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

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。

图1 常规海缆供电模式单线图Fig.1 Single-line diagram of conventional submarine cable power supply mode

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。

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

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。

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 and self-sustaining power supply mode of DC generator set

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3×104h，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3 CCVT结构简图Fig.3 Schematic diagram of CCVT

图4 CCVT工作原理Fig.4 Working principle 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5 TEG结构简图Fig.5 Schematic diagram of TEG

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

2.2 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7 国外海上平台应用案例Fig.7 Overseas offshore platform application cases

2.3 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-16～36 ℃，自产天然气充足，燃气组分如表2所示。

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/%

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

表4 系统配置和方案优选Tab.4 System configuration and scheme optimization

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。