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海底配电系统将开启海上油气田新时代

海底配电系统将开启海上油气田新时代

长江后浪推前浪,海底配电系统凭借其诸多优势,或许可成为未来海上油气田的新选择。

编译丨TOM

挪威目前正在为海上生产设施的配电设备进行一项新设计。ABB公司正与合作伙伴们开发设计用于海底3000米深处的设备,确保该设备无需维护即可运行30年。海底配电系统可提供高达100兆瓦(MW)的电力,并可在600公里的范围内供电。联合工业项目(JIP)是ABB公司与挪威国家石油公司、道达尔、雪佛龙之间的合作项目。

该项目旨在利用先进的模块化海底设施,取代传统平台与浮式生产系统,提高海上油气田的采收率,延长现有资产的使用寿命。

在2013年ABB公司接到一项任务,提高挪威北海地区Asgard油田的采收率,这就为该项目播下了种子。作业者挪威国家石油公司发现尽管剩余储量相当可观,但井内压力却正在以惊人的速度下降。ABB公司临危受命,为人工增压的海底气体压缩设备提供动力,这是业内首创。

最初,在海底没有任何配电系统的情况下,每台压缩机和泵都用一根电缆绑在浮式生产平台上。该问题随后得到了解决,如今所有处理设备都位于海床上,由模块化配电的单一电缆供电。

新思路

为了让这个概念走进现实,JIP应运而生。由于海底有配电基础设施,未来的海上生产可能不需要任何传统平台或浮式生产系统,这将带来巨大的成本与安全效益。电力将由一根电缆提供,无需为每台设备单独配备电缆。用于中压配电、电源转换、自动化辅助电源的所有设备都将安装在水下密闭罩中。海底的模块化配电系统将驱动泵、压缩机以及其他工艺设备。

潜在的节省是相当可观的。在一个有八种不同电力负载的项目中,例如泵或压缩机,资本支出节省大约5亿美元。由于这些负载离井口更近,效率将得到显著提高。在30年的生命周期内,应该可以节省多达30%的资本支出与运营支出。

随着进一步的发展,该概念最终可形成一个自动化海底工厂,使用数字方案来实现智能化远程无人操作。这将进一步降低资本支出与运营支出,同时提高采收率、提高安全性、提高可靠性、提高产量,并将环境影响降至最低。供电距离最远可达600公里。该概念几乎可以适用于全球所有已知的油气资源。

技术挑战

尽管将配电设备安装在海底已经有一个成功的商业案例,但这并不等同于拥有了一套技术解决方案。为了进行完整的原型测试,必须克服许多障碍。设计出能在3000米深处工作30年的供电基础设施,意味着相当大的技术挑战,因为海底运行条件极其苛刻,可靠性要求非常严格。以前从来没有人做过这样的事情,因此,在研发过程中获得了许多新的见解。

该系统包括海底控制系统、低压配电系统、海底中压开关设备以及海底中压变速驱动器。在项目伊始,大多数设备都不存在。2017年首次进行的浅水试验,是中压变速驱动器第一次在水下工作。

今年夏天将开始在浅水区进行3000小时的试验,试验将采用全尺寸原型,包括中压开关设备、控制与低压配电设备以及两个并联变速驱动器(VSD)。第一套商业系统预计将在2023年投入使用。

长时间测试

自2017年浅水试验以来,该系统的各组件都经过了验证、重新设计与优化。而且,针对这些组件的长期测试正处于有条不紊的进行中。

在环境开发与测试过程中,一个重要的挑战是捕获造成测试偏差(设备运行或组件参数值的变化)的精确条件,特别是当这些偏差是间歇性的,并且只有在最苛刻的测试条件下才会明显出现。这项工作通常在专门的测试设施中进行。

所有组件均基于现有设备,改装后适用于水下作业。该项目的目标是,使基本设备构件符合海底处理作业中使用的常规电压与额定功率,并可安全运行于苛刻的海底条件。所有组件均按照API 17F标准进行测试,包括温度、振动、压力测试,以及加速寿命测试。

该项目遵循了DNV RP-A203标准程序中提出的建议,并已达到了该标准的技术准备就绪级别(TRL)。因此,形成了一套系统化方法,确保该技术能够在特定限制内可靠的运行。该项目的进程已发展到全尺寸原型测试,标志着它正从TRL3阶段转向TRL4阶段。

应用于生产平台设备的现有要求,例如API17F标准,一般也适用于水下生产控制系统。利用这些标准与方法,该项目开发了封装技术,可为海底应用提供稳健、经济的配电与转换系统。其目标是向业界提供有力证据,表明这项技术已经准备好投入使用。

强大的控制系统

虽然该控制系统是以现有产品为基础,但该技术还需进行显著的升级与修改。该系统还需要全新的外壳设计。虽然已有用于井控的海底电子模块,但与现有解决方案相比,这里设计的控制系统将提供更先进的功能。该系统比目前用于海底的任何先进系统都要强大得多。

海底VSD设计用于控制海底泵与压缩机的泵速和扭矩,从而能够控制海水注入、增压、压缩作业。它们也是收集诊断数据的工具。利用VSD收集的设备数据,通常比实际设备收集的数据更有用。因为,这些数据有助于预测设备行为、优化作业、跟踪性能指标、构建系统的复原能力。

该项目现已进入最后阶段。随着全尺寸原型的浅水试验开始,业界可以展望一个新时代,在这个时代,海底设施将取代海上平台,显著降低生产成本与风险。

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