海洋油氣平臺(tái)集群岸電供應(yīng)技術(shù)研究

魏鵬飛，于祥春，高帥，張維維，安曉龍

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

引言

現(xiàn)今社會(huì)碳排放量每天都在增加，人類(lèi)生存所處環(huán)境面臨的壓力越來(lái)越大，因此我們國(guó)家提出了2035年達(dá)到“碳中和”和2060年達(dá)到“碳達(dá)峰”的“雙碳”達(dá)標(biāo)目標(biāo)。為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，推動(dòng)建設(shè)上中下游全產(chǎn)業(yè)鏈綠色低碳化油田，中國(guó)海油集團(tuán)公司與國(guó)家電網(wǎng)公司兩大央企共同打造海上油田群岸電供應(yīng)項(xiàng)目，以陸地清潔電能替代海上發(fā)電機(jī)組，供海上油田生產(chǎn)使用。常規(guī)海上油氣平臺(tái)電力供應(yīng)并非連接國(guó)家電網(wǎng)，而是主要依靠自建發(fā)電機(jī)機(jī)組發(fā)電提供，以油田產(chǎn)出的原油、天然氣或者柴油為燃料。而本文提出的岸電則是將陸地國(guó)家電網(wǎng)的電力通過(guò)海底電纜輸送至海上平臺(tái)，為海上平臺(tái)提供電力供應(yīng)。

本文通過(guò)分析研究渤海某項(xiàng)目油田群原有供電方案，提出一套新的海洋油氣田區(qū)域集群陸地國(guó)家電網(wǎng)岸電供配技術(shù)方案，改變?cè)瓉?lái)海上油氣田“自發(fā)電”電力供應(yīng)成本較高、碳排放較高、電源可靠性不足、進(jìn)口發(fā)電機(jī)組維修成本高的局面，實(shí)現(xiàn)海上油田群高電壓等級(jí)清潔電力的接入。

1 海上油田群自發(fā)電供電技術(shù)方案

海上油氣開(kāi)采與陸地油氣開(kāi)采存在比較大的不同，它的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)比較高，技術(shù)難度相對(duì)比較大，自動(dòng)化水平的要求也更加先進(jìn)。由于海上油氣開(kāi)采平臺(tái)離陸地的距離相對(duì)比較遠(yuǎn)，油氣開(kāi)采設(shè)備及配套控制系統(tǒng)的電力需求都需要平臺(tái)自己配備發(fā)電設(shè)備。海上電力系統(tǒng)不同于陸上油田所采用的電網(wǎng)供電方式，海上油田一般釆用平臺(tái)自發(fā)電集中供電微電網(wǎng)形式。

如圖1所示，渤海某作業(yè)區(qū)塊岸電接入前原供電方案便是采用自發(fā)電微電網(wǎng)供配電方案。該作業(yè)區(qū)原供電方案共分了三個(gè)平臺(tái)組，C4 CEPA、N-CEP、N-WHPB和N-WHPC四個(gè)平臺(tái)組成一個(gè)平臺(tái)組，CEPJ、WHPG、WHPB、CEPI、WHPC和WHPH六個(gè)平臺(tái)組成一個(gè)平臺(tái)組，WHPA、WHPE、WHPF、WHPD、FPSO、Q-WHP和Q-WHPA七個(gè)平臺(tái)組成一個(gè)平臺(tái)組。

圖1 渤海某作業(yè)區(qū)塊自發(fā)電供電方案

單個(gè)的平臺(tái)組通常采用自發(fā)電的電力供電方式，設(shè)置發(fā)電機(jī)機(jī)組電力供應(yīng)站，以油田產(chǎn)出的原油、天然氣或者柴油為燃料驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電供電，然后由主配電間室和應(yīng)急配電室的配電盤(pán)將電力輸送至各個(gè)用電設(shè)備。因此海上釆油平臺(tái)上的發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)和容量應(yīng)能保證其中最大容量的一臺(tái)發(fā)電機(jī)損壞或停止工作時(shí)，仍能保證對(duì)生產(chǎn)作業(yè)和生活用電等電氣設(shè)備的供電。海上釆油平臺(tái)屬于高危作業(yè)，電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定或發(fā)電機(jī)的故障將帶來(lái)巨大損失，為了提高安全系數(shù)，每個(gè)平臺(tái)組都會(huì)有一個(gè)大容量的發(fā)電機(jī)作為備用。

從該作業(yè)區(qū)原有供電方案來(lái)看，存在如下幾大弊端：

1、平臺(tái)組的發(fā)供電形式是自給自足，一旦出現(xiàn)發(fā)電機(jī)組故障或者線路故障造成系統(tǒng)關(guān)斷，必將導(dǎo)致油田停產(chǎn)。等故障解除，油田想再次恢復(fù)正常生產(chǎn)，所費(fèi)周期很長(zhǎng)。

2、單個(gè)電站擁有較弱的抗沖擊性，因?yàn)閭溆媚芰Σ粔?，常常出現(xiàn)注水泵、壓縮機(jī)、電潛泵等大功率設(shè)備無(wú)法正常啟動(dòng)的現(xiàn)象。

3、為保證安全、連續(xù)生產(chǎn)，每個(gè)平臺(tái)組都會(huì)配備幾臺(tái)備用的大容量發(fā)電機(jī)，以滿足故障和應(yīng)急需要，這造成了投資成本的增高和平臺(tái)空間資源的浪費(fèi)。

4、由于備用機(jī)組的增加，導(dǎo)致配電系統(tǒng)和接線更為復(fù)雜，就各平臺(tái)目前的情況而言，對(duì)目前的電力系統(tǒng)所進(jìn)行的維護(hù)工作量非常大。

5、各平臺(tái)組的電力供應(yīng)，通常會(huì)由附近中心處理平臺(tái)上的燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)機(jī)組電站提供，而如果該地區(qū)的天然氣儲(chǔ)量不足將影響整體供電效果。

6、伴隨油氣開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步深入，海上各單元的電力負(fù)荷逐漸增加，已接近電站最大出功負(fù)荷。根據(jù)后期規(guī)劃，注水注聚擴(kuò)大、調(diào)整井等項(xiàng)目仍將持續(xù)幵展，如滿足全部負(fù)荷需求，各電站將逐漸轉(zhuǎn)變成無(wú)備用機(jī)組狀態(tài)。

7、平臺(tái)電力用電需求與電力供站負(fù)荷相差不多，熱備裕量相對(duì)不大，極易受大型設(shè)備啟動(dòng)干擾，電力供應(yīng)站穩(wěn)定性較差。平均每年因電站異常關(guān)停而造成的直接、間接產(chǎn)量損失達(dá)萬(wàn)方左右，對(duì)作業(yè)區(qū)產(chǎn)量任務(wù)的完成影響較大。

8、自建的發(fā)電機(jī)機(jī)組電力供應(yīng)站提供電力供應(yīng)，以油田自己產(chǎn)出的原油、天然氣或者柴油為主要燃料，清潔能源較少，碳排放量較高。

2 集群岸電供應(yīng)技術(shù)方案

為了解決自發(fā)電供配電模式的八大弊端，針對(duì)距離海岸相對(duì)較近的海上采油平臺(tái)引入岸電工程，由陸地的國(guó)家電網(wǎng)給海洋石油平臺(tái)集群進(jìn)行供電。如圖2所示，渤海某作業(yè)區(qū)塊打破原有供電分組，三組平臺(tái)組均統(tǒng)一通過(guò)陸地國(guó)家電網(wǎng)進(jìn)行供電。該項(xiàng)目新建一座變電平臺(tái)EPP作為電力集散平臺(tái)，統(tǒng)籌國(guó)家電網(wǎng)岸電引入海洋的對(duì)接電力分配。新建一座新建一座4 腿油水處理平臺(tái)CEPL（與CEPJ平臺(tái)棧橋連接），處理超出CEPJ 平臺(tái)處理能力的部分產(chǎn)液，處理后的含水原油通過(guò)棧橋先輸送至CEPJ平臺(tái)，隨后與CEPJ平臺(tái)處理后的原油混合后通過(guò)海管輸送到WHPF平臺(tái)，與WHPF平臺(tái)產(chǎn)液混合后通過(guò)已有海管輸送到FPSO進(jìn)一步處理，電力供應(yīng)統(tǒng)一由EPP平臺(tái)負(fù)責(zé)。新建一座4腿油水處理平臺(tái)CEPK（與CEPI平臺(tái)棧橋連接），處理WHPG+B平臺(tái)產(chǎn)液，處理后的含水原油與CEPI 平臺(tái)處理后的原油混合后通過(guò)已有海管輸送WHPD平臺(tái)，與WHPD平臺(tái)的產(chǎn)液混合后最終通過(guò)海管輸送到FPSO進(jìn)一步處理，電力供應(yīng)統(tǒng)一由EPP平臺(tái)負(fù)責(zé)。其他已建平臺(tái)均進(jìn)行改造處理，通過(guò)海底電纜利用就近平臺(tái)進(jìn)行電力供應(yīng)。

圖2 渤海某作業(yè)區(qū)塊岸電接入供電方案

取消原N-CEP中心平臺(tái)上的發(fā)電機(jī)，取消原FPSO浮式采油平臺(tái)上的發(fā)電機(jī)，取消CEPI中心平臺(tái)上的發(fā)電機(jī)，取消CEPJ中心平臺(tái)上的發(fā)電機(jī)，移至其他深海平臺(tái)再利用。取消WHPF和WHPE之間的海底電纜對(duì)接，取消FPSO和WHPD之間的海纜連接，取消WHPG和CEPI之間的海纜連接，其他原海底保留不變。通過(guò)陸地變電站引一路28.2千米220KV 3C x 630mm2的海底電纜至EPP平臺(tái)，同時(shí)再引一路62.4千米110KV 3C x 630mm2的海底電纜至EPP平臺(tái)。

3 集群岸電能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供電模式的整體調(diào)整，對(duì)應(yīng)能源管理系統(tǒng)也要調(diào)整。海洋油氣平臺(tái)集群岸電供應(yīng)電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示，紅色底色部分為新增系統(tǒng)，藍(lán)色底色部分為已有系統(tǒng)，綠色底色部分為規(guī)劃部分系統(tǒng)，黃色底色部分為暫不考慮部分系統(tǒng)。

圖3 集群岸電供應(yīng)電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

陸地新建集控中心，并設(shè)置了EMS陸地監(jiān)控客戶端，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)陸地遠(yuǎn)程集中監(jiān)控該區(qū)塊海上所有平臺(tái)的能源管理及區(qū)域整體生產(chǎn)情況。陸地監(jiān)控中心通過(guò)光纖配線柜及海底大容量光纖與新建的變壓平臺(tái)EPP連接，再通過(guò)交換機(jī)與原有系統(tǒng)局域網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)海陸一體通訊鏈路。原有Q作業(yè)區(qū)塊綜合調(diào)整區(qū)服務(wù)器及客戶端保持不變，新建Q作業(yè)區(qū)老區(qū)客戶端系統(tǒng)，規(guī)劃C/N客戶端系統(tǒng)。

該能源管理系統(tǒng)利用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)、控制方法來(lái)對(duì)能源進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度、分配。在保證能源系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化方案，節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)用能的精細(xì)化管理。徹底的告別了以往的故障猜測(cè)、能耗估計(jì)的主觀判斷方法。在組網(wǎng)電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)在保證組網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，還綜合了智能電網(wǎng)的理念。

多個(gè)平臺(tái)之間控制系統(tǒng)信息傳輸使用光纖通訊方式，自動(dòng)化通訊主干網(wǎng)絡(luò)采用自愈環(huán)形以太網(wǎng)模式，具備相對(duì)比較穩(wěn)定的工作性能。當(dāng)兩條光纖通訊鏈路在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上產(chǎn)生故障的時(shí)候，該兩處的光端機(jī)會(huì)自動(dòng)將光纖鏈路環(huán)回，形成兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)形網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)鏈路的自愈，使系統(tǒng)保持正常的運(yùn)行。待故障解除后光端機(jī)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的工作方式，具有較高的可靠性。

4 岸上工程設(shè)計(jì)

海洋油氣平臺(tái)集群岸電供應(yīng)系統(tǒng)岸上工程設(shè)計(jì)通常包括變電站設(shè)計(jì)和配套線路工程設(shè)計(jì)。

（1）岸電供應(yīng)系統(tǒng)岸上變電站設(shè)計(jì)。岸上變電站的總體平面布置，按照最終規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)，并留有擴(kuò)建余地。根據(jù)系統(tǒng)和線路設(shè)計(jì)要求，220kV架空/電纜混合出線向西。整個(gè)開(kāi)關(guān)站自西向東分別為：220kV配電裝置樓區(qū)域-變壓器/高壓電抗區(qū)域-SVG室/綜合樓（包括集控中心、二次設(shè)備間、35kV配電裝置間、辦公室、休息間等）。220kV配電裝置樓與35kV SVG室/綜合樓相對(duì)平行布置，變壓器/高壓電抗布置在220kV與35kV SVG室/綜合樓之間，便于主變壓器各側(cè)進(jìn)線的引入。35kV動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置采用SVG型式，布置在單獨(dú)的房間。

該變電站為中海油系統(tǒng)內(nèi)較為重要的開(kāi)關(guān)站，站內(nèi)電氣設(shè)備的可靠性要求較高。站址所處地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對(duì)比較發(fā)達(dá)，污穢等級(jí)為e級(jí)，土地資源較為稀缺，征地費(fèi)用較高，220kV配電裝置選用GIS設(shè)備。該站離海邊距離很近，大氣質(zhì)量相對(duì)較差，潮濕的空氣和鹽霧對(duì)設(shè)備的防腐性能要求相對(duì)比較高。GIS設(shè)備采用室內(nèi)布置方案，能夠減少鹽霧腐蝕和降低運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用，適當(dāng)延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高供電可靠性，因此該站設(shè)計(jì)方案采用《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)220kV變電站模塊化建設(shè)（2017年版）》中220-A3-2方案。由于本工程為開(kāi)關(guān)站，與變電站內(nèi)容差距較大，因此本工程主要采用了A3-2方案中的電氣總平面布置方案和220kV配電裝置樓布置方案。

（2）岸電供應(yīng)系統(tǒng)岸上配套線路工程設(shè)計(jì)。根據(jù)該陸地岸上工程配電線路工程所在地理位置，結(jié)合土地整體規(guī)劃情況，由于線路路徑受限，部分路段只能采用電纜敷設(shè)。充分考慮陸地部分、防潮堤、海域在建施工項(xiàng)目情況，并與地方政府申請(qǐng)確認(rèn)規(guī)劃建設(shè)情況，進(jìn)行路徑規(guī)劃確權(quán)。結(jié)合規(guī)劃部門(mén)以及當(dāng)?shù)毓╇姽疽庖?jiàn)，通過(guò)圖上選線，現(xiàn)場(chǎng)踏勘、沿線收集資料，并與沿線有關(guān)部門(mén)多次協(xié)商，選定路徑設(shè)計(jì)方案。

陸地岸上工程配電線路高壓電纜的敷設(shè)，可以采用電纜槽、電纜溝、排管、電纜隧道等方式，其中電纜溝和電纜槽通常用于回路較多的情況。本工程電纜截面較大，電纜自重大，拖拽難度較高，不適合排管方式。電纜槽方式施工難度小，速度快，尤其在地下水位高的沿海地區(qū)，非常具有優(yōu)勢(shì)。本工程采用電纜槽敷設(shè)，電纜采用水平排列方式。電纜監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)、局部放電檢測(cè)及護(hù)套環(huán)流檢測(cè)系統(tǒng)，用于電纜的保護(hù)和故障監(jiān)測(cè)預(yù)警。

陸地岸上工程配電線路桿塔型式的選擇，應(yīng)該充分考慮工程沿線自然條件特點(diǎn)，并按照國(guó)家有關(guān)基本建設(shè)方針和技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策執(zhí)行，遵照“安全可靠、先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)合理、資源節(jié)約、環(huán)境友好、符合國(guó)情”的原則，遵照《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50545-2010）的規(guī)定，同時(shí)充分利用國(guó)家電網(wǎng)公司2011年通用設(shè)計(jì)的成果。該項(xiàng)目地形、氣象條件及導(dǎo)地線型號(hào)與《國(guó)家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)成果（輸變電工程通用設(shè)計(jì)、通用設(shè)備）應(yīng)用目錄（2011年版）》中的2B5模塊的規(guī)劃條件相同，采用國(guó)家電網(wǎng)公司“2011年版目錄”中通用設(shè)計(jì)的塔型。

該項(xiàng)目陸地岸上工程配電線路塔基礎(chǔ)選用灌注樁基礎(chǔ)，采用HRB400級(jí)鋼筋，C40抗?jié)B混凝土（P10）。鋼筋混凝土中添加鋼筋阻銹劑，阻銹劑的摻入量不小于產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)強(qiáng)腐蝕對(duì)應(yīng)的最低值。電纜溝采用C30混凝土、HRB400級(jí)鋼筋預(yù)制。電纜溝待內(nèi)部電纜安裝完畢后內(nèi)填細(xì)沙，墊層采用C20混凝土。不考慮電纜溝上部車(chē)輛通行，接頭井采用C30混凝土（抗?jié)B等級(jí)P8級(jí)），HRB400級(jí)鋼筋現(xiàn)澆。鋼構(gòu)件采用Q235B鋼，E43型焊條焊接，滿焊，焊縫高度為較薄構(gòu)件厚度且不小于6mm，焊縫檢驗(yàn)等級(jí)按照III級(jí)執(zhí)行。

5 結(jié)論

文中提到的海上油氣開(kāi)采區(qū)塊平臺(tái)集群岸電供應(yīng)技術(shù)方案，已經(jīng)在某渤海海上油氣平臺(tái)群岸電供應(yīng)項(xiàng)目中投產(chǎn)使用，而且使用效果較好。海上油氣開(kāi)采區(qū)塊平臺(tái)集群岸電電力供應(yīng)系統(tǒng)投入后，降低了區(qū)域電力供應(yīng)費(fèi)用、減少了溫室排放指標(biāo)、提高了電力供應(yīng)可靠性，實(shí)現(xiàn)海上油氣田集群高電壓等級(jí)清潔電力的接入。原來(lái)海上所用的鉆機(jī)、修井機(jī)等大部分機(jī)械驅(qū)動(dòng)的作業(yè)機(jī)具也實(shí)現(xiàn)了電氣化轉(zhuǎn)型，為油田智能化奠定了基礎(chǔ)。

與海洋和陸地之間的岸電電力供應(yīng)海纜一同敷設(shè)的光纖，為海上智能油田建設(shè)所需的海量數(shù)據(jù)傳輸與高速信息交互鋪設(shè)了一條海陸間電力及信息高速公路，它解決了海陸通訊的帶寬瓶頸，使得海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以傳送到陸地集控中心。

該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了海洋和陸地岸電國(guó)家電力供應(yīng)及通訊的一體化，這將推動(dòng)云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字技術(shù)與勘探開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)深度融合，促進(jìn)海洋油氣開(kāi)采方式的轉(zhuǎn)變和管理流程的進(jìn)一步優(yōu)化，使井口平臺(tái)無(wú)人化、中心平臺(tái)進(jìn)一步少人化、決策中心轉(zhuǎn)移陸地化、油藏研究實(shí)現(xiàn)可視化、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)進(jìn)一步協(xié)同化、戰(zhàn)略決策更加科學(xué)化，促使海上油氣田向數(shù)字化、智能化、無(wú)人化深度轉(zhuǎn)型。