深水油气田开发长距离大功率供电技术发展综述*

邱银锋 李 强 万光芬 魏 澈

(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028 )

目前全球海洋石油产量已占石油总产量的1/3。近10年来发现的超亿吨级大型油气田中有40%左右都在深水，全球海洋油气年产能力超过10亿吨，其中深水已超过2亿吨。新发现的深水油气田的平均储量规模达到1.6亿桶，是陆地上的8倍，再次证明了深水是未来发现大型油气田可能性最大的领域[1-2]。由于深水油气田开发技术难度大，投资往往是陆地同规模油田的数倍。近年来为了降低深水油气田开发成本，通过水下油气田井口长距离回接开发技术，利用现有海上油田生产处理设施(固定平台、浮式装置、陆地终端)的开发方案越来越受到国际石油公司的关注。同时为了提高油气藏采收率和项目收益，在深水长距离回接开发技术基础上，近年又发展出了水下分离、水下压缩和水下增压等一系列水下生产新技术，而且通过这些新技术的应用，能够降低井口压力，延长油气田的生产寿命，而这些新技术中所用的大功率水下设备如水下电潜泵、水下增压泵、水下注水泵、水下压缩机等的正常运行都离不开深水长距离大功率供电。

从1996年世界上第1个水下井口电潜泵项目——南海流花11-1油田项目开始，水下大功率供电技术获得了越来越多的应用。根据国外石油工程公司不完全统计，截至2013年，在进行方案设计和已经投产的水下分离、水下增压和压缩项目就达到50余个。深水大功率供电方案也随着供电距离、供电功率的增长得到了不断发展[3-6]。目前比较成熟且有大量成功应用案例的深水长距离大功率供电方案主要有变频器直接驱动方案和水下变压器方案。水下高压交流配电技术由于相应的水下输配电设备尚在不断研制完善中，目前还没有成功商业应用案例，而水下直流输配电技术等深水长距离大功率供电方案也在不断涌现，但目前国内缺少对深水长距离供电技术方案的系统论述。本文对深水长距离大功率供电技术在国内外应用案例、发展现状、关键技术及其适应性等方面开展了综述分析，同时对该技术的发展方向及水下电气设备标准制定工作进展进行了介绍，以期为更好地将深水长距离大功率供电技术应用于我国深水油气田开发以及推进水下电气设备的国产化提供参考。

1 变频器长距离直接驱动方案

1.1 方案原理

水下电潜泵和水下增压泵等大功率水下生产设备由于起动和调速需要，一般都会配置一对一的变频调速装置。通常情况下，为了避免长距离驱动变频器输出谐波、共模电压和波反射等问题，陆地或海上固定平台大功率用电设备的安放会尽可能地靠近其变频调速装置，两者之间的距离一般为几米到几十米不等。而在深水油气田回接开发方案中，水下大功率用电设备与其依托设施的距离长达几千米甚至上百千米。在变频器长距离直接驱动方案中，大功率水下设备所配置的变频器布置在水下生产系统长距离回所接依托的固定平台或者浮式装置的上部组块电气房间内，然后通过长距离海底电缆和湿式电接头直接给水下的大功率设备供电。图1为变频器长距离直接驱动方案电气原理图。

1.2 适用范围及关键技术

变频器长距离直接驱动方案主要用来给水下井口电潜泵、注水泵和水下增压泵等水下生产系统大功率设备供电。目前该方案在国内外深水油田开发中已获得了大量应用(表1)。在国内，利用该技术相继开发了流花11-1、陆丰22-1[1，3]、流花4-1[7]等多个深水油田，并取得了良好的应用效果。正在施工过程中的流花16-2项目,通过布置在FPSO上部组块的电潜泵变频器，直接驱动流花16-2、流花20-2和流花21-2等3个油田26台水下电潜泵[8]。该项目中，水下电潜泵和驱动变频器之间的距离最远超过了27 km，是目前世界上水下电潜泵直接变频驱动的最长距离案例。

变频器长距离直接驱动方案由于其供电系统简单，无需水下电气设备，因此供电可靠性高，投资相对较低，是目前水下长距离大功率供电的首选方案。但由于受上部变频器输出电压和水下用电设备输入电压的限制，在中远距离大功率供电方案中无法满足要求。一般认为变频器长距离直接驱动方案适用的距离不超过30 km，单个负载功率不超过500 kW。变频器长距离直接驱动方案的关键是解决变频器输出电压中的谐波和电压变化率[8]，目前在其输出端加装滤波器是主流的解决方案。滤波器的设计需要根据供电距离、变频器的载波频率和海缆等参数进行综合考虑后确定。

表1 变频器长距离直接驱动方案国内外应用案例Table 1 Application cases of VFD long distance direct driving

2 水下变压器方案

2.1 方案原理

变频器长距离直接驱动方案中，随着直接驱动距离增长和驱动功率的增加，系统电压损失和电能损耗将越来越大。解决的方案主要有2种。方案一是增加输电海缆直径。但是增加海缆截面一方面会导致成本剧增，另一方面由于海缆的集肤效应和容性效应，截面增加带来的效果将越来越有限，因此海缆截面不可能无限增加。方案二是提高变频器驱动系统的输出电压。但目前驱动变频器输出的最高电压等级在10 kV左右，而水下生产系统用电设备的电压等级一般不超过6.6 kV。随着水下生产系统回接距离越来越长，水下生产系统设备功率越来越大，变频器长距离直接驱动方案应用将越来越受到局限。为解决此问题，水下变压器方案随即产生。即在变频器长距离直接驱动方案的基础上，分别在水上变频器输出端增加水上升压变压器，同时在水下生产系统用电设备输入端增加水下降压变压器(图2)。水下变压器方案可以通过提升海缆供电电压来解决因供电距离太长或功率较大导致电压和损耗过大的问题，同时减小海缆截面。

图2 水下变压器方案电气原理图Fig .2 Electrical schematic of subsea transformer plan

2.2 适用范围及关键技术

水下变压器方案从2000年实现第1个商业应用开始，目前已在国外海上油田获得了大量应用。目前能够生产水下变压器成熟商业产品的只有ABB和西门子2家公司，但只有ABB的获得了大规模应用。表2为ABB公司的部分水下变压器应用案例。水下变压器方面，目前国内尚未有相应的应用案例。

表2 ABB公司水下变压器部分应用案例Table 2 Application cases of ABB subsea transformer

由于水下变压器制造工艺难度大，只有极少数厂家具备相关制造技术，价格相对昂贵，因此较适用于只有少量水下用电设备的水下增压泵、水下压缩机等方案的长距离大功率供电，而在具有较多用电设备的水下电潜泵供电方案中经济性较差。一般认为水下变压器方案的供电电压等级不超过35 kV，供电距离不超50 km。水下变压器作为本方案中的核心关键设备，其难点主要在于解决其在免维护情况下的长期稳定运行，需要解决的关键技术主要有变压器外壳的密封和防腐技术、压力补偿技术和散热技术。

由于水下增压和水下压缩机方案是未来一个重要的发展方向，因此打破少数厂家水下变压器的垄断，降低方案成本是十分必要的。目前国内的中海油研究总院与中船重工719所正在开展水下变压器的科技攻关，现阶段已完成了工程样机的研发(图3)。该样机额定容量为800 kV·A，输入电压为10 kV，输出电压为3.3 kV，输入高压部分采用干式高压电连接器，输出部分采用湿式高压电连接器，变压器外壳采用耐腐蚀的钛合金材质。

图3 中海油研究总院与中船重工719所研制的水下变压器工程样机Fig .3 Engineering prototype of subsea transformer developed by CNOOC RI and CSIC 719 RI

3 水下交流输配电方案

3.1 方案原理

随着回接距离的进一步增加以及深水油气田“水下工厂”开发方案的提出，已有的变频器长距离直接驱动方案和水下变压器方案都受到了严峻挑战。主要原因是在“水下工厂”开发方案中，水下负荷数量越来越多，负荷越来越大，需求的电压等级各异，已有的变频器长距离直接驱动方案和水下变压器方案由于供电距离长，用电设备数量太多，采用这2种方案需要大量的输电海缆和水下变压器，成本将变得难以接受，方案也就不再适用。此种情况下，水下交流输配电方案应运而生。在水下交流输配电方案中，海上石油开采过程中所需的电力直接由陆地电网通过高压海底电缆进行长距离输送；同时，通常布置于海上石油平台的交流输配电的设备如断路器、变压器、变频器、UPS等在此方案中也将全部布置于水下。图4为水下交流输配电方案电气原理图。

图4 水下交流输配电方案电气原理图Fig .4 Electrical schematic of subsea power AC transmission and distribution

目前ABB、西门子等设备厂家联合Staoil、Shell等石油公司通过JIP(Joint Industry Project)都在积极开展水下交流输配电设备的研制和工程样机的试验，争取早日实现商业化应用。图5为ABB公司的水下变频器以及西门子公司的水下变压器和断路器[13]。

3.2 适用范围及关键技术

水下交流输配电方案能够实现超过100 km和100 MW级的大功率长距离供电，因此可在不建造海上固定平台或浮式装置的情况下实现深水石油的开采。同时此方案中，水下增压泵、水下湿气压缩机等设备全部布置于水下井口附近，较大程度地避免恶劣的海洋环境如台风等恶劣天气对海上石油开采的影响，能够提高地下油藏采收率和能源利用率，具有很好的经济效益和应用前景。但是如何通过设计和制造实现断路器、变频器、UPS等水下电气设备在免维护情况的长期稳定工作是目前尚未完全攻克的难题。鉴于此方案的巨大经济优势和应用前景，建议国内科研机构和水下设备生产厂家联合开展断路器、变频器、UPS、电机等水下电气设备的科技攻关，早日突破相关关键技术，在国际上实现水下交流输配电方案应用的“弯道超车”。

图5 水下交流输配电设备Fig .5 Subsea AC transmission and distribution equipment

4 深水长距离大功率供电技术探索方案

针对当前深水长距离大功率供电方案存在的缺陷，行业内部分公司和研究人员提出了一些改进的深水长距离大功率供电方案，但目前这些方案尚处于设想探索阶段，离商业化应用还存在一定的距离。

4.1 水下高压交流电机方案

针对变频器长距离直接驱动方案供电距离和功率受限，而水下变压器方案成本高、经济性较差的缺点，文献[14]提出了一种水下高压交流电机方案。即在变频器长距离直接驱动方案中，在其上部组块变频器输出侧增加升压变压器，同时将常规水下泵或压缩机的驱动电机电压从6.6 kV提升至13.6 kV，从而实现更远距离和更大功率的驱动，提高变频器长距离直接驱动方案的适应性。

由于目前13.8 kV电机已在陆地工业中获得了广泛应用，技术成熟，且此方案能够在不增加水下变压器的情况下，提高变频器长距离直接驱动方案的供电功率和供电距离，因此该方案具有很小的风险和很好的应用前景。鉴于目前深水水下电机主要由国外厂家供货，建议国内相关行业人员加大与国外供货厂家在水下高压交流电机需求方面的沟通，引导厂家进行相关产品序列的研发；同时开展水下高压电机的国产化研发，以便在未来合适的项目中可进行选型应用。

4.2 水下直流电机方案

同样针对变频器长距离直接驱动方案供电距离和功率受限的问题，而水下变压器方案成本高、经济性较差的缺点，有学者提出采用水下直流电机方案[15]。即水下泵和水下压缩机的驱动电机采用直流电机而非常规的交流电机。这样可以采用较低的输送电压，同时避免交流输送过程中长距离海底电缆的容性效应和电压损失。

但是目前大功率直流电机相对交流电机可靠性较低(有刷直流电机电刷容易磨损出现故障，无刷直流电机需采用电力电子设备进行换向)，维护工作量大，且缺乏MW级的大功率产品。因此直流电机在本身技术没有大的突破的情况下，在需要长期免维护的水下生产系统中进行应用，目前还具有较大的局限性。

4.3 水下低频交流输配电方案

Aker Solutions公司针长距离海底电缆的容性效应，导致在超远距离输送应用中受限的问题，提出了一种低频水下交流输配电方案[16]。该方案通过上部组块的变频器将常规的50/60 Hz频率电源降低至16.7 Hz频率电源；同时在海底增加一套永磁电动机-永磁发电机的频率转换装置，在水下将16.7 Hz电源恢复到正常50/60 Hz频率电源，以降低交流长距离输送过程中海缆容性效应，从而提升输送距离。

本方案通过低频交流技术来提高送电距离，相对水下变压器方案虽然节省了水下变压器，但是同时需要在水下增加1套永磁电动机-永磁发电机的频率转换装置。目前转换装置缺乏成熟的商业产品，因此相对水下变压器方案成本更高，且可靠性相对较低，因此离实际应用尚有较大距离。

4.4 水下直流输配电方案

针对水下交流输配电方案中由于长距离海底电缆的容性效应导致在超远距离输送应用中受限的问题，提出了水下直流输配电方案，将陆地的直流输配电系统应用于水下生产系统电力供应中。

由于直流输配电系统中需要采用大量的电力电子设备进行电能变换，且相对于交流配电系统缺乏成熟可靠的低成本的直流断路器，且目前在陆地配电网尚未获得大规模应用，因此要将直流输配电系统应用于水下输配电则更加任重而道远。因此建议对陆上直流配电技术的发展进行跟踪，在水下高压交流输配电设备取得成功应用后再进行水下直流设备的研发。

5 水下输配电设备标准化

针对水下输配电技术的发展和应用的日益广泛，2010年Statoil、Shell、Total、Petrobras、Chevron、ExxonMobil及Woodside等七大国际石油公司成立了水下电力标准化联合工业项目(Subsea Electrical Power Standardisation Joint Industry Project，SEPS JIP)，该项目旨在通过成员公司的共同努力并分享各自在水下输配电技术方面积累的经验和技术实践，为水下输配电技术中的关键部件制定国际标准，减少重复的工程工作，降低深水油田开发的成本。

SEPS JIP于2014年发布了首个水下电气设备标准《SEPS SP-1001 Power connectors,penetrators and jumper assemblies with rated voltage from 3 kV (Umax = 3.6 kV)to 30 kV (Umax = 36 kV)》，并于2016年发布了第2个水下电气设备标准《SEPS SP-1002 Subsea power transformers》。目前SEPS JIP正在致力于第3个水下电气设备标准《SEPS SP-1003 Subsea electrical motors》的发布。在SEPS JIP工作的基础上，国际电工委员会(IEC)和美国电气与电子工程师协会(IEEE)中相应的水下电气委员会，正在推动将其成果推广成各自的国际标准。表3为IEC和IEEE水下电气设备标准制定计划。

表3 IEEE/IEC水下电气设备标准制订计划Table 3 Development plan for subsea electrical equipment standard of IEEE/IEC

注：IEEE/IEC-61886.X代表目前还没有确定具体的序号。

目前国内尚未有水下电气设备的相关标准，建议国内相关行业从业人员紧跟国外相关设备标准的编制与发布工作，从而为国内研发水下电气设备提供参考。在条件成熟的情况下，编制国内的相关行业标准乃至国家标准，从而促进国内水下电气设备制造技术的发展。

6 结束语

深水长距离大功率供电技术是深水油气田长距离回接开发方案及水下泵和水下增压技术顺利实施的关键因素，而水下输配电设备的研发则是深水长距离大功率供电技术顺利实施的重中之重。因此，建议国内行业从业人员紧跟深水长距离大功率供电技术的发展动态，加大对水下变压器、水下电连接器和水下配电柜等水下输配电“卡脖子”设备的研发力度，早日实现设备的国产化，助力我国南海深水油气田经济高效开发。