直流自持供電模式在海上邊際氣田開發的應用研究

馬金喜 王萬旭 鄒昌明 金秋 郝銘

中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院

隨著海上整裝油氣田的不斷減少，邊際油氣田將成為增儲上產的主力，而邊際油氣田開發最核心的問題是經濟問題。目前在渤海已探明未開發的邊際油氣田中有些區塊井數少，與周邊依托油田設施距離遠。供電方案的設計是油田高效開發的重要組成部分[1-2]，如果采取新建海纜依托供電經濟性一般都較差，如何經濟、可靠地供電成為了邊際油氣田開發的瓶頸之一。因此研究設計就地安裝、安全穩定、可遠程操控并維護管理方便的供電系統，是邊際油氣田開發的當務之急。

1 海上邊際小氣田供電模式優選

以渤海某邊際氣田開發為例，新增2 口氣井，距離周邊在役平臺約11 km，針對用電負荷約3 kW的新建平臺，提出了一種基于自發電的直流供電新模式，并基于此模式，開展了海上平臺小功率直流電站方案的優選應用研究。

1.1 常規海纜依托供電模式

通過新鋪設海底電纜與周邊依托平臺進行聯網供電，需要設置海纜護管、海纜接線箱以及平臺中高壓配電系統，同時也需要考慮應急配電系統，配套設備設施較多，占地面積較大，常規海纜供電模式單線圖如圖1所示。

圖1 常規海纜供電模式單線圖Fig.1 Single-line diagram of conventional submarine cable power supply mode

1.2 直流發電機組自持供電模式

直流發電機組自持供電模式是采用1+1 或N+1熱備用模式，直流發電機組并列運行。正常工況通過直流母排為系統直流負載供電，并通過逆變器給230 V 負載供電。同時，系統通過DC/DC 直流充電裝置給備用電池組浮充電。當主發電機組故障時，自動切換備用機組。當機組全部故障時，系統自動切換為后備電池供電。系統同時配置1 臺便攜式柴油發電機，為平臺檢修提供230 V 交流電源。平臺采用天然氣驅動的工藝設備和儀表閥門，選用室外型電氣設備，不設置電氣房間，選用發光二極管（LED）照明等設計優化方案，控制用電負荷，自發電直流供電模式如圖2所示。

圖2 直流發電機組自持供電模式單線圖Fig.2 Single-line diagram of self-sustaining power supply mode of DC generator set

1.3 常規海纜供電與直流自持供電模式對比

以渤海某邊際氣田開發為例，采用直流發電機組自持供電模式，使用氣動儀表和氣動工藝設備，利用微波通訊的方案較常規海纜供電節省長距離海底電纜，不用降壓變壓器，系統功率損耗低，配套設備設施占地小，初步估算投資費用較常規海纜供電模式節省約1 800 萬元，對于邊際油氣田采用無人平臺開發，有一定的經濟效益，具體比選如表1所示。

表1 常規海纜供電與直流發電機組自持供電模式投資對比Tab.1 Investment comparison between conventional submarine cable power supply mode and self-sustaining power supply mode of DC generator set

2 直流自持供電模式電站方案優選

根據項目擬建平臺的用電負荷需求，按照密閉循環渦輪發電機組（CCVT）和熱電偶發電機組（TEG）兩種機型分別進行供電設計和系統配置對比，確定推薦方案，并在此基礎上提出直流自持供電模式在海上邊際氣田開發中的應用建議。

2.1 直流電站機組的技術特點

基于自發電的直流供電模式，目前小功率燃氣式直流發電機組主流產品有兩種型式，一是密閉循環渦輪發電機組，其結構形式見圖3。工作原理是有機工質被燃燒器加熱成蒸汽，在密閉循環中推動蒸汽渦輪膨脹做功發電（圖4）。機組可以燒氣也可以燒輕油，可靠性較高，大修周期達到3×104h，自動化程度高，可遠程控制啟停，出力受環境影響小，環境溫度36 ℃以下機組發電功率無折減，可以做防爆設計[3-4]。

圖3 CCVT結構簡圖Fig.3 Schematic diagram of CCVT

圖4 CCVT工作原理Fig.4 Working principle of CCVT

另一種機型是熱偶發電機組，其結構形式如圖5 所示。工作原理是利用燃燒器直燃加熱熱電偶，利用其兩側的溫差產生溫差電勢（圖6）。機組只能燒氣，可靠性較高，但發電功率受環境影響較大，環境溫度超過20 ℃后，每升高1 ℃機組發電功率降低約1.4 W。

圖5 TEG結構簡圖Fig.5 Schematic diagram of TEG

圖6 TEG工作原理Fig.6 Working principle of TEG

2.2 應用情況

兩種機型在國內外的陸地天然氣長輸管道項目應用較多，且成熟應用在國外海上邊際油氣田開發無人平臺（圖7）。目前在國內海上平臺尚未應用，但其產品和技術特性已十分成熟，應用工況和條件也相對明確[3-4]。

圖7 國外海上平臺應用案例Fig.7 Overseas offshore platform application cases

2.3 系統配置和方案優選

電站方案優選基礎數據為總電負荷3 kW，電制要求24 VDC，防爆要求Class 1，Div 2 危險區域，環境溫度-16～36 ℃，自產天然氣充足，燃氣組分如表2所示。

表2 渤海某邊際氣田的燃氣組分Tab.2 Fuel gas components of a marginal gas field in Bohai Sea 體積分數/%

擬配置的電站選型要求和特點主要考慮項目屬于邊際氣田，井數少，電負荷低，新建無人平臺需要實現遠程遙控無人值守，設備可靠性和智能化程度要求高[5-7]，機組防爆，自產伴生氣含有少量CO2，所以選型研究時需要綜合考慮燃料氣適用性、環境溫度影響、機組備用配置方案以及占地投資等因素，發電機組的合理選擇、燃料的優化選用是設計的關鍵[8-9]。

針對渤海某邊際氣田，考慮3 kW 的用電負荷需求，對兩種機型的配置方案從可靠性、發電功率穩定性、投資費用以及占地面積等方面進行比選，自產天然氣滿足兩種機型的燃料要求，如表3 所示。CCVT 機組夏季高溫發電功率不折減，且更穩定，投資較TEG 低約5 萬美元，且耗氣量少，占地小，可以做防爆設計，能夠室外布置，故推薦采用CCVT，具體比選如表4所示。

表3 機組燃料氣適用性分析Tab.3 Applicability analysis of fuel gas for the generator set

表4 系統配置和方案優選Tab.4 System configuration and scheme optimization

2.4 應用建議

直流自持供電模式在國內海上邊際油氣田尚無項目應用案例，但從國外項目應用來看，系統設計應根據海上無人平臺的特點，在設備可靠性、系統安全性以及遠程監控操作無人化方面采取措施[10]，著重考慮下述幾點：

（1）控制平臺用電總負荷規模不宜超過6 kW，以利于直流發電機組選型配置。

（2）為提高供電可靠性，電站機組采用1+1 或者N+1熱備用運行模式；備用蓄電池組按平臺總負荷配置。

（3）為壓縮控制用電負荷，應采用天然氣驅動儀表和工藝設備；采用LED 照明以及室外型電氣設備等。

（4）整體電氣系統采用數據采集與監控系統（Supervisory Control and Data Acquisition，簡 稱SCADA）進行監控，實現無人值守的目的。

3 結束語

對于用電負荷較小的邊際油氣田，采用直流自持供電模式，克服了新敷設海底電纜費用高或附近在生產平臺無富余電力不能依托的限制，該系統一次性投資較低且安全可靠，還可實現遠程操控無人值守。直流電站機組燃料適應性強，發電功率穩定，已在國外海上平臺成熟應用。通過設計研究表明，應用直流自持供電模式為國內海上用電負荷較小的邊際油氣田供電是可行的。本文通過渤海某邊際氣田為例，系統闡述了該模式的設計思路和配置方案，為邊際油氣田采用無人平臺方案開發其供電方式提供了參考。