十年前，海底油田及其耗電量巨大的處理設(shè)備啟動(dòng)了電氣化進(jìn)程，使用長(zhǎng)距離的跨接和精簡(jiǎn)的新基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)對(duì)遠(yuǎn)距離的海底資源進(jìn)行開發(fā)，從而點(diǎn)燃了海底配電領(lǐng)域投資的星星之火。

自此以后，經(jīng)過(guò)至少兩個(gè)大型聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目和數(shù)千萬(wàn)美元的投資，海底配電現(xiàn)在已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，正等待首次應(yīng)用。

早在2016年，通用石油天然氣公司對(duì)一套海底配電系統(tǒng)進(jìn)行了資質(zhì)認(rèn)證，包括變速驅(qū)動(dòng)器（VSD）、開關(guān)設(shè)備和電源保護(hù)，這些系統(tǒng)使用安裝在耐壓外殼中現(xiàn)有組件，以實(shí)現(xiàn)海上應(yīng)用。該系統(tǒng)為挪威Ormen Lange水下壓縮項(xiàng)目開發(fā)，從120公里以外處提供電力，但遭到了殼牌的反對(duì)。

今年，ABB對(duì)其海底配電系統(tǒng)（包括變壓器、VSD、開關(guān)設(shè)備和控制裝置）進(jìn)行了資格認(rèn)證，西門子的系統(tǒng)認(rèn)證也接近完成。

其他公司正在開發(fā)更小、更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，包括TechnipFMC。貝克休斯推出的Modular Compact Pump集成了VSD，減少對(duì)“3類設(shè)施”（即供電、輸電和配電）的全面需求。

其目標(biāo)是為海底系統(tǒng)（從泵到壓縮機(jī)）提供750千瓦到11兆瓦以上的電力。

這包括所需的電力和電子設(shè)備，以避免對(duì)現(xiàn)有的上部模塊進(jìn)行改造，或?qū)⒄麄€(gè)海底開發(fā)連接至岸。這些結(jié)構(gòu)更具可擴(kuò)展性和靈活性。

然而，DNV GL船級(jí)社海底業(yè)務(wù)主管Bj?rn S?g?rd指出，在流量保證方面，距離更長(zhǎng)的跨接所面臨的挑戰(zhàn)更大。在一些能夠應(yīng)用這一技術(shù)的潛在項(xiàng)目中，如雪佛龍Janz-Io水下壓縮項(xiàng)目，距離澳大利亞海岸200公里，水深1300米，其目標(biāo)是上部模塊的電力和控制。

與此同時(shí)，也有越來(lái)越多的人選擇更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，為耗電較少的近期回接和棕地項(xiàng)目提供更快速的回報(bào)，比如TechnipFMC正在與巴西電氣和自動(dòng)化公司W(wǎng)EG進(jìn)行合作。

浮式海上風(fēng)電市場(chǎng)也可以為這些技術(shù)提供市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)將電力傳輸至岸，而不是輸送到海上項(xiàng)目。

圖片

ABB將其VSD吊至試驗(yàn)場(chǎng)中，與OneSubsea的WGC600及控制室進(jìn)行試驗(yàn) (圖片來(lái)源：ABB)

圖片

ABB與OneSubsea進(jìn)行試驗(yàn) (圖片來(lái)源：ABB)

供應(yīng)商正在考慮各種備選方案。ABB全球海底業(yè)務(wù)主管Asmund M?land表示，ABB系統(tǒng)將適用于4-12MW的應(yīng)用場(chǎng)合，例如OneSubsea的濕氣壓縮機(jī)（WGC）。

事實(shí)上，今年早些時(shí)候，ABB就與OneSubsea聯(lián)手，在OneSubsea的多相WGC6000壓縮機(jī)上使用ABB的VSD（根據(jù)泵和壓縮機(jī)的需求改變功率），進(jìn)行了全尺寸聯(lián)機(jī)試驗(yàn)。

VSD和壓縮機(jī)在OneSubsea位于卑爾根附近的Hors?y設(shè)施的淺水試驗(yàn)場(chǎng)中進(jìn)行了水下運(yùn)行。ABB表示，此次試驗(yàn)證明了8MW軸功率的能力，并使兩個(gè)系統(tǒng)都達(dá)到了TRL5（技術(shù)成熟度5級(jí)），這意味著它們已經(jīng)能夠進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。

由于新冠疫情的限制，這項(xiàng)試驗(yàn)在JIP合作伙伴的支持下主要通過(guò)遠(yuǎn)程進(jìn)行，有100名客戶通過(guò)遠(yuǎn)程見證。

M?land表示：“它具有可擴(kuò)展性，為遠(yuǎn)距離石油回接項(xiàng)目開辟了道路，但這些還取決于如何應(yīng)對(duì)流量保證這一難題，其他企業(yè)當(dāng)前正努力解決這一難題。”

他指出，距離更長(zhǎng)的天然氣回接項(xiàng)目也可能將出現(xiàn)，但這取決于與其他伙伴一起能否解決流量保證的問題。

M?land指出，海底泵送和天然氣壓縮可能是首批采用這項(xiàng)技術(shù)的用戶，但為了保證流量，還將采用管道加熱系統(tǒng)。

ABB海底技術(shù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Svein Vatland表示，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的海底到岸的項(xiàng)目也正在被能源公司所關(guān)注。

M?land表示，其他方案也在評(píng)估中，例如使用海底變壓器以及海底開關(guān)設(shè)備。來(lái)支持上部模塊空間缺乏或不具備改造經(jīng)濟(jì)性的棕地平臺(tái)的電氣化。平臺(tái)電氣化被視為一種有效的減排手段，因此在英國(guó)所受的關(guān)注日益廣泛。ABB正與Aker Solutions以及Kellas Midstream在這一領(lǐng)域展開合作，BP也對(duì)此做了長(zhǎng)期探索。

除此之外，這項(xiàng)技術(shù)還有助于將海上風(fēng)電甚至氫能納入海上能源結(jié)構(gòu)中。

M?land表示，海底變壓器可以用作海上風(fēng)力發(fā)電的集輸站，減少平臺(tái)維護(hù)。海底配電系統(tǒng)還可以支持海底采礦作業(yè)，并為自主海洋系統(tǒng)的發(fā)展提供電力。集成電池和海上風(fēng)電將需要海底控制系統(tǒng)，而這也是ABB正在研究的。

圖片

西門子系統(tǒng)認(rèn)證接近尾聲 (圖片來(lái)源：西門子)

另一個(gè)聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目由西門子能源運(yùn)營(yíng)，為200公里距離以外的目標(biāo)提供6 MVA電力，并在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行配送，目前正在進(jìn)行中。在雪佛龍、?？松梨?、挪威國(guó)油和挪威埃尼（現(xiàn)為V?r Energi）的支持下，西門子能源在其已獲認(rèn)證的變壓器上增加一臺(tái)VSD（現(xiàn)為TRL4）、開關(guān)設(shè)備和控制裝置，均用于3000米水深。

西門子的整套水下配電網(wǎng)，包括VSD、變壓器、開關(guān)設(shè)備和控制裝置，全部安裝在充油壓力補(bǔ)償外殼或一個(gè)大氣壓的控制罐中，于2018-2019年在特隆赫姆的碼頭進(jìn)行了全面的淺水試驗(yàn)。

西門子能源海底電網(wǎng)產(chǎn)品生命周期經(jīng)理Eduardo Pimentel Silvestrow表示，從那以后，西門子一直在總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

該系統(tǒng)的VSD達(dá)到TRL4級(jí)，能夠連同已通過(guò)認(rèn)證的變壓器投入商業(yè)應(yīng)用。開關(guān)裝置已經(jīng)通過(guò)一個(gè)優(yōu)化項(xiàng)目，目前正在測(cè)試新版本，預(yù)計(jì)2021年可以投入商業(yè)使用。該電網(wǎng)將與西門子的DigiGRID相互協(xié)同。DigiGRID是一套開放式架構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施和通信平臺(tái)，能夠搭載所有電氣控制系統(tǒng)。

Silvestrow表示：“我們已經(jīng)證實(shí)了水下冷卻能力，冷卻效果符合預(yù)期，并與我們所做的所有模擬結(jié)果相符。”西門子認(rèn)為該技術(shù)能夠應(yīng)用于兆瓦級(jí)大型壓縮機(jī)、單負(fù)載以及雙負(fù)載或混合負(fù)載中。

他說(shuō)，雖然原型機(jī)為6MVA，但系統(tǒng)為模塊化，可以根據(jù)需要輕松降級(jí)或升級(jí)。在使用中，VSD可以并聯(lián)以提供更高功率。此外，可以使用一些海底電網(wǎng)元件進(jìn)行低壓局部配電。

TechnipFMC與WEG合作

TechnipFMC水下處理技術(shù)主管Eduardo Cardoso表示，TechnipFMC自2015年開始與巴西WEG公司合作開發(fā)海底配電站，并且自2013年以來(lái)一直在進(jìn)行市場(chǎng)評(píng)估。該公司認(rèn)為，對(duì)于復(fù)雜程度不高的系統(tǒng)，市場(chǎng)上還存在缺口。

他指出：“我們的結(jié)論是，只要能夠解決系統(tǒng)成本和復(fù)雜性問題，海底配電市場(chǎng)是廣闊的，這些是阻礙客戶使用海底設(shè)施的主要問題?！?/p>

TechnipFMC的解決方案基于海上已有的模塊化組件，通過(guò)使用1.5MW的海底VSD進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)，打造1-6MW的發(fā)電站。

起初，TechnipFMC考慮6MW及以下的項(xiàng)目，這意味著其主要目標(biāo)是700kW容量以下的泵項(xiàng)目。它非常適合在單泵上進(jìn)行應(yīng)用，在上部模塊受限的情況下作為低成本的解決方案，但也可以按需擴(kuò)大規(guī)模。

該方案也很適合所有的電氣化油氣田，包括電氣化采油樹，因?yàn)檫@意味著不再需要液壓電纜，并且可以提供一個(gè)更靈活的配電架構(gòu)。

海底配電站能夠降低整體系統(tǒng)成本，因?yàn)槟軌蛳忻娣e的改造限制。他還強(qiáng)調(diào)，在上部模塊中加裝一套電力控制模塊將意味著增加70-100噸的重量和隨之而來(lái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整。

如果將電力控制模塊置于海底，則只需要連接一條電源臍管。有了這些，我們就可以按照此前從未有過(guò)的輕松方式進(jìn)行項(xiàng)目回接，距離主體較遠(yuǎn)的油氣井也可以忽略距離問題，只需增加泵送。

TechnipFMC對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了大量的技術(shù)認(rèn)證，包括對(duì)海底VSD進(jìn)行滿負(fù)荷試驗(yàn)，以確保其能夠有效地管理熱量。當(dāng)前正在進(jìn)行3000小時(shí)的測(cè)試。

貝克休斯的VSD集成技術(shù)

2016年，通用石油天然氣公司對(duì)一套海底配電系統(tǒng)進(jìn)行了資質(zhì)認(rèn)證，包括變速驅(qū)動(dòng)器（VSD）、開關(guān)設(shè)備和電源保護(hù)，這些系統(tǒng)使用安裝在耐壓外殼中現(xiàn)有組件，以實(shí)現(xiàn)海上應(yīng)用。該系統(tǒng)為挪威Ormen Lange水下壓縮項(xiàng)目開發(fā)，從120公里以外處提供電力。但如前所述，該項(xiàng)目并未實(shí)現(xiàn)。

貝克休斯海底動(dòng)力和處理業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Alisdair MacDonald表示，從那時(shí)起，貝克休斯（被通用收購(gòu)，后又獨(dú)立）一直致力于開發(fā)其Modular Compact Pump（MCP泵），該泵集成VSD，無(wú)需復(fù)雜的海底配電系統(tǒng)。

MCP是一種用于多相增壓的無(wú)障礙流體系統(tǒng)，在大氣壓容器中集成VSD，基于加利福尼亞Calnetix的上部模塊VSD技術(shù)。它將于2022年在Sintef flow loop進(jìn)行淺水試驗(yàn)。MCP 1MW將同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，從而達(dá)到TRL 4-5級(jí)。

MacDonald表示：“正因?yàn)橛蠱CP，所以無(wú)論是多相增壓還是注水，均不需要傳統(tǒng)的3類設(shè)施（供電、輸電和電配）。更傳統(tǒng)的海底泵系統(tǒng)可以受益于3類系統(tǒng)，尤其是對(duì)于距離較長(zhǎng)的跨接，但是要克服流量保證的難題?！?/p>

對(duì)于海底壓縮，仍然需要3類設(shè)施，但可能使用該解決方案的潛在項(xiàng)目更青睞于在靠近壓縮站的SPAR平臺(tái)或浮式平臺(tái)的上部模塊中安裝動(dòng)力設(shè)備。其他項(xiàng)目則考慮使用岸電，將VSD安裝在岸。

時(shí)間將證明一切。隨著電氣化系統(tǒng)的發(fā)展，下一步將是全電動(dòng)海底生產(chǎn)系統(tǒng)。一旦被采納，行業(yè)發(fā)展的步伐將加快，自主電力系統(tǒng)、電力浮標(biāo)和潮汐發(fā)電的研發(fā)也將提上日程。