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海洋油气远距离变频驱动关键技术研究及实验验证 王善芬1,郭 宏2,刘 盈1,张 嵘3,吕晶剑1,周忠豪1,郭江艳2(1.青岛海洋工程水下设备检测有限公司,山东青岛 2 6 6 0 0 0;2.中海油研究总院有限责任公司,北京 1 0 0 0 7 0;3.中海油能源发展股份有限公司,北京 1 0 0 0 2 7)摘 要 随着世界能源的逐渐消耗,深海油气田的开采已经越来越成为重要研究课题。目前,我国深海水下生产技术已经开始发展和应用,水下供电系统却始终是制约我国水下生产技术开拓创新的重要因素。开展远距离变频驱动实验平台分析仿真和搭建就显得尤为重要。本文依托实验平台进行系统谐振分析、电机启动试验等研究,验证了远距离变频驱动实验平台的试验能力,表明系统可以有效模拟实际工程运行状态,能够对水下供电系统的研究提供进一步的技术支撑。关键词 远距离供电;水下供电;供电测试中图分类号:T E 9 5 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5 7 2 9 7(2 0 2 3)0 0 6 7 0 5d o i:1 0.1 2 0 8 7/o e e t.2 0 9 5-7 2 9 7.2 0 2 3.0 2.1 1R e s e a r c h a n d E x p e r i m e n t a l V e r i f i c a t i o n o n K e y T e c h n o l o g i e s o f R e m o t e F r e q u e n c y C o n v e r s i o n D r i v e f o r O f f s h o r e O i l a n d G a sWA N G S h a n f e n1,G UO H o n g2,L I U Y i n g1,Z HA N G R o n g3,L U J i n g j i a n1,Z HOU Z h o n g h a o1,G UO J i a n g y a n2(1.Q i n g d a o O c e a n E n g i n e e r i n g a n d S u b s e a E q u i p m e n t I s p e c t i o n&T e s t i n g C o.,L t d.,Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 0 0 0,C h i n a;2.C N O O C R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,B e i j i n g,1 0 0 0 7 0,C h i n a;3.C N O O C E n e r g y D e v e l o p m e n t C o.,L t d.,B e i j i n g,1 0 0 0 2 7,C h i n a)A b s t r a c t W i t h t h e g r a d u a l c o n s u m p t i o n o f e n e r g y i n t h e w o r l d,t h e e x p l o i t a t i o n o f d e e p-s e a o i l a n d g a s f i e l d s h a s g a i n e d s i g h i f i c a n t i m p o r t a n c e a s a r e s e a r c h t o p i c.A t p r e s e n t,t h e d e e p-s e a u n d e r w a t e r p r o d u c t i o n t e c h n o l o g y h a s s t a r t e d t o d e v e l o p a n d p u t t o p r a c t i c e,a n d t h e u n d e r w a t e r p o w e r s u p p l y h a s a l w a y s b e e n a n i m p o r t a n t f a c t o r t h a t r e s t r i c t s t h e i n n o v a t i o n o f C h i n e s e u n d e r w a t e r p r o d u c t i o n t e c h n o l o g y.I t i s v e r y i m p o r t a n t t o c a r r y o u t t h e l o n g-d i s t a n c e c o n v e r s i o n d r i v e e x p e r i m e n t a l p l a t f o r m a n a l y s i s s i m u l a t i o n a n d c o n s t r u c t i o n.T h i s p a p e r l e v e r a g e s t h e e x p e r i m e n t a l p l a t f o r m t o c a r r y o u t s y s t e m r e s o n a n c e a n a l y s i s,m o t o r s t a r t-u p a n d o t h e r r e s e a r c h,a n d v e r i f i e s t h e t e s t a b i l i t y o f t h e l o n g-d i s t a n c e f r e q u e n c y c o n v e r s i o n d r i v e e x p e r i m e n t a l p l a t f o r m.I t s h o w s t h a t t h e s y s t e m c a n e f f e c t i v e l y s i m u l a t e t h e o p e r a t i o n s t a t e o f t h e a c t u a l e n g i n e e r i n g,a n d p r o v i d e f u r t h e r t e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h e r e s e a r c h o f u n d e r w a t e r p o w e r s u p p l y s y s t e m.K e y w o r d s l o n g-d i s t a n c e p o w e r s u p p l y;u n d e r w a t e r p o w e r s u p p l y;p o w e r s u p p l y t e s t0 引 言近几十年,随着海上油气田开发深度的不断增加,水下生产系统以其显著的技术优势、可观的经济效益,被各大石油公司广泛应用。在海洋油气开采这一特殊应用环境下,由于油气井很多情况下距基金项目:中海石油(中国)有限公司科技项目(Y X K Y-2 0 1 6 Z Y-0 5)。作者简介:王善芬(1 9 8 3),男,研究生,工程师,主要从事海洋电气、电力电子与电力拖动方面的研究。E-m a i l:s u p e r_w s f 1 6 3.c o m。第1 0卷 第2期 2 0 2 3年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E QU I P ME N T A N D T E C HN O L O G YV o l.1 0,N o.2J u n.,2 0 2 36 8 海洋工程装备与技术第1 0卷离开采平台较远,甚至达上百公里,需要长距离电缆连接变频器与电机。长距离电缆的寄生参数会带来如电压问题、系统运行问题、变频器的控制策略要求及其出口滤波器的选型问题等实际应用问题1、2。远距离变频驱动系统是油气田水下生产系统的关键组成部分,包括深水井口电潜泵、注水泵和增压泵等大功率供电设备,在国内外深水油田开发中已获得了大量应用。国内公司利用该技术相继开发了流花1 1 1、陆丰2 2 1等多个深水油田,并取得了显著的开采效果。在流花1 6 2项目中,布置在F P S O上部组块的变频器,直接驱动流花1 6 2、流花2 0 2和流花2 1 3等3个油田2 6台水下电潜泵。变频器和水下电潜泵间的距离最远超过了2 7 k m,是目前世界上水下电潜泵直接变频驱动的最长距离案例3 6。文章通过中压大功率变频驱动供电系统7 9实验技术的研究,开展电机启动、电潜泵特性模拟等试验,通过远距离变频供电系统的测试分析,验证该平台针对深海油气开发中水下供电系统开展测试的可行性。1 远距离变频驱动关键技术及仿真1.1 远距离变频供电系统介绍流花1 6 2油田远距离变频驱动水下电潜泵项目,如图1所示,相关参数见表1表3。F P S O电力系统为电流源型变频器供电,变频器输出经过海缆后到达电潜泵。图1 流花1 6 2油田变频器长距离驱动水下电潜泵供电方案F i g.1 P o w e r s u p p l y s c h e m e o f l o n g d i s t a n c e e l e c t r i c s u b m e r s i b l e p u m p d r i v e n b y f r e q u e n c y c o n v e r t e r i n L i u h u a 1 6 2 O i l f i e l d表1 流花1 6 2油田A 1井电潜泵变频器及输出滤波器参数T a b.1 I n v e r t e r a n d o u t p u t f i l t e r p a r a m e t e r s o f e l e c t r i c s u b m e r s i b l e p u m p i n w e l l A 1 o f L i u h u a 1 6 2 O i l f i e l d参数参数值变频器容量/k V A8 0 0输出电压/k V0 6.0输出频率/H z0 7 0功率单位额定电流/A1 0 5输出滤波器电感/mH7.0输出滤波器电阻/3 0 0 表2 流花1 6 2油田海底电缆束参数T a b.2 S u b s e a c a b l e b u n d l e p a r a m e t e r s o f L i u h u a 1 6 2 o i l f i e l d(电缆截面:3 3 C 1 5 0m m2)温度/2 0.09 0类型正序正序单位长度电阻/(/k m)0.1 3 1 00.1 6 6 7单位长度电抗/(mH/k m)0.3 7 2 20.3 7 3 1点位长度电容/(F/k m)0.40.4表3 流花1 6 2油田A 1井电潜泵电机参数T a b.3 M o t o r p a r a m e t e r s o f e l e c t r i c s u b m e r s i b l e p u m p i n w e l l A 1 o f L i u h u a 1 6 2 O i l f i e l d参数参数值额定功率/k W5 0 0额定电压/V4 2 0 0额定电流/A1 0 3额定转差率/%4.5电机额定转矩/(N/m)1 4 0 1额定转速/(r/m i n)3 6 0 01.2 系统谐振过电压变频器与电潜泵之间,海缆长度为2 7 k m,通电后出现R L C振荡特性。当系统内存在与振荡回路自振频率相同或相近的频率分量时,变频供电系统可能会产生谐振现象,使系统内出现过电压,从而造成海缆绝缘老化、击穿;使电潜泵电机端电压电流产生畸变,控制精度降低并使电机发热严重。根据图2所示变频器与电潜泵之间海缆的等效第2期王善芬,等:海洋油气远距离变频驱动关键技术研究及实验验证6 9 电路,可以得到图3和图4所示的末端开路情况下电缆电压幅值、频率和距离三者的仿真模拟图。在7 1 0H z、距离为1 7.4 k m位置,出现了2.2 9倍的最大幅值,且此谐振点靠近变频器的开关频率,系统易产生谐振。在变频器输出端增加专门设计的滤波器后,谐振频率变为了1 0 0 0H z,距离为1 0.4 k m位置,幅值已经降低到了1.3 5倍,谐波的占比在系统里低于1%且远离了变频器的开关频率,可以判断谐振不会对系统产生影响,仿真结果如图4所示。图2 R L C谐振等效电路图F i g.2 R L C r e s o n a n t e q u i v a l e n t c i r c u i t d i a g r a m图3 无滤波器系统谐振图F i g.3 R e s o n a n c e d i a g r a m o f a f i l t e r l e s s s y s t e m图4 带滤波器系统谐振图F i g.4 R e s o n a n c e d i a g r a m o f s y s t e m w i t h f i l t e r2 实验系统介绍根据流花1 6 2油田远距离变频驱动供电系统特点搭建了实验平台,实验平台由供电模块、变频器模块、电缆模拟装置模块、电机模块、陪试系统模块、测量控制模块等组成,如图5所示。可进行电潜泵等不同负载特性试验、转矩突变试验、转速突变试验、电机启动试验等1 0 1 5。实验平台额定功率为5 0 0 k W、最高转速6 0 0 0 r/m i n、最大转矩3 0 0 0Nm,具有一套全尺寸的电缆模拟装置,可模拟电缆长度为03 0 k m,详细参数如表4所示。电缆模拟装置参数见表5。图5 中压大功率变频驱动供电系统总体架构F i g.5 G e n e r a l a r c h i t e c t u r e o f m e d i u m-v o l t a g e h i g h-p o w e r f r e q u e n c y c o n v e r s i o n d r i v e p o w e r s u p p l y s y s t e m7 0 海洋工程装备与技术第1 0卷表4 实验平台参数T a b.4 E x p e r i m e n t a l p l a t f o r m p a r a m e t e r s序号名称参数大小1输入电压1 0 k V 1 0%2输入频率5 0H z 2%3变频输出电压0 6 k V4变频输出频率0 1 2 0H z5额定功率5 0 0 k W(可扩展)6最高转速6 0 0 0 r/m i n7额定转矩2 0 0 0Nm8电机异步电机或P M S M表5 电缆模拟装置参数T a b.5 C a b l e a n a l o g d e v i c e p a r a m e t e r s序号名称参数大小1额定电压1 0 k V2最大电流1 2 0A3最大频率2 0 0H z4模拟线径9 5mm2、1 2 0mm2、1 5 0mm2、2 4 0mm25可模拟距离0 3 0 k m(可扩展至1 0 0 k m)6监控功能完整的保护和监控功能3 实验结果及分析3.1 电机启动实验在额定输入电压时,电缆模拟装置模拟电缆长度3 0 k m工况下启动电机,测量并记录电机速度、平均输出转矩、电机线电压、电机相电流。从图6可见,变频器在长电缆工况下,电机可以正常启动;启动力矩设定为9 0%额定转矩时,电机图6 电机端电压、电流曲线F i g.6 M o t o r t e r m i n a l v o l t a g e a n d c u r r e n t c u r v e s侧的电流、电压、频率及输出力矩均完全符合工艺控制要求,系统波形正常,没有谐振产生;启动力矩设定为9 0%额定转矩时,由于长距离电缆的影响,电机的转矩特性将变软。3.2 负载特性实验模拟电缆长度在3 0 k m工况下,通过改变陪试电机的输出扭矩和负载电机的速度,在整个速度区段范围内升速和降速两个方向进行扫描,使负载电机输出的转矩转速符合电潜泵特性曲线、压缩机特性曲线。电潜泵的特性曲线如图7所示。图7 电潜泵特性曲线F i g.7 C h a r a c t e r i s t i c c u r v e o f e l e c t r i c s u b m e r s i b l e p u m p借助于实验平台的数据采集系统,运用专业测量仪表对电机速度、平均输出转矩、电机线电压、电机相电流等参数进行实时测量。从图8可见,负载特性实验验证了实验平台在电潜泵负载特性时的运行情况。电潜泵特性时转矩随转速的增加以转速平方的规律增加,在额定速度时达到额定转矩。实验结果表明:系统能正常工作,电机平稳运行,能正确模拟电潜泵特性。图8 电机端电压、电流曲线F i g.8 M o t o r t e r m i n a l v o l t a g e a n d c u r r e n t c u r v e s第2期王善芬,等:海洋油气远距离变频驱动关键技术研究及实验验证7 1 4 结 论本文通过不同类型的实验,依托远距离变频驱动实验平台进行系统谐振分析、负载特性试验等研究,得出如下结论:通过远距离变频驱动实验平台,针对深海油气开发中水下供电系统开展相关测试,可以完成实际工程运行状态的复现。远距离变频驱动实验平台的负载特性实验,验证了在电潜泵负载特性时的运行情况,证明了该平台可以开展电潜泵、压缩机等不同负载特性的实验。参 考 文 献1张海磊,杨洪庆,刘晓明.变频器远距离水下电潜泵控制的问题研究J.资源节约与环保,2 0 2 0,(2):9 5 9 7.2李志刚,贾鹏,王洪海,等.水下生产系统发展现状和研究热点J.哈尔滨工程大学学报,2 0 1 9,4 0(5):9 4 4 9 5 2.3秦世利,张俊斌,畅元江,等.流花4 1油田水下电潜泵远程控制系统研究及方案设计J.中国海上油气,2 0 1 4,2 6(3):1 0 21 0 6.4平朝春,郭宏,李锐鹏,等.变频驱动分析中长线电缆传输模型应用对比J.广东电力,2 0 1 8,3 1(1 0):1 0 1 1 0 8.5李志刚,贾鹏,王洪海,等.水下生产系统发展现状和研究热点J.哈尔滨工程大学学报,2 0 1 9,4 0(5):9 4 4 9 5 2.6郭江艳,王双成,王永,等.油气田水下供电技术综述J.电气技术,2 0 2 1,2 2(3):1 5.7王成,李正,金建中.能量回馈式节能型异步电机对拖试验方案设计J.电子科技,2 0 1 6,2 9(1 1):4 4 4 6.8王家.基于共直流母线的变频器对拖试验系统设计J.电力电子技术,2 0 1 4,4 8(7):1 0 1 2.9张子实.风电变桨对拖试验台改进与控制优化D.秦皇岛:燕山大学,2 0 1 8.1 0庄德玉.采煤机非机载调速系统牵引性能试验研究J.工矿自动化,2 0 1 4,4 0(1 2):4 9 5 2.1 1黄敏,陈元初,王一刚,等.舰船推进试验电源的负载突变适应性设计J.船电技术,2 0 1 8,3 8(1):3 6 3 9.1 2顾根堂,王建中.电潜泵长距离变频启动分析与试验J.自动化技术与应用,2 0 1 4,3 3(6):1 0 3 1 0 7.1 3张建贺.电力拖动典型负载模拟系统设计与实现J.信息记录材料,2 0 1 8,1 9(7):1 0 0 1 0 1.1 4刘敏,陈华清,刘云生.电动机负载模拟试验系统的分析与仿真J.船电技术,2 0 0 8(4):2 1 2 2 1 5.1 5朱正鼎,潘文霞,苏锜.新型基于频率特性的电缆故障定位方法J.广东电力,2 0 1 8,3 1(1 2):8 6 9 2.