直流自持供电模式在海上边际气田开发的应用研究.pdf

第 43卷第 2期（2024-02）油气田地面工程 https:/电信自控直流自持供电模式在海上边际气田开发的应用研究马金喜王万旭邹昌明金秋郝铭中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院摘要：针对井数少、依托距离远的边际油气田，供电方案的解决是经济开发的主要制约因素之一。以海上某边际气田开发为例，鉴于平台对安全、控制以及通讯系统的供电必不可少且总用电负荷很小，多为可靠性要求较高的直流电负荷，因此采用直流发电机组自持供电方案，并配有备用电池和便携式微型柴油发电机作为备用电源的供电新模式。采用天然气驱动的工艺设备和仪表阀门以及室外型电气设备，不设置电气房间，选用发光二极管（LED）照明等设计优化方案，控制用电负荷。从适用条件、可靠性、燃料形式、功率范围以及自动化程度和防爆设计等角度，针对密闭循环涡轮发电机组（CCVT）和热电偶发电机组（TEG）直流供电方案进行比选研究，并提出新供电模式的应用建议。直流自持供电方案与常规海缆供电相比，节省了升压、降压环节，更加安全可靠，同时减少了系统功率损耗，设备设施投资与安装费用均低于传统的依托供电模式。关键词：边际油气田；供电方案；直流自持供电；供电模式Application Research of DC Self-sustaining Power Supply Mode in the Development ofOffshore Marginal Gas FieldsMA Jinxi，WANG Wanxu，ZOU Changming，JIN Qiu，HAO MingBohai Oil Research Institute of Tianjin Branch，CNOOCAbstract：For the marginal oil and gas fields with few wells and long distance，the solution of powersupply scheme is one of the main restrictions for economically developmentTaking the developmentof a marginal offshore gas field as an example，in view of the indispensable power supply of the platformfor safety，control and communication system，and the small total power consumption load，most ofwhich are DC loads requiring high reliability，a new power supply mode using DC generator unit self-sustaining power supply scheme with a backup battery and a portable micro diesel generator as a backuppower supply is proposed Process equipment and instrument valves driven by natural gas are used，outdoor electrical equipment is selected，no electrical room is set，and LED lighting is selected to con-trol the power load From the perspectives of applicable conditions，reliability，fuel form，powerrange，degree of automation，and explosion-proof design，a comparison of DC power supplyschemes for Closed Cycle Vaple Turbogenerator(CCVT)and Thermoelectric Generator(TEG)is car-ried out，and application suggestions for the new power supply mode are proposed Compared withtraditional submarine cable power supply，DC self-sustaining power supply scheme saves step-up andstepdown steps，is more secure and reliable，and reduces power loss of the system The investmentand installation cost of equipment and facilities are lower than that of traditional power supply mode Keywords：marginal oil and gas fields；power supply scheme；DC self-sustaining power supply；power supply mode随着海上整装油气田的不断减少，边际油气田将成为增储上产的主力，而边际油气田开发最核心的问题是经济问题。目前在渤海已探明未开发的边际油气田中有些区块井数少，与周边依托油田设施距离远。供电方案的设计是油田高效开发的重要组成部分1-2，如果采取新建海缆依托供电经济性一般DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.02.00739电信自控马金喜等：直流自持供电模式在海上边际气田开发的应用研究油气田地面工程 https:/都较差，如何经济、可靠地供电成为了边际油气田开发的瓶颈之一。因此研究设计就地安装、安全稳定、可远程操控并维护管理方便的供电系统，是边际油气田开发的当务之急。1海上边际小气田供电模式优选以渤海某边际气田开发为例，新增 2 口气井，距离周边在役平台约 11 km，针对用电负荷约 3 kW的新建平台，提出了一种基于自发电的直流供电新模式，并基于此模式，开展了海上平台小功率直流电站方案的优选应用研究。1.1常规海缆依托供电模式通过新铺设海底电缆与周边依托平台进行联网供电，需要设置海缆护管、海缆接线箱以及平台中高压配电系统，同时也需要考虑应急配电系统，配套设备设施较多，占地面积较大，常规海缆供电模式单线图如图 1所示。1.2直流发电机组自持供电模式直流发电机组自持供电模式是采用 1+1或 N+1热备用模式，直流发电机组并列运行。正常工况通过直流母排为系统直流负载供电，并通过逆变器给230 V 负载供电。同时，系统通过 DC/DC 直流充电装置给备用电池组浮充电。当主发电机组故障时，自动切换备用机组。当机组全部故障时，系统自动切换为后备电池供电。系统同时配置 1台便携式柴油发电机，为平台检修提供 230 V 交流电源。平台采用天然气驱动的工艺设备和仪表阀门，选用室外型电气设备，不设置电气房间，选用发光二极管（LED）照明等设计优化方案，控制用电负荷，自发电直流供电模式如图 2所示。1.3常规海缆供电与直流自持供电模式对比以渤海某边际气田开发为例，采用直流发电机组自持供电模式，使用气动仪表和气动工艺设备，利用微波通讯的方案较常规海缆供电节省长距离海底电缆，不用降压变压器，系统功率损耗低，配套设备设施占地小，初步估算投资费用较常规海缆供电模式节省约 1 800 万元，对于边际油气田采用无人平台开发，有一定的经济效益，具体比选如表 1所示。2直流自持供电模式电站方案优选根据项目拟建平台的用电负荷需求，按照密闭循环涡轮发电机组（CCVT）和热电偶发电机组（TEG）两种机型分别进行供电设计和系统配置对比，确定推荐方案，并在此基础上提出直流自持供电模式在海上边际气田开发中的应用建议。2.1直流电站机组的技术特点基于自发电的直流供电模式，目前小功率燃气式直流发电机组主流产品有两种型式，一是密闭循环涡轮发电机组，其结构形式见图 3。工作原理是有机工质被燃烧器加热成蒸汽，在密闭循环中推动蒸汽涡轮膨胀做功发电（图 4）。机组可以烧气也可以烧轻油，可靠性较高，大修周期达到 3104h，自动化程度高，可远程控制启停，出力受环境影响小，环境温度 36 以下机组发电功率无折减，可以做防爆设计3-4。图 1常规海缆供电模式单线图Fig.1 Single-line diagram of conventional submarine cable power supply mode40第 43卷第 2期（2024-02）油气田地面工程 https:/电信自控图 3CCVT结构简图Fig.3 Schematic diagram of CCVT另一种机型是热偶发电机组，其结构形式如图 5 所示。工作原理是利用燃烧器直燃加热热电偶，利用其两侧的温差产生温差电势（图 6）。机组只能烧气，可靠性较高，但发电功率受环境影响较大，环境温度超过 20 后，每升高 1 机组发电功率降低约 1.4 W。图 4CCVT工作原理Fig.4 Working principle of CCVT2.2应用情况两种机型在国内外的陆地天然气长输管道项目应用较多，且成熟应用在国外海上边际油气田开发无人平台（图 7）。目前在国内海上平台尚未应用，但其产品和技术特性已十分成熟，应用工况和条件也相对明确3-4。图 2直流发电机组自持供电模式单线图Fig.2 Single-line diagram of self-sustaining power supply mode of DC generator set表 1常规海缆供电与直流发电机组自持供电模式投资对比Tab.1 Investment comparison between conventional submarine cable power supply mode andself-sustaining power supply mode of DC generator set常规海缆供电主要设施海缆采办安装（350 mm2，10.5 kV，11 km）海缆立管海缆接线箱中压开关柜降压变压器（5台）应急机系统（包括房间）合计投资费用/万元2 7502025301502 975直流自持供电主要设施直流发电机组（2台）便携式柴油发电机（1台）蓄电池组+充电器逆变器（2台）天然气驱动仪表价格差额天然气驱动设备价格差额微波通讯系统（2套）投资费用/万元45533020150400801 13841电信自控马金喜等：直流自持供电模式在海上边际气田开发的应用研究油气田地面工程 https:/图 5TEG结构简图Fig.5 Schematic diagram of TEG图 6TEG工作原理Fig.6Working principle of TEG2.3系统配置和方案优选电站方案优选基础数据为总电负荷 3 kW，电制要求 24 VDC，防爆要求 Class 1，Div 2 危险区域，环境温度-1636，自产天然气充足，燃气组分如表 2所示。拟配置的电站选型要求和特点主要考虑项目属于边际气田，井数少，电负荷低，新建无人平台需要实现远程遥控无人值守，设备可靠性和智能化程度要求高5-7，机组防爆，自产伴生气含有少量CO2，所以选型研究时需要综合考虑燃料气适用性、环境温度影响、机组备用配置方案以及占地投资等因素，发电机组的合理选择、燃料的优化选用是设计的关键8-9。针对渤海某边际气田，考虑 3 kW 的用电负荷需求，对两种机型的配置方案从可靠性、发电功率稳定性、投资费用以及占地面积等方面进行比选，自产天然气满足两种机型的燃料要求，如表 3 所示。CCVT 机组夏季高温发电功率不折减，且更稳定，投资较 TEG 低约 5万美元，且耗气量少，占地小，可以做防爆设计，能够室外布置，故推荐采用CCVT，具体比选如表 4所示。表 3机组燃料气适用性分析Tab.3 Applicability analysis of fuel gas for the generator set燃料气含量最大 CO2体积分数最大 H2S含量最大 H2O含量示例项目9.18%-CCVT50%0.1 mg/L0.1%(体积分数)TEG10%0.17 mg/L120 mg/Sm3图 7国外海上平台应用案例Fig.7 Overseas offshore platform application cases表 2渤海某边际气田的燃气组分Tab.2 Fuel gas components of a marginal gas field in Bohai Sea体积分数/%CH481.69C2H66.15C3H81.71i-C4H100.35n-C4H100.47i-C5H120.20n-C5H120.18CO29.18H2S0N20CO0He0H20.0642第 43卷第 2期（2024-02）油气田地面工程 https:/电信自控2.4应用建议直流自持供电模式在国内海上边际油气田尚无项目应用案例，但从国外项目应用来看，系统设计应根据海上无人平台的特点，在设备可靠性、系统安全性以及远程监控操作无人化方面采取措施10，着重考虑下述几点：（1）控制平台用电总负荷规模不宜超过 6 kW，以利于直流发电机组选型配置。（2）为提高供电可靠性，电站机组采用 1+1或者 N+1热备用运行模式；备用蓄电池组按平台总负荷配置。（3）为压缩控制用电负荷，应采用天然气驱动仪表和工艺设备；采用 LED 照明以及室外型电气设备等。（4）整体电气系统采用数据采集与监控系统（Supervisory Control and Data Acquisition，简 称SCADA）进行监控，实现无人值守的目的。3结束语对于用电负荷较小的边际油气田，采用直流自持供电模式，克服了新敷设海底电缆费用高或附近在生产平台无富余电力不能依托的限制，该系统一次性投资较低且安全可靠，还可实现远程操控无人值守。直流电站机组燃料适应性强，发电功率稳定，已在国外海上平台成熟应用。通过设计研究表明，应用直流自持供电模式为国内海上用电负荷较小的边际油气田供电是可行的。本文通过渤海某边际气田为例，系统阐述了该模式的设计思路和配置方案，为边际油气田采用无人平台方案开发其供电方式提供了参考。参考文献1 桑军，马金喜，邹昌明，等渤海边际油田远程遥控无人注水工艺设计与实践J中国海洋平台，2021，36（1）：89-94SANG Jun，MA Jinxi，ZOU Changming，et al Designand application of remote control unmanned water injectionprocess for marginal oilfield in Bohai BayJChina OffshorePlatform，2021，36（1）：89-942 金秋，戴国华，薄昭，等湿式静态集束海缆在渤海油田的应用J中国海洋平台，2021，36（6）：79-83JIN Qiu，DAI Guohua，BO Zhao，et al Application ofwet static clustered submarine cable in Bohai OilfieldJChina Offshore Platform，2021，36（6）：79-833 陈海海上无人驻守平台上的密闭循环涡轮发电机组J表 4系统配置和方案优选Tab.4 System configuration and scheme optimization项目平台总电负荷/kW燃料形式机组配置备用方式参考机型技术成熟和可靠性机组负荷率/%机组备用率/%辅机设施机组质量及占地初始投资20年总燃料消耗量/104m3发电功率受环境影响受风损对燃烧的影响黑启动对外供电源需求其他劣势结论方案一CCVT+蓄电池+便携式柴油发电机3伴生气2台（4 000 W35）单台现场发电功率：4 000 W36 1用 1备OEC CCVT 40AG 防爆型国外应用成熟，平均无故障时间超过 30 000 h，设计寿命 30年7550进气空气净化橇（厂家供）机组质量/尺寸（单台）：3 t/2.2 m2 m5.9 m进气空气净化橇：1 t/1.3 m0.8 m1.2 m约 35万美元/套，共计约 70万美元120.96发电功率受环境影响小无影响需要外供电(24 VDC)启动进气空气系统推荐方案一，采用 CCVT可靠性高，发电功率稳定，投资低，占地小方案二TEG+蓄电池+便携式柴油发电机3伴生气10台（500 W20）单台现场发电功率：477.6 W36 8用 2备TEG MODEL 1500 防爆型国外应用成熟，设计寿命 20年78.6020燃料气预处理橇机组质量/尺寸（单台）：0.7 t/7.5 m3 m3 m（橇）燃料气预处理橇：1.5 t/3.1 m1.6 m1.8 m约 7.5万美元/台，共计约 75万美元268.8发电功率受环境影响折减较大，超过 20，发电功率降低 1.4 W/受风损坏有燃烧室熄火风险不需要外供电源燃料消耗量固定；单机功率小，多台成橇占地相对较大台数多，占地大，发电功率受环境影响折减较大43电信自控马金喜等：直流自持供电模式在海上边际气田开发的应用研究油气田地面工程 https:/中国海上油气（工程），2002，14（4）：41-44CHEN HaiApplication of closed cycle vapor turbogeneratoron offshore platformsJChina Offshore Oil and Gas（Engi-neering），2002，14（4）：41-444 张忠边远油气田小容量电源的供电方案J油气田地面工程，2002，21（3）：79-80ZHANG Zhong Small capacity power supply scheme formarginal oil and gas fieldsJOil-Gas Field Surface Engi-neering，2002，21（3）：79-805 高璇，张昊，刘国锋海上平台电气系统无人化方案设计J电气应用，2022，41（2）：82-86GAOXuan，ZHANGHao，LIUGuofeng Unmannedscheme design of electrical system in offshore platformJElectrotechnical Application，2022，41（2）：82-866 王建文无人驻守平台在“三一模式”开发边际油田中的应用J中国海洋平台，2010，25（1）：46-50WANG Jianwen Application of unmanned wellhead plat-form in marginal oilfied development using“three-one”modeJChina offshore Platform，2010，25（1）：46-507 郑成明，刘向阳，石咏衡，等某海上气田智能化建设探索J油气田地面工程，2022，41（4）：59-62ZHENG Chengming，LIU Xiangyang，SHI Yongheng，et alExploration on intelligent construction of an offshore gas fieldJ Oil-Gas Field Surface Engineering，2022，41（4）：59-628 方华灿，吴小薇渤海边际油田建设工程中的关键技术与创新J中国造船，2003，44（增刊 1）：34-40FANG Huacan，WU XiaoweiThe key technique and cre-ation in construction engineering of margin oilfiled of BohaiGolfJShipbuildingofChina，2003，44（S1）：34-409 赵文智，胡永乐，罗凯边际油田开发技术现状、挑战与对策J石油勘探与开发，2006，33（4）：393-398ZHAO Wenzhi，HU Yongle，LUO KaiStatus quo，chal-lenges and future strategies of development technology formarginal oilfields in ChinaJ Petroleum Exploration andDevelopment，2006，33（4）：393-39810 张双亮，谭壮壮，张凤红，等无人驻守平台控制系统设计与研究J石油工程建设，2020，46（增刊 1）：49-53ZHANGShuangliang，TANZhuangzhuang，ZHANGFenghong，et alDesign and research of control system forunmannedoffshoreplatformJ PetroleumEngineeringConstruction，2020，46（S1）：49-53作者简介马金喜：高级工程师，2000 年毕业于江苏石油化工学院化工设备与机械专业，从事海上油气田开发工程研究和设计管理工作，13612109858，天津市滨海新区海川路 2121号海洋石油大厦 B座，300459。收稿日期2023-08-15（编辑王艳）提起做 CT，首先想到的是给人做 CT。中国石化石油工程技术研究院把 CT 技术引入石油工程技术研究，通过 X 射线技术对储层岩石进行无损扫描，摸清岩石样品中存在的矿物以及占比，为 钻 完 井 工 程 技 术 设 计 提 供 科 学 支 撑。2023年 12月 5日，中国石化石油工程技术研究院研究人员进行矿物组分分析实验，测定岩心的矿物组成和各矿物组分含量。胡庆明 蒋琳琳 摄影报道中国石化运用新技术给岩石做“CT”44