综述｜油气田水下供电技术
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深海油气资源开发是当今油气开发的一大趋势，我国深海油气资源丰富，且近几年随着海洋战略的实施，海洋油气开采进入了快车道，未来水下供电系统将会有越来越多的应用，其发展已成为必然趋势。中海油研究总院有限责任公司、青岛海洋工程水下设备检测有限公司的研究人员郭江艳、王双成、王永、王善芬，在2021年第3期《电气技术》上撰文，介绍了用于水下生产的水下供电系统的组成和分类，分析了直接供电方式、水下变压器供电方式、水下交流供电方式、水下直流供电方式的特点和应用案例，并详细介绍了水下供电系统的关键设备和技术难点，最后提出了加快推进我国水下供电系统研究的建议。
图片来源：新京报
近几十年，我国经济快速发展，能源需求越来越大，能源供需矛盾日益突出，海洋石油已成为我国石油工业新的增长点，为了缓解能源供需矛盾，维护我国的海洋主权和权益，加快开发我国深水油气资源已成为国家战略需求。
随着海上深水油气田开发水深的不断增加，水下生产系统得到各大石油公司的广泛关注。水下供电系统是油气田水下生产系统的关键组成部分，为深海远距离水下生产系统提供必需的电力输送和变换。
水下供电系统主要包括脐带缆电缆、水下变压器、水下变频器、水下电连接器、水下开关、用电设备等，水下供电系统如图1所示。
水下供电系统与供电距离密切相关，目前共有四种水下供电方式，分别为直接供电方式、水下变压器供电方式、水下交流供电方式、水下直流供电方式。
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直接供电方式
直接供电方式主要用于供电距离较短的动力供电系统，如图2所示，其优点突出，具有成本低、水下设备少、配套设备成熟可靠的特点，但其受制于中压变频器输出电压等级、电力输送距离和有限的输送功率。采用此种供电方式的油气田见表1。
图1 水下供电系统
图2 直接供电系统
表1 采用直接供电方式的油气田
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水下变压器供电方式
水下变压器供电方式主要适用于常规供电距离内、供电负荷功率较大的动力供电系统，如图3所示，此种供电方式在水下增设降压变压器，其供电距离较长、供电功率较大，但此种供电方式在远距离传输时易发生谐振，因而降低了电机驱动能力，影响供电质量和供电安全。
采用此种供电方式的油气田见表2。随着水下变压器技术的发展，其成熟产品逐渐应用于水下变压器供电方式中，其中较短供电距离的供电系统可选择的供电方式越来越多。
图3 水下变压器供电系统
表2 采用水下变压器供电方式的油气田
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水下交流供电方式
水下交流供电方式较水下变压器供电方式的主要优势在于将变频器放置在水下距离电动机较近的地方、以最优性能驱动变频器，但是此种供电方式将变压器、变频器、开关都放置于水下，如图4所示，风险和技术难度都较高，目前暂无实际投产项目。
图4 水下交流供电系统
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水下直流供电方式
水下直流供电方式适用于供电距离大于200km、交流输电无法满足生产要求的系统，其较交流输电方式最大的优势在于线路损耗小、无趋肤效应、海缆成本低。目前该方案尚在概念阶段，无实际投产项目。
伴随着深水油气田集约式发展，供电系统也由原来的短距离向长距离发展。目前，不仅长距离输配电技术制约着国内外深水油气田的开发，而且变频器高频分量引起的电机端过电压、线路功率损耗和压降增大及驱动电机等负载的能力降低等都是远距离水下供电技术存在的问题。
另外，水下供电系统还面临着水深约3000m、压力4300lbf/in2（1lbf/in2= 6.894 76kPa）的海底环境的挑战，在这样恶劣的条件下，所有的电气元件和设备都必须经过设计并能承受高压，且海水是导体并具有腐蚀性，因此电气设备和海水间必须有绝缘隔离。
由于设备位于水下3000m深处，一旦发生故障，将设备带到平台维修代价昂贵且生产中断时间长，因此设备可靠性设计必须严格高于20年，这意味着平均故障间隔时间应大于20年。
01
水下变压器
水下变压器如图5所示。主要包括壳体、变压器本体、压力补偿装置、干/湿插拔水下电连接器、综合监测装置、底座，通常应用于水下的电力变压器的功率范围从500kV·A到几十兆伏安。而用于降压和变频器前端的隔离变压器通常体积庞大，因此在运输和安装方面存在困难。
另外水下变压器长期承受海水施加的高压，其采用内部充油的形式，利用压力补偿装置补偿壳内外的压力差，同时提供绝缘空间隔离内部电气元件，保证正常运行。较陆上变压器而言，压力补偿技术是水下变压器首要解决的技术问题之一。
图5 水下变压器
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水下变频器
水下变频器主要用于驱动水下用电设备，其较陆上变频器的主要技术难点在于深海耐压、密封等问题。随着水深的增加和变频器额定功率的增大，压力容器逐渐成为笨重的模块。由于容器壁厚，电力电子元件与海水之间的热传导会出现问题。
因此，各石油公司正在为水下变频器的电力电子元件寻找更可行的解决方案。两种改进的耐压封装技术用来保证可靠的操作，一种是紧压封装方法，另一种是粘接平面模块。目前，SIEMENS、ABB、GE等公司具有较成熟的水下变频器产品，如图6所示。
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水下开关
水下开关主要功能是当线路和设备出现故障时，水下开关可迅速将故障设备从水下供电系统中切除[8]。水下开关设备通常将陆地用电气开关置于压力容器内，SF6气体用作绝缘介质，如图7所示。在水下应用中，可靠性（平均无故障时间超过20年）是水下开关主要的设计指标。
图6 水下变频器
图7 水下开关
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水下电连接器
水下电连接器包括干式电连接器和湿式电连接器，不同的连接器类型需要不同的材料，但具有相同的性能，即高尺寸稳定性、高冲击强度、低收缩率、低吸水率、高抗压强度和不燃性等。
市场上常见的水下电连接器分为四大类，即橡胶模制电连接器、刚性外壳电连接器、充液电连接器、电感耦合电连接器。图8所示为额定电压10kV的西门子水下电连接器。各类水下电连接器的主要特点见表3。
图8 西门子水下电连接器
表3 各类水下电连接器的主要特点
国外水下供电系统已有长达30年的技术积累，ABB、SIEMENS、GE等公司具备了水下供电系统设计及成套设备供货的能力。
ABB公司早在1984年就开启了水下电气设备的可行性研究，2007年为Ormen Lange气田生产的最大容量20MV·A变压器可应用于水下1000m的环境。同时，ABB能够生产水下变频器等关键设备，已为全球多个油气田完成水下供电系统的设计和供货。
SIEMENS经过长期的技术积累，已基本具备了水下供电系统设计及水下变压器、水下开关、水下电连接器、水下变频器等设备成套供货能力，并于2003年为BP King油气田完成了1.8MV·A的水下无谐波变频器的设计、生产和试验。
GE旗下Vetcogray公司具备水下供电系统设计能力及电气设备的设计生产能力，其生产的36kV/500A湿式电连接器、12kV/3.5MV·A的水下变频器可用于2000m深水环境。
目前我国远距离变频供电技术在水下供电系统中得到了应用，比较典型的案例是流花4-1、流花16-2油田。
流花4-1油田的开发在国内首次成功将远距离中压变频驱动系统应用于油田生产控制中，该油田电潜泵的驱动电机距离位于浮式生产储油装置（floating production storage unit, FPS）上的变频器15.5km，远程控制系统面临众多挑战，最终油田采用PF7000型电流源中压变频器解决了远程控制问题。
而流花16-2油田则拥有世界上最远距离变频器直接驱动双电潜泵的供电系统，水下电潜泵通过长达25km的海底电缆由浮式生产储油卸油轮（floating production storage offloading, FPSO）上的变频器供电。这两个油田供电方式的成功应用为我国其他海上油田远距离变频驱动用电设备提供了借鉴。
世界范围内海洋石油工程开发正在向全球化发展，水下供电系统也正朝着距离更远、海域更深、功率更大、易安装维护、监控更先进的方向发展。
挪威国家石油公司（Equinor）是“海底工厂”这一新概念的提出者，“海底工厂”是一个集油气水三相分离技术、水下增压技术、处理后的原油存储海底及产出处理后进行回注等技术于一体的“水下油气处理厂”。
相较于传统的水下生产系统，“海底工厂”有4项关键技术的突破，分别是海底增压系统、海底气体压缩系统、海底分离与产出水回注系统、海底输配电系统。从某种意义上讲，“海底工厂”可以看作是传统的水下生产系统的技术升级版。
挪威国家石油公司于2012年启动了海底工厂技术研发计划。在现有海底设施的基础上，研发海底工厂关键技术，计划2020年实现海底工厂开发。
2013年，ABB与Equinor、Total、Chevron签约，携手开展联合工业项目（JIP），开发适应3 000m水深、距离超过600km的输配电和电力转换系统，为大型海底泵和气体压缩机提供高达100MW的电力供应。项目主要研发水下变频器、水下中压开关柜和低压控制及辅助系统。
根据JIP项目的要求，在2017年底，ABB变频器（variable frequency speed regulating device, VSD）通过了浅水试验（shallow water testing, SWT），接下来进行了两台变频器并联运行的水下3000m的耐久测试，在2019年6月完成了项目的所有试验，计划2020年在实际项目中安装使用这种水下供电系统。
目前，为了解决远距离、大功率供电问题，很多大型电气公司都开始了关键电气设备的研制工作。而我国水下供电系统研究基础薄弱，大功率电气设备深海工程化经验不足，伴随着油气田的勘探开发向着超深水方向发展，水下供电系统研究将成为必然。因此，加快水下供电系统研究、突破深海电气设备工程化应用的关键技术，对我国未来实现深海油气田开采战略目标有重要的意义。
随着我国水下生产技术的不断发展和应用推广，水下供电系统将成为制约水下生产技术开拓创新的重要因素之一，本文介绍了水下供电系统的四种供电方式并着重分析了其关键设备如水下变压器、水下变频器、水下开关和水下电连接器等的技术难点，阐述了未来水下供电系统的发展趋势。