海上油田新型主发电站技术分析

徐海波 洪 毅 王文祥 安维峥 侯广信 于邦廷

(中海油研究总院 北京 100028)

海上油田新型主发电站技术分析

徐海波 洪 毅 王文祥 安维峥 侯广信 于邦廷

(中海油研究总院 北京 100028)

根据渤海某油田开发的特点，对海上油田主发电站配置规模、形式、燃料选择等方面进行了分析和研究，提出了一种可以同时使用柴油、天然气、原油等的多燃料透平发电机组作为主发电机组。研究表明，在海上油田开发中，为减少运营费用，主发电站的燃料应首先是油田伴生气，其次是伴生气+自产原油，然后是自产原油，最后才是柴油；多燃料的透平发电机组可以应用于海上油田开发，实现了主发电站选型的多元和灵活性，为海上石油的开发提供更多的保障，但是该多燃料透平机组对于原油燃料的要求比较高，需要设计多燃料供应系统，并对实际应用的情况进行跟踪了解，优化完善设计方案以及相应辅机的配置方案，以提高该机组在后续应用中的安全性、可靠性。

海上油田开发；主发电站；多燃料透平发电机组；伴生气；原油；柴油；渤海油田

通常，海上油田开发中需要在油田的某区域内配置一定规模的主发电站，以满足油田开发过程中自耗电的需求，为油田开发提供连续不断的动力源泉。实践表明，主发电站的选型方案往往会影响海上油田的开发策略和总体方案的设计，常规主发电站通常是以单燃料或者双燃料电站为主。为了提高主电站对可利用燃料的适应能力以及对伴生能源的利用效率，减小伴生气的放空量，实现节能减排的目标，本文研究提出同时使用多燃料主发电机技术，并以渤海某油田为例，从以下几个方面对该油田主发电站的配置方案进行了分析：首先分析油田自身产量的特点以及油田周边可以利用的资源，以此来初步确定主电站的燃料选择；其次根据海上油田开发的特点和对主电站配置的要求，研究分析主电站设计方案；最后综合多方面因素并考虑主电站方案的经济效益来决定最终的选型方案。

1 油田特点分析

1.1 油田概况

渤海某油田计划新建2座中心平台CEPA、CEPB和1座井口平台WHPC(图1)。由于受到FPSO上主电站容量限制，其发电量仅能满足FPSO上工艺设施的电负荷需求，计划新建的3座平台需要配置新电站才能满足供电需求。经过比选，计划在新建中心平台CEPB上设置主发电站为新建中心平台CEPA和井口平台WHPC供电；在中心平台CEPA上设置一级工艺处理设施，对油、气、水混合物进行初步处理后再全部输送到FPSO上进行处理、储存、外输；中心平台CEPB的井口物流与井口平台WHPC的井口物流混合后进行一级分离处理，处理后的油、水混合物输送到FPSO进行处理、存储、外输，一级分离出的伴生气供新建主电站使用。

图1 渤海某油田新建平台示意图

1.2 燃料分析

通常，在海上油气田的开发中，新建主电站均采用油田自产天然气或原油作为燃料[1]。渤海某油田新建平台油、气、水产量预测结果见表1。由表1可知，在该油田新建的3座平台中，中心平台CEPA高峰期日产气量为19.2万m3(2017年)，中心平台CEPB和井口平台WHPC日产气量为30.2万m3(2016年)。根据工艺流程设计，中心平台CEPA所产物流只能输送到FPSO，不能供给中心平台CEPB上新建电站使用，所以CEPB上新建主电站只能利用CEPB和WHPC所产的天然气或原油作为燃料。

该油田新建平台电负荷需求见表2。由表2可知，新建平台设施需求的最大电负荷为修井工况的48 988 kW。根据主电站燃料估算方法可以计算出主电站的耗气量和耗油量需求[2]。

表1 渤海某油田新建平台产量预测结果

表2 渤海某油田新建平台电负荷需求统计

耗气量

(1)

耗油量

(2)

式(1)、(2)中：k为燃气储备系数，一般取1.1～1.3；Ne为需求电功率，kW；Ge为机组热耗率，kJ/kWh(或者为机组耗油率，k)；Hlv为气体燃料的低热值，kJ/Sm3;ρ为液体燃料的密度，kg/m3。

根据逐年电负荷需求预测，如果主电站全部采用天然气作为燃料，根据式(1)计算的该油田需求燃料气量统计见表3。由表3可以看出，该油田生产的可供主电站使用的天然气气量不能满足实际电量耗气量的需求，同时该油田也不能从其他油田获得可靠的天然气补充，因此该油田新建主电站可以使用的燃料为部分油田自产伴生气体和自产原油。

表3 渤海某油田新建平台主发电站耗气量统计

2 主电站选型设计分析

2.1 常用主电站

1) 主电站类型。在海上油田开发中，主电站按照结构形式主要分为往复式发电机组和透平发电机组[2-4]，若按照燃料的种类则可以分为柴油发电机组、原油发电机组、天然气发电机组、双燃料发电机组、多燃料发电机组，其中双燃料发电机组可以是柴油与原油、柴油与天然气、天然气与原油；多燃料发电机组可以采用3种燃料以上的机组，可以使用的燃料有柴油、天然气、原油、重油、生物燃油等。通常，在海上平台上使用的多燃料机组是指可以使用柴油、原油和天然气的发电机组[5-6]。

2) 主电站规格。在海上油田开发中，由于油田需求电负荷不同和油田燃料供应的特点，主电站的规格等级较多[7-8]，通常有表4所示的5种形式，其中以双燃料机组应用较多(在双燃料机组中以柴油、天然气透平发电机组应用业绩最好)，采用多燃料(柴油、原油、天然气)的机组比较少。

表4 海上油田主发电站机组类型

2.2 多燃料主电站供货情况

通过对国内外发电机组厂商的调研，目前能够使用柴油、原油和天然气作为燃料的发电机组有透平发电机和往复式发电机。结合各类机组供货厂商的情况，技术成熟且有相应供货业绩的机组统计结果见表5。

表5 多燃料发电机组情况统计结果

由表5可以看出，可以生产多燃料发电机组的厂商共有5家，其中厂商甲、乙2家的机组形式是透平机组，该机组的特点是技术成熟，单台功率较大，原油处理要求较高，辅机系统复杂，其中厂商乙的机组不能同时使用液体燃料和气体燃料，且效率较低；厂商丙、丁、戊等3家可以生产往复式发动机，该机组的特点是技术成熟，效率较高，但是单台功率较小，需要点火燃料，辅机系统比较复杂，同时液体燃料和气体燃料不能同时使用。

戒烟组治疗后血清中细胞因子IL-4，IL-6及IL-8浓度较治疗前明显下降，差异有统计学意义（P＜0.05）。 继续吸烟组治疗后细胞因子IL-4，IL-6及IL-8浓度较治疗前有所下降，但差异无统计学意义（P＞0.05）。戒烟组治疗后较继续吸烟组治疗后细胞因子浓度明显下降，差异有统计学意义（P＜0.05）。 见表 1。

2.3 多燃料主电站配置方案选择

按照该项目电负荷需求情况(最大需求约49 MW)，结合厂商的供货能力，提出的新建主电站设计方案有3种(表6)。

表6 渤海某油田不同电站方案参数设计(功率49 MW)

对于方案3，由于单台机组功率相对较小，机组质量较大，需要配置的发电机台数较多，而且需要把机组设置在相应的房间内。结合本项目的平台布置总体方案，该方案将需要新建一座平台来放置发电机组，同时该机组虽然效率相对较高，但是在余热再利用上目前尚未有比较成熟的方案。所以，综合机组本身的特点和对项目整体方案的影响，该方案的投资费用较高，不作为推荐方案。 对于方案2和方案1，机组均为透平机组，机组本身效率虽然相对较低，但可通过配置余热回收装置后提升能源的利用率，该技术在国内海上平台已经有较多的应用案例。但是，由于方案2的机组不能混合同时使用液体燃料和气体燃料，会造成部分伴生气的浪费，因此经过分析推荐采用方案1，该机组可以同时使用原油、天然气、柴油等作为燃料，而且燃料可以按照一定的比例进行混合使用，可以充分利用油田自产伴生气，同时该机组功率等级适中，装置负荷率比较适合于海洋石油开发中单台电站功率的要求。

2.4 多燃料主电站燃料处理工艺流程设计

在该项目主电站的配置选型方案中，推荐采用可以使用天然气、原油、柴油等作为燃料的透平发电机组，其中天然气和原油是主燃料，柴油是辅助燃料。为了满足发电机组的正常运行，设计了相应的气体燃料处理工艺和液体燃料处理工艺流程。

气体燃料处理工艺流程如图2所示。从分离器分离出的伴生气经过天然气压缩机增压后直接进入燃料气缓冲罐，然后再经过燃料气过滤器和燃料气加热器进入原油燃气透平发电机组。

图2 渤海某油田原油燃气透平机组气体燃料处理工艺流程

液体燃料处理工艺流程如图3所示。首先海上平台的井口原油经过3级处理(一级分离、二级分离、电脱水)后进入原油沉降罐储存；然后进行原油闪蒸处理，使原油的闪点(闭口)大于60 ℃[9]；接着对闪蒸后的原油分别进行加药处理和离心分离机水洗，主要除去原油中的部分重金属和碱金属，使原油达到透平机组燃料油的要求，进入原油日用罐[10]；最后原油日用罐的原油和柴油日用罐的柴油可以根据发电机组需要混合进入燃料油罐，燃料油罐的燃料经过燃油循环泵增压后供机组发电使用。

图3 渤海某油田原油燃气透平机组液体燃料处理流程

3 燃料费用分析

对于产气量较小的海上油田，主电站通常配置原油燃料和柴油燃料的发电机，其主燃料使用原油或柴油，伴生气只能放空处理，而在该项目中推荐采用可以同时燃烧3种燃料的机组，不但可以节省燃料费用，而且还能提高燃料的利用率。估算结果表明，在该油田预计运行15年期间，如果全部采用天然气作为燃料，总燃料费用约为34.5亿元；如果全部采用原油作为燃料，总燃料费用约为45.8亿元；如果采用自产气+自产原油作为燃料，总燃料费用为42.1亿元。由此可见，该项目在天然气源不能全部满足自发电需求时，采用2种燃料相结合的方式可以节省燃料费用，减少项目在运行过程中的运营费用。

4 结论

1) 在海上油田开发中，为减少运营费用，主电站的燃料应首先使用油田伴生气，其次是伴生气+自产原油，然后是自产原油，最后才是采用柴油。

2) 往复式发电机组的单机效率虽然高于透平机组，但是透平机组尾气温度较高，可以进行余热回收利用，所以对于2种机组的选择需要根据具体油气田的燃料特点、平台规模、电负荷和热负荷的需求等多种因素来决策。

3) 多燃料的透平发电机组可以应用于海上油田开发中，实现主电站选型的多元和灵活性，为海上石油的开发提供更多的保障，但是多燃料透平机组对于原油燃料的要求比较高，需要设计多燃料供应系统，应根据机组的要求和油田油、气物性特点设计合理的处理流程，并对实际应用的情况进行跟踪了解，优化完善设计方案以及相应辅机的配置方案，以提高该机组在后续应用中的安全性、可靠性。

[1] 杜佳.海上天然气平台主电站设计案例分析[J].价值工程，2013,32(15):41-42.

Du Jia.Design case of main power plant in offshore gas platform[J].Value Engineering，2013,32(15):41-42.

[2] 海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南(第2册)-海洋石油工程机械与设备设计[M].北京：石油工业出版社，2007.

[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，2007.

[4] 陈华平.主电站设计及原动机选型探讨[J].中国海上油气(工程)，2000,12(6):51-56.

Chen Huaping.Discussion on the design and selection of main power plants during pre-study stage[J].China Offshore Oil and Gas (Engineering)，2000,12(6):51-56.

[5] 刘菊娥.渤西油田群主电站机组的选择[J].中国海上油气(工程)，1997,9(3):1-7.

Liu Ju’e.Selection of generator set of main power station for Boxi field cluster development[J].China Offshore Oil and Gas (Engineering) ,1997,9(3):1-7.

[6] 邱健勇.近海油/气田主电站用燃气轮机设计问题初探[J].中国海上油气(工程)，1995,7(5)13-18.

Qiu Jianyong.Preliminary exploration on type selection design of gas turbine used in main power station of offshore oil/gas field[J].China Offshore Oil and Gas(Engineering)，1995,7(5)：13-18.

[7] 燃气轮机与燃气—蒸汽联合循环装置编委会.燃气轮机与燃气—蒸汽联合循环装置[M].北京：中国电力出版社，2007.

[8] 杨桂恒，贺明智，袁春,等.柴油发电机组技术手册[M].北京：化学工业出版社，2009.

[9] 中华人民共和国国家经济贸易委员会.海上固定平台安全规则[S].2000.

[10] 叶兵.海上低闪点原油主电站燃料油解决方案[J].内蒙古石油化工，2010,36(9):59-60.

Ye Bing.The fuel oil selection for low flash point crude oil main power plant offshore[J].Inner Mongolia Petrochemical Industry，2010,36(9):59-60.

(编辑：叶秋敏)

Analysis of the technologies for the new type of power generators on offshore oilfields

Xu Haibo Hong Yi Wang Wenxiang An Weizheng Hou Guangxin Yu Bangting

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

According to the characteristics of the offshore oilfield development in Bohai Sea, the specification, the form, the fuel selection of main power station were analyzed. The purpose of the research was to search for a new multi-fuel turbine generator which can be fueled by various fuels such as diesel, natural gas and crude oil at the same time. Research shows that in order to reduce the operation costs in offshore field development, fuel choice for the main power plants should be in the following order: associated gas from the field, associated gas plus produced crude oil, produced crude oil, and diesel as the last resort. If the multi-fuel turbine generator can be used in offshore oilfield development, more diversity and flexibility can be enjoyed in main power station selection. Moreover, it will provide better reliability for offshore oilfield development. But the multi-fuel gas turbine generator is more demanding on crude oil fuel, and it is necessary to elaborate the multi-fuel supply system, follow up the actual application, optimize design scheme and the corresponding auxiliary configuration, aiming at improving the security and reliability of the unit in afterward applications.

offshore oilfield development; main power plant; multi-fuel turbine generator; associated gas; crude oil; diesel; Bohai oilfield

徐海波，男，高级工程师，2008年毕业于中国石油大学(北京)，现主要从事油气田开发中固定平台、FPSO及水下生产系统所需主要机械设备选型设计。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院(邮编：100028)。E-mail:xuhb4@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)02-0151-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.02.021

TU852

A

2015-03-15 改回日期：2015-05-27

徐海波,洪毅,王文祥，等.海上油田新型主发电站技术分析[J].中国海上油气，2016,28(2)：151-155.

Xu Haibo,Hong Yi,Wang Wenxiang,et al.Analysis of the technologies for the new type of power generators on offshore oilfields[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(2):151-155.