流花16-2油田電潛泵長距離供電系統(tǒng)仿真分析

魏 澈 李 強(qiáng) 洪 毅 胡意茹 王文祥

（中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028）

水下生產(chǎn)系統(tǒng)長距離回接是深水油氣田常用的經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式之一，當(dāng)深水油田采用人工舉升開發(fā)時(shí)，電潛泵（ESP）或混輸增壓泵長距離供電是該類開發(fā)模式的技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)［1-3］。目前長距離水下供電工程應(yīng)用主要包括變頻器（VFD）直接驅(qū)動(dòng)、變頻器經(jīng)水上變壓器和水下變壓器驅(qū)動(dòng)2種模式，其中技術(shù)可行的情況下變頻器直接驅(qū)動(dòng)一般更為經(jīng)濟(jì)。目前世界上已投產(chǎn)距離最長的變頻器直接驅(qū)動(dòng)井下雙ESP（水下電潛泵）案例為挪威北海Otter油田（2003年投產(chǎn)）［4-5］，該油田水上變頻器通過23.4 km電纜（包括21.6 km海纜、1.75 km井下電纜及50 m上部組塊電纜）為水下雙電潛泵供電。其他具有代表性的水下供配電項(xiàng)目還有King及Aasgard氣田，其中King油田由水上變頻器直接通過29 km海底電纜為水下1 MW增壓泵供電，該油田是水上變頻器直接驅(qū)動(dòng)水下高壓電機(jī)距離最遠(yuǎn)的油田；Aasgard氣田采用水上變頻器，經(jīng)升壓變壓器、40 km海底電纜、水下降壓變壓器為水下11.5 MW壓縮機(jī)供電，該油田是目前國際上水下泥面大功率設(shè)備供電應(yīng)用距離最遠(yuǎn)的油田。

我國于1996年在流花11-1油田首次實(shí)現(xiàn)了為水下電潛泵供電。目前，國內(nèi)已有流花11-1、流花4-1和陸豐22-1等油田通過水下輸配電系統(tǒng)為水下電潛泵、增壓泵供電，距離流花4-1油田供電，約為14 km，陸豐22-1和流花11-1油田供電距離均不到1 km。其中，流花4-1、流花11-1油田為水下電潛泵供電，最大單臺設(shè)備用電功率約200～500 k W。目標(biāo)油田流花16-2采用電潛泵人工舉升開發(fā)模式，擬通過FPSO經(jīng)長距離海底電纜為水下（井下）雙電潛泵供電，最長供電距離達(dá)26 km，是目前世界上最遠(yuǎn)距離的變頻器直接驅(qū)動(dòng)雙電潛泵供電系統(tǒng)。由于雙電潛泵供電受油管掛電穿越濕式電接頭電壓等級和電潛泵電壓等級限制，系統(tǒng)輸電電壓約5 k V，具有低電壓長距離供電、系統(tǒng)諧波影響等特點(diǎn)，面臨解決啟動(dòng)控制、系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行等技術(shù)難題［6-7］。本文重點(diǎn)對流花16-2油田電潛泵長距離供電系統(tǒng)展開研究和仿真分析，解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題和難點(diǎn)，提出相應(yīng)的解決方案，從而有效指導(dǎo)該油田電潛泵長距離供電項(xiàng)目的實(shí)施。

1 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)

1.1 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

流花16-2油田變頻器長距離驅(qū)動(dòng)水下電潛泵供電方案如圖1所示，F(xiàn)PSO電力系統(tǒng)中壓母線提供6.3 k V電壓，下級接中壓變頻器，變頻器下級經(jīng)過約24.3 km海底電纜，通過水下中壓電力分配單元經(jīng)水下電力飛纜和1.7 km井下電纜為電潛泵供電。

圖1 流花16-2油田變頻器長距離驅(qū)動(dòng)水下電潛泵供電方案示意圖Fig.1 Power plan schematic diagram of VFD driving long distance subsea ESP in LH16-2 oilfield

考慮長距離海底電纜特性的電潛泵電機(jī)等效電路如圖2所示，其中Zc為海底電纜阻抗；r1、X1分別為定子繞組的電阻和漏抗；˙I1為海底電纜線路電流；˙I′2為電機(jī)定子電流；r′2、X′2分別為折算到定子邊的轉(zhuǎn)子繞組電阻和漏抗；S為轉(zhuǎn)差率；（1－S）／Sr′2為等效的負(fù)載電阻；rm為定子鐵芯損耗等效電阻；Xm為主磁通鐵芯電抗；˙Im為電機(jī)勵(lì)磁電流；˙U0為海底電纜輸入電壓；˙U1為電機(jī)端輸入電壓。在進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真分析時(shí)，如果仿真模型中電纜模型未考慮分布效應(yīng)，須將全線路海底電纜按照一定距離（根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)大約3～6 km）劃分為多個(gè)π型電路串聯(lián)的模式進(jìn)行分析計(jì)算。

圖2 考慮長距離電纜特性的電潛泵電機(jī)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of ESP motor considering the characteristics of long distance submarine cable

1.2 基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)

流花16-2油田A1井變頻器及輸出濾波器參數(shù)、海底電纜參數(shù)、井下電纜參數(shù)和電潛泵電機(jī)參數(shù)分別見表1～4，其中整流器采用二極管，逆變器類型選用5單元11電平。根據(jù)變頻器本身的固有特性及以往項(xiàng)目案例，適用于長距離直接驅(qū)動(dòng)的中壓變頻器一般包括多電平級聯(lián)型電壓源型變頻器和全控電流源型變頻器。本文將以多電平級聯(lián)型電壓源型變頻器為例進(jìn)行仿真分析。

表1 流花16-2油田A1井電潛泵變頻器及輸出濾波器參數(shù)Table1 Parameters of ESP VSD and output filter for Well A1 in LH16-2 oilfield

表2 流花16-2油田海底電纜束參數(shù)（電纜截面：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號電纜參數(shù)表（電纜截面：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井電潛泵電機(jī)參數(shù)Table4 Parameters of ESP motor for Well A1 in LH16-2 oilfield

2 供電系統(tǒng)仿真分析

2.1 穩(wěn)態(tài)潮流分析

穩(wěn)態(tài)潮流分析主要計(jì)算系統(tǒng)電壓降及損耗，驗(yàn)證系統(tǒng)方案及主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)的合理性。系統(tǒng)電壓降與井下電潛泵電機(jī)最高電壓等級、海底電纜截面相關(guān)，須綜合技術(shù)及經(jīng)濟(jì)兩方面進(jìn)行選取。目前國際上沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范對長距離供電系統(tǒng)的壓降最大允許值進(jìn)行規(guī)定，因此在廣泛調(diào)研國外相關(guān)成功投產(chǎn)項(xiàng)目實(shí)際壓降水平并咨詢相關(guān)變頻器和電機(jī)廠家的基礎(chǔ)上，建議將變頻器輸出電壓的20%作為長距離供電線路的最大允許壓降。

采用ETAP軟件對流花16-2油田A1井的線路壓降進(jìn)行了建模分析，結(jié)果見表5。根據(jù)分析結(jié)果，綜合考慮鉆完井后期油藏調(diào)整的可能性，推薦采用截面積為150 mm2的海底電纜為流花16-2油田A1井電潛泵供電。該計(jì)算結(jié)果反過來也可以指導(dǎo)電潛泵、電纜截面選型，使系統(tǒng)在滿足壓降要求的前提下達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最高。

表5 LH16-2油田A1井線路壓降與損耗Table5 Voltage drop and power loss of cable for Well A1 in LH16-2 oilfield

2.2 長距離啟動(dòng)計(jì)算與仿真分析

采用Digsilent Power Factory軟件對流花16-2油田A1井電潛泵電機(jī)進(jìn)行不同頻率下的啟動(dòng)仿真分析。該電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為1 401 N·m，由于油田產(chǎn)輕質(zhì)原油，黏度低，油品特性較好，因此設(shè)定電潛泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的0.2倍，即約為280 N·m。根據(jù)電機(jī)變頻啟動(dòng)特性理論公式［8］，得到不同啟動(dòng)頻率下電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線如圖3所示，其中T平衡為電機(jī)克服機(jī)械摩擦開始轉(zhuǎn)動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)矩，即280 N·m。由圖3可知，當(dāng)變頻器啟動(dòng)頻率為3 Hz時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于280 N·m，表明在該頻率下啟動(dòng)可以克服電潛泵的高啟動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，因此將電潛泵電機(jī)啟動(dòng)頻率設(shè)置為3 Hz。

圖3 流花16-2油田A1井電潛泵電機(jī)不同啟動(dòng)頻率下的轉(zhuǎn)矩曲線Fig.3 Torque curves under different starting frequencies of ESP motor for Well A1 in LH16-2 oilfield

結(jié)合圖3的分析結(jié)果，對流花16-2油田A1井電潛泵電機(jī)啟動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析。將啟動(dòng)頻率設(shè)定為3 Hz，不斷增大電壓，直到轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，最終得到啟動(dòng)階段電潛泵電機(jī)各參數(shù)的變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，流花16-2油田A1井電潛泵在2 s左右克服電機(jī)靜摩擦轉(zhuǎn)矩后，電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨控制器給定頻率上升速率達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩曲線和電機(jī)勵(lì)磁磁通曲線均較為平滑且符合變化規(guī)律，表明變頻器具有較好的啟動(dòng)特性，可實(shí)現(xiàn)電潛泵可靠平穩(wěn)啟動(dòng)。

2.3 電網(wǎng)側(cè)諧波分析

電網(wǎng)側(cè)諧波分析采用某典型電壓源型變頻器各次諧波含量數(shù)據(jù)。采用ETAP軟件對系統(tǒng)建模并進(jìn)行仿真分析，得到系統(tǒng)6.3 k V中壓母線總電壓畸變度為0.176%，小于IEEE-STD-519-2014規(guī)范中要求的5.0%，說明系統(tǒng)諧波電壓畸變度滿足要求。FPSO運(yùn)行1臺透平發(fā)電機(jī)組情況下，中壓母排最大短路電流（ISC）約為17 000 A，中壓母排總負(fù)載電流（IL）約為1 700 A，ISC／IL＝10，此時(shí)計(jì)算得到流花16-2油田A1井支路的諧波電流畸變度最大為1.26%，小于IEEE-STD-519-2014規(guī)范中要求的5.0%的要求，說明系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)諧波電流畸變度也滿足要求。上述電壓、電流的畸變度計(jì)算結(jié)果表明，對于多電平級聯(lián)型變頻器電網(wǎng)側(cè)無須額外配置濾波裝置。

2.4 變頻器輸出側(cè)諧波分析

變頻器輸出波形含有大量高次諧波，在不設(shè)置輸出濾波器的情況下容易與長距離海纜的電纜發(fā)生諧振。圖5給出了流花16-2油田A1井變頻器輸出端未設(shè)置濾波器、設(shè)置L濾波器和設(shè)置LC濾波器等3種情況下，流花16-2油田A1井不同頻率下電機(jī)端各次諧波的電壓放大倍數(shù)，可以看出高頻段諧波明顯受到抑制；LC濾波器比L濾波器效果更佳，幾乎可以濾除500 Hz以上的所有階次諧波?？紤]到變頻器實(shí)際等效載波頻率大于1 000 Hz，因此在低頻區(qū)域僅會有很小的諧波電壓放大［9-10］。在實(shí)際工程應(yīng)用中，變頻器的濾波器配置將會根據(jù)其設(shè)定的載波頻率進(jìn)行進(jìn)一步校驗(yàn)。

圖5 不同濾波器設(shè)置情況下流花16-2油田A1井電機(jī)端各次諧波電壓放大倍數(shù)Fig.5 Voltage amplification as function of frequency on motor terminal with different filters for Well A1 in LH16-2 oilfield

針對流花16-2油田A1井在額定轉(zhuǎn)速和負(fù)載情況下開展諧波分析，計(jì)算了不同頻率、不同濾波器設(shè)置下不同位置的電壓、電流及諧波畸變度，結(jié)果見表6。從表6可以看出，輸出側(cè)在不設(shè)置濾波器的情況下，電機(jī)端輸入電壓、電流總畸變度高，對電機(jī)危害較大，不利于電機(jī)長期運(yùn)行；增加LC濾波裝置之后，60 Hz運(yùn)行時(shí)電機(jī)端諧波電壓總畸變度小于3.1%，電流總畸變度小于1.5%；45 Hz運(yùn)行時(shí)電機(jī)端諧波電壓總畸變度小于6.1%，電流總畸變度小于4.3%；30 Hz運(yùn)行時(shí)電機(jī)端諧波電壓總畸變度小于8.1%，電流總畸變度小于8.2%。由于尚無針對變頻電機(jī)諧波含量可接受值的標(biāo)準(zhǔn)，建議綜合電流源型諧波情況在設(shè)備采辦階段要求ESP廠家核實(shí)電機(jī)影響或要求電機(jī)廠家通過優(yōu)化設(shè)計(jì)適應(yīng)本系統(tǒng)電能質(zhì)量。

表6 流花16-2油田A1井諧波分析計(jì)算結(jié)果Table6 Harmonic analysis result of Well A1 in LH16-2 oilfield

需要注意的是，由于設(shè)計(jì)階段海纜參數(shù)、電機(jī)參數(shù)均不確定，且變頻器參數(shù)也會有差異（如載波頻率、濾波器配置等），上述仿真分析僅能代表基本趨勢，建議待各個(gè)設(shè)備均確定并得到廠家提供的參數(shù)后，再次進(jìn)行仿真分析予以校驗(yàn)；尤其是變頻器濾波器的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，變頻器廠家應(yīng)進(jìn)一步校核，確保輸出電源電能質(zhì)量滿足海纜、水下電氣設(shè)備及電機(jī)長期可靠運(yùn)行要求。

2.5 電壓波反射分析

變頻器輸出的高頻脈沖可以看作是在長線電纜上進(jìn)行長線傳輸?shù)男胁?，由于輸電電纜和電動(dòng)機(jī)的阻抗不匹配，行波傳輸至電纜末端即電機(jī)端時(shí)會產(chǎn)生反射波電壓，反射波與入射波疊加會使電動(dòng)機(jī)端的電壓近似加倍。圖6給出了1 000 Hz開關(guān)頻率下是否設(shè)置輸出濾波器時(shí)流花16-2油田A1井電機(jī)輸入端電壓波形，可以看出，設(shè)置輸出濾波器可以有效減少反射波含量，此時(shí)反射波對長距離輸電的影響可以忽略不計(jì)；若未設(shè)置輸出濾波器，低載波頻率變頻器的反射波影響不容忽視。

圖6 1 000 Hz開關(guān)頻率下有無輸出濾波器時(shí)流花16-2油田A1井電機(jī)輸入端電壓波形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 結(jié)論及建議

以流花16-2油田A1井為例開展了變頻器長距離驅(qū)動(dòng)電潛泵的電氣系統(tǒng)研究和仿真分析，結(jié)果表明：系統(tǒng)的電壓降水平在可接受范圍內(nèi)，電潛泵可正常啟動(dòng)；變頻器輸出側(cè)通過配置合適容量的正弦波濾波器進(jìn)行濾波，可確保電機(jī)端電壓（電流）諧波含量在可接受范圍內(nèi)，并限制削弱反射波的影響。上述研究結(jié)果論證了流花16-2油田電潛泵長距離供電系統(tǒng)技術(shù)方案的可行性。

由于實(shí)際工程中電纜參數(shù)、電機(jī)參數(shù)等均可能存在10%左右偏差，建議工程實(shí)施階段應(yīng)由變頻器廠家或ESP廠家開展整個(gè)系統(tǒng)的工廠出廠測試，進(jìn)一步仿真分析優(yōu)化濾波器配置，并核實(shí)電機(jī)端電壓（電流）諧波含量、三相不平衡是否在合理范圍內(nèi)。此外，在采辦過程中與常規(guī)項(xiàng)目不同的是，電潛泵采辦文件中須提供不同頻率下電機(jī)參數(shù)的變化屬性、電磁飽和特性、諧波含量的可接收值，海底電纜和井下電纜采辦文件中須提供相應(yīng)敷設(shè)環(huán)境溫度下不同頻率下的參數(shù)屬性，以確保工程建設(shè)階段仿真分析及投產(chǎn)后變頻器控制模型參數(shù)配置等更為精準(zhǔn)。