南海某油田水深404m、水下传输距离为38km、泵挂深度1650MD的油井为例，需要180kW的电潜泵将其举升。由此可以看出，水下生产机械动力的电力负荷要远远大于控制系统的电力负荷。

因此在进行水下生产系统电气计算分析时，只要攻克了水下生产机械动力负荷的长距离供电问题，那么水下长距离输配电的问题就可以迎刃而解。图2为典型的水下机械动力负荷供电拓扑图。

图2 典型的水下机械动力负荷供电拓扑图Fig.2 Typical topology of subsea mechanical power supply

由图2可知，要解决整个长距离输配电是否可行，需要解决三个问题： 根据各井口配产情况，选择电潜泵功率和电制；根据电潜泵数据选择动力电缆规格；根据电潜泵选型，选择适合的变频器型号。

2 电力系统设备选型研究

2.1 电潜泵选型技术

针对目前市场上电潜泵应用份额情况进行了调研[4]，如图3所示，目前，世界上主要供应电潜泵的厂家有斯伦贝谢、贝克休斯(Centrilift)和GE(WOOD)，威德福已经停止生产。

图3 主要厂商的电潜泵市场份额(资料来源： Spears &Associates, Inc.)Fig.3 ESP market share of major manufacturers

以国内南海某深水油田的一口油井为例，油田的配产情况如表1所示，对该井的电潜泵进行选型，选型的原则坚持优先满足功率，高电压、低电流的原则，由于该油田水下传输距离为38km，属于长距离输电，所以必须尽可能提高传输电压，降低压损，在这种情况下，可以牺牲泵的负载率来提高工作电压，但是泵的负载率不能太低，过低会使电机温度上升，这时电机的主要功能不是提供机械能而是散热，经过分析研究认为，推荐负载率为60%。

表1 国内某油田单井配产数据Table 1 One well production data of oilfield in China

表2 国内某油田单井电潜泵不同厂家选型(@50Hz)Table 2 Pump selection of different manufacturerin one well (@50Hz)

从表2可以看出，斯伦贝谢的电潜泵在满足井口配产的基础上，工作电压更高，电流更小，满足选型原则，为了验证选型结果，根据斯伦贝谢、贝克休斯和GE提供的选型数据，针对该单井，分别采用120、 150、 185mm2的海缆进行核算压损情况，核算结果如表3所示。

表3 单井不同厂家泵在不同海缆传输下的压损核算Table 3 Power loss calculation of different ESP manufacturer and cable in one well

由表3可以看出，斯伦贝谢电潜泵选型额定数据在120、150、185mm2海缆传输情况下，单井压损都是最低的，因此电潜泵选型以斯伦贝谢电潜泵及相关数据进行电气计算分析。

2.2 电缆选型技术

海缆是水下长距离供电的主要载体，涉及海缆的主要内容如下。

导体材料： 由于铜材的导电率高，损耗低，机械性能优，延展性好，便于加工和安装，所以海缆导体选择铜。

电压等级： 根据水下电潜泵额定电压(约4kV)和常用中压变频器的输出值(6.6kV)，本项目选用U0/U(Um)=6/10(12)系统电压等级。

芯数选择： 项目采用的是6～10kV交流电传输，所以电机供电电缆采用三芯(3C)形式，考虑减小感抗，采用三角形排列，如图4所示。

图4 ESP动力电缆3C截面示意图Fig.4 Sectional drawing of ESP power cable

截面的选择： 通常长距离海缆的电缆截面为50～300mm2，通过对比，国内外海缆数据值相差较小，计算采用国内厂家海缆数据如表4所示。

表4 国内电缆基本参数Table 4 Domestic cable parameters

海缆铜芯截面主要判定条件包括：

(1) 满足海缆载流量，即通过负载电流时，线芯温度不超过海缆绝缘所允许的长期工作温度。通过对照电潜泵工作电流与海缆的许可载流量(见表4)，确保各截面海缆都能满足要求。

(2) 满足电压损失。由于从水上变频器输出的电流经过38km长的海缆传输，因阻抗导致较大电压损失，所以必须保证变频器电压经过海缆压损后仍能够满足电潜泵的运行和启动需要。

2.3 变频器选型技术

变频器(VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器靠内部电力电子器件的开断调整输出电源的电压(或电流)和频率，如大功率晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等，根据电机的实际需要提供其所需要的电源电压(或电流)，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。

对于水下生产机械动力的电力负荷和电潜泵电机的启动电压，根据相关工程经验，电潜泵启动频率最低为7Hz，启动时间，即从启动频率到运行频率的加速时间一般为18～20s，也可以更长。启动电流约为电机铭牌电流的1.5倍。在此前提下，电潜泵系统成功启动所需要的电机端电压可以用下面公式计算：

(1)

式中：VStart为电机启动电压；Vrated为电机额定工作电压；frated为电机额定工作频率；frated为电机启动频率。

从上面线性公式及计算可以得出结论，电频泵的启动电压约为其正常工作时电压的0.06倍，即启动电压远小于正常工作电压，这个结果与泵的启动工况(见图5)基本一致，所以计算分析时只考虑泵的正常工作电压。

图5 电潜泵启动工况图Fig.5 Start performance of ESP

过载就是负荷过大，超过了设备本身的额定负载，产生的现象是电流过大，用电设备发热。电流过大，形成过载，有可能导致停机。线路长期过载会降低线路绝缘水平，甚至烧毁设备或线路。所以变频器的选型应具有过载保护功能。

空载工况就是不接负载时测得电源两端的输出电压，也称为开路电压，所以在该供电系统中，空载电压就是变频器的输出电压。空载属于欠载的典型情况。当电流降到设定值以下时形成欠载，所以变频器的选型应具有欠载保护功能。

3 电力计算分析技术

在水下生产系统总体方案设计阶段，需要对水下生产系统电力进行计算分析，以验证整体方案的可行性。在基本设计与详细设计阶段，应用计算机仿真软件对水下油气开发工程的电控系统进行仿真，以验证在电潜泵正常工作时水下生产系统电力供应的可行性。该分析结果决定了水下生产系统开发模式、动力供电等级、海缆(脐带缆)和电气飞线选型。在水下生产系统供电过程中，根据工程经验，主脐带缆和内部脐带缆电压降最好不要超过30%，以达到较好的性价比。

在图2简化的水下机械动力负荷供电拓扑图中，水下长距离机械动力负荷供电系统，由于电流比较大，因而采用每台电潜泵通过动力电缆与水上变频器一对一相连的方式，同时，每口井备用一台电潜泵，即水上变压器→水上变频器→电潜泵。

利用经典的电路理论知识，计算水下生产机械动力的水下电力负荷时，需要考虑海缆的电抗值[5]：

(2)

式中：X=2πfLI为海缆总感抗；ΔU为海缆电压损失；R为海缆总电阻；cosφ为功率因数；I为海缆电流。

在式(1)中，由于负载是电机，所以选功率因数为0.8，根据表4，可以计算不同海缆规格下电压损失情况如表5所示。在计算过程中，考虑了谐波干扰的影响，加入了消谐器。

表5 水下生产机械动力负荷压损计算分析Table 5 Calculation and analysis of power loss of subsea mechanical load

从表5可以看出，150mm2和185mm2两种规格的海缆均满足要求，综合考虑经济性和压损要求，选用150mm2海缆为该井口供电。

对于纯控制系统的水下生产系统，同样利用经典的电路理论知识，取各节点电压，采用倒推的计算方法，从末端电压往前推到首端电压。在计算供电系统压损时，可以不考虑电导值和电抗值，因为它们与电阻相比，不在同一个数量级上[6]：

(3)

式中：Vm为前一节点电压；Vn为后一节点电压；Pn为后一节点功率；Vn为后一节点电压；Lmm为两节点之间的距离,km；r为海缆每千米的电阻值，Ω/km。

根据水下控制电缆的常用规格数据，计算其不同规格电缆下压力损失情况如表6所示。

表6 水下控制系统负荷压损计算分析Table 6 Calculation and analysis of power loss of subsea control system load

从表5和表6可以看出，在水下生产机械动力负荷长距离供配电传输过程中，由于要满足提供机械能的电机工作需要的电压和电流，压力损失很大，给系统整体设计和经济性评价带来很大的挑战；而水下控制系统负荷供电传输过程中，由于负荷功率小，电流小，所以压损比较小，同时，比较飞线压损和主缆压损，由于飞线距离短，所以飞线压损远远小于主缆压损，所以飞线基本上都选用常见的规格2.5mm2。

4 结 语

文章以我国南海某油田群开发为背景，全面阐述并分析了水下生产系统长距离输配电技术中的关键技术，即关键设备选型技术、电力计算技术等，并以其中一口井为例，进行了机械动力负荷供电和控制负荷供电计算，开展了相关分析。分析结果显示，水下长距离输配电技术是可行的。

[1] 苏锋，刘鸿雁，王强.电力/信号传输技术在水下生产系统的应用[J].石油化工自动化,2008,44(5)： 29.

[2] 郭宏，肖仕武.深水水下生产系统供电技术[C].第十一届全国石油和化学工业电气技术年会学术论文集,2010.

[3] 《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程设计指南(第12册),海洋石油工程深水油气田开发技术[M].北京： 石油工业出版社,2011.

[4] 肖长江.经济全球化背景下的威德福公司电潜泵业务竞争战略研究[D].上海： 复旦大学,2008.

[5] 任元会.工业与民用配电设计手册(第三版)[M].北京： 中国电力出版社,2005.

[6] 郭江艳，雷阳，郭宏,等.基于VB的水下控制系统电力分析软件的开发[J].电子技术与软件工程,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： 中国海油总公司科研项目“圆筒形FWPSO关键技术研究”

陈斌(1983—)，男，工程师，主要从事水下生产设施测试技术研究与水下电气设计工作。