魏 澈 李 强 洪 毅 胡意茹 王文祥

（中海油研究总院有限责任公司 北京 100028）

水下生产系统长距离回接是深水油气田常用的经济开发模式之一，当深水油田采用人工举升开发时，电潜泵（ESP）或混输增压泵长距离供电是该类开发模式的技术难点与挑战［1-3］。目前长距离水下供电工程应用主要包括变频器（VFD）直接驱动、变频器经水上变压器和水下变压器驱动2种模式，其中技术可行的情况下变频器直接驱动一般更为经济。目前世界上已投产距离最长的变频器直接驱动井下双ESP（水下电潜泵）案例为挪威北海Otter油田（2003年投产）［4-5］，该油田水上变频器通过23.4 km电缆（包括21.6 km海缆、1.75 km井下电缆及50 m上部组块电缆）为水下双电潜泵供电。其他具有代表性的水下供配电项目还有King及Aasgard气田，其中King油田由水上变频器直接通过29 km海底电缆为水下1 MW增压泵供电，该油田是水上变频器直接驱动水下高压电机距离最远的油田；Aasgard气田采用水上变频器，经升压变压器、40 km海底电缆、水下降压变压器为水下11.5 MW压缩机供电，该油田是目前国际上水下泥面大功率设备供电应用距离最远的油田。

我国于1996年在流花11-1油田首次实现了为水下电潜泵供电。目前，国内已有流花11-1、流花4-1和陆丰22-1等油田通过水下输配电系统为水下电潜泵、增压泵供电，距离流花4-1油田供电，约为14 km，陆丰22-1和流花11-1油田供电距离均不到1 km。其中，流花4-1、流花11-1油田为水下电潜泵供电，最大单台设备用电功率约200～500 k W。目标油田流花16-2采用电潜泵人工举升开发模式，拟通过FPSO经长距离海底电缆为水下（井下）双电潜泵供电，最长供电距离达26 km，是目前世界上最远距离的变频器直接驱动双电潜泵供电系统。由于双电潜泵供电受油管挂电穿越湿式电接头电压等级和电潜泵电压等级限制，系统输电电压约5 k V，具有低电压长距离供电、系统谐波影响等特点，面临解决启动控制、系统长期稳定运行等技术难题［6-7］。本文重点对流花16-2油田电潜泵长距离供电系统展开研究和仿真分析，解决系统设计存在的问题和难点，提出相应的解决方案，从而有效指导该油田电潜泵长距离供电项目的实施。

1 供电系统结构模型及基础输入数据

1.1 供电系统结构模型

流花16-2油田变频器长距离驱动水下电潜泵供电方案如图1所示，FPSO电力系统中压母线提供6.3 k V电压，下级接中压变频器，变频器下级经过约24.3 km海底电缆，通过水下中压电力分配单元经水下电力飞缆和1.7 km井下电缆为电潜泵供电。

图1 流花16-2油田变频器长距离驱动水下电潜泵供电方案示意图Fig.1 Power plan schematic diagram of VFD driving long distance subsea ESP in LH16-2 oilfield

考虑长距离海底电缆特性的电潜泵电机等效电路如图2所示，其中Zc为海底电缆阻抗；r1、X1分别为定子绕组的电阻和漏抗；˙I1为海底电缆线路电流；˙I′2为电机定子电流；r′2、X′2分别为折算到定子边的转子绕组电阻和漏抗；S为转差率；（1－S）／Sr′2为等效的负载电阻；rm为定子铁芯损耗等效电阻；Xm为主磁通铁芯电抗；˙Im为电机励磁电流；˙U0为海底电缆输入电压；˙U1为电机端输入电压。在进行电磁暂态仿真分析时，如果仿真模型中电缆模型未考虑分布效应，须将全线路海底电缆按照一定距离（根据以往经验大约3～6 km）划分为多个π型电路串联的模式进行分析计算。

图2 考虑长距离电缆特性的电潜泵电机等效电路Fig.2 Equivalent circuit of ESP motor considering the characteristics of long distance submarine cable

1.2 基础输入数据

流花16-2油田A1井变频器及输出滤波器参数、海底电缆参数、井下电缆参数和电潜泵电机参数分别见表1～4，其中整流器采用二极管，逆变器类型选用5单元11电平。根据变频器本身的固有特性及以往项目案例，适用于长距离直接驱动的中压变频器一般包括多电平级联型电压源型变频器和全控电流源型变频器。本文将以多电平级联型电压源型变频器为例进行仿真分析。

表1 流花16-2油田A1井电潜泵变频器及输出滤波器参数Table1 Parameters of ESP VSD and output filter for Well A1 in LH16-2 oilfield

表2 流花16-2油田海底电缆束参数（电缆截面：3×3C×150 mm2）Table2 Parameters of submarine cable bundle in LH16-2 oilfield（cable crosssection：3×3C×150 mm2）

表3 流花16-2油田井下1号电缆参数表（电缆截面：3C×42.41 mm2）Table3 Parameters of 1＃downhole cable in LH16-2 oilfield（cable crosssection：3C×42.41 mm2）

表4 流花16-2油田A1井电潜泵电机参数Table4 Parameters of ESP motor for Well A1 in LH16-2 oilfield

2 供电系统仿真分析

2.1 稳态潮流分析

稳态潮流分析主要计算系统电压降及损耗，验证系统方案及主要设备技术参数的合理性。系统电压降与井下电潜泵电机最高电压等级、海底电缆截面相关，须综合技术及经济两方面进行选取。目前国际上没有相关标准及规范对长距离供电系统的压降最大允许值进行规定，因此在广泛调研国外相关成功投产项目实际压降水平并咨询相关变频器和电机厂家的基础上，建议将变频器输出电压的20%作为长距离供电线路的最大允许压降。

采用ETAP软件对流花16-2油田A1井的线路压降进行了建模分析，结果见表5。根据分析结果，综合考虑钻完井后期油藏调整的可能性，推荐采用截面积为150 mm2的海底电缆为流花16-2油田A1井电潜泵供电。该计算结果反过来也可以指导电潜泵、电缆截面选型，使系统在满足压降要求的前提下达到经济性最高。

表5 LH16-2油田A1井线路压降与损耗Table5 Voltage drop and power loss of cable for Well A1 in LH16-2 oilfield

2.2 长距离启动计算与仿真分析

采用Digsilent Power Factory软件对流花16-2油田A1井电潜泵电机进行不同频率下的启动仿真分析。该电机额定转矩为1 401 N·m，由于油田产轻质原油，黏度低，油品特性较好，因此设定电潜泵开始运转时摩擦转矩约为额定转矩的0.2倍，即约为280 N·m。根据电机变频启动特性理论公式［8］，得到不同启动频率下电机转矩曲线如图3所示，其中T平衡为电机克服机械摩擦开始转动的临界转矩，即280 N·m。由图3可知，当变频器启动频率为3 Hz时，启动转矩大于280 N·m，表明在该频率下启动可以克服电潜泵的高启动摩擦转矩，因此将电潜泵电机启动频率设置为3 Hz。

图3 流花16-2油田A1井电潜泵电机不同启动频率下的转矩曲线Fig.3 Torque curves under different starting frequencies of ESP motor for Well A1 in LH16-2 oilfield

结合图3的分析结果，对流花16-2油田A1井电潜泵电机启动情况进行仿真分析。将启动频率设定为3 Hz，不断增大电压，直到转子开始旋转，最终得到启动阶段电潜泵电机各参数的变化曲线如图4所示。从图4可以看出，流花16-2油田A1井电潜泵在2 s左右克服电机静摩擦转矩后，电机转速跟随控制器给定频率上升速率达到额定转速，电机机械转矩、电磁转矩曲线和电机励磁磁通曲线均较为平滑且符合变化规律，表明变频器具有较好的启动特性，可实现电潜泵可靠平稳启动。

2.3 电网侧谐波分析

电网侧谐波分析采用某典型电压源型变频器各次谐波含量数据。采用ETAP软件对系统建模并进行仿真分析，得到系统6.3 k V中压母线总电压畸变度为0.176%，小于IEEE-STD-519-2014规范中要求的5.0%，说明系统谐波电压畸变度满足要求。FPSO运行1台透平发电机组情况下，中压母排最大短路电流（ISC）约为17 000 A，中压母排总负载电流（IL）约为1 700 A，ISC／IL＝10，此时计算得到流花16-2油田A1井支路的谐波电流畸变度最大为1.26%，小于IEEE-STD-519-2014规范中要求的5.0%的要求，说明系统电网侧谐波电流畸变度也满足要求。上述电压、电流的畸变度计算结果表明，对于多电平级联型变频器电网侧无须额外配置滤波装置。

2.4 变频器输出侧谐波分析

变频器输出波形含有大量高次谐波，在不设置输出滤波器的情况下容易与长距离海缆的电缆发生谐振。图5给出了流花16-2油田A1井变频器输出端未设置滤波器、设置L滤波器和设置LC滤波器等3种情况下，流花16-2油田A1井不同频率下电机端各次谐波的电压放大倍数，可以看出高频段谐波明显受到抑制；LC滤波器比L滤波器效果更佳，几乎可以滤除500 Hz以上的所有阶次谐波。考虑到变频器实际等效载波频率大于1 000 Hz，因此在低频区域仅会有很小的谐波电压放大［9-10］。在实际工程应用中，变频器的滤波器配置将会根据其设定的载波频率进行进一步校验。

图5 不同滤波器设置情况下流花16-2油田A1井电机端各次谐波电压放大倍数Fig.5 Voltage amplification as function of frequency on motor terminal with different filters for Well A1 in LH16-2 oilfield

针对流花16-2油田A1井在额定转速和负载情况下开展谐波分析，计算了不同频率、不同滤波器设置下不同位置的电压、电流及谐波畸变度，结果见表6。从表6可以看出，输出侧在不设置滤波器的情况下，电机端输入电压、电流总畸变度高，对电机危害较大，不利于电机长期运行；增加LC滤波装置之后，60 Hz运行时电机端谐波电压总畸变度小于3.1%，电流总畸变度小于1.5%；45 Hz运行时电机端谐波电压总畸变度小于6.1%，电流总畸变度小于4.3%；30 Hz运行时电机端谐波电压总畸变度小于8.1%，电流总畸变度小于8.2%。由于尚无针对变频电机谐波含量可接受值的标准，建议综合电流源型谐波情况在设备采办阶段要求ESP厂家核实电机影响或要求电机厂家通过优化设计适应本系统电能质量。

表6 流花16-2油田A1井谐波分析计算结果Table6 Harmonic analysis result of Well A1 in LH16-2 oilfield

需要注意的是，由于设计阶段海缆参数、电机参数均不确定，且变频器参数也会有差异（如载波频率、滤波器配置等），上述仿真分析仅能代表基本趋势，建议待各个设备均确定并得到厂家提供的参数后，再次进行仿真分析予以校验；尤其是变频器滤波器的设计十分关键，变频器厂家应进一步校核，确保输出电源电能质量满足海缆、水下电气设备及电机长期可靠运行要求。

2.5 电压波反射分析

变频器输出的高频脉冲可以看作是在长线电缆上进行长线传输的行波，由于输电电缆和电动机的阻抗不匹配，行波传输至电缆末端即电机端时会产生反射波电压，反射波与入射波叠加会使电动机端的电压近似加倍。图6给出了1 000 Hz开关频率下是否设置输出滤波器时流花16-2油田A1井电机输入端电压波形，可以看出，设置输出滤波器可以有效减少反射波含量，此时反射波对长距离输电的影响可以忽略不计；若未设置输出滤波器，低载波频率变频器的反射波影响不容忽视。

图6 1 000 Hz开关频率下有无输出滤波器时流花16-2油田A1井电机输入端电压波形Fig.6 The input voltage of the motor for Well A1 in LH16-2 oilfield with LC filter or not under 1 000 Hz swithing frequency

3 结论及建议

以流花16-2油田A1井为例开展了变频器长距离驱动电潜泵的电气系统研究和仿真分析，结果表明：系统的电压降水平在可接受范围内，电潜泵可正常启动；变频器输出侧通过配置合适容量的正弦波滤波器进行滤波，可确保电机端电压（电流）谐波含量在可接受范围内，并限制削弱反射波的影响。上述研究结果论证了流花16-2油田电潜泵长距离供电系统技术方案的可行性。

由于实际工程中电缆参数、电机参数等均可能存在10%左右偏差，建议工程实施阶段应由变频器厂家或ESP厂家开展整个系统的工厂出厂测试，进一步仿真分析优化滤波器配置，并核实电机端电压（电流）谐波含量、三相不平衡是否在合理范围内。此外，在采办过程中与常规项目不同的是，电潜泵采办文件中须提供不同频率下电机参数的变化属性、电磁饱和特性、谐波含量的可接收值，海底电缆和井下电缆采办文件中须提供相应敷设环境温度下不同频率下的参数属性，以确保工程建设阶段仿真分析及投产后变频器控制模型参数配置等更为精准。