羅克韋爾自動化再創海洋原油開采新標桿！

創新是社會進步的基石，是人類不斷突破自我的渴望，是企業獲取新型生產力的原動力。羅克韋爾自動化秉承著智能制造引領者的使命，將現代工業科技與傳統行業應用深度融合，助力油氣企業攻克世界性難題，再創海洋原油開采新標桿！

打造海上超級工廠

位于南海珠江口盆地的流花16-2油田群是某大型石油企業的首個自營深水油田群，其開發工程包括新建一座浮式生產儲油裝置（FPSO）、一座流花16-2油田水下生產系統（LH16-2SPS）、一座流花20-2油田水下生產系統（LH20-2SPS）、一座流花21-2油田水下生產系統（LH21-2SPS），其中流花20-2水下生產系統距離新建FPSO約13.32km，流花16-2水下生產系統離新建FPSO約24.2km（均為海纜距離）。

油田群主電站設置在新建的FPSO上，主電站除了為FPSO正常的生活、生產和船體部分供電外，還分別通過6.3kV母線、中壓變頻器、單點系泊系統及長距離海底電纜為流花16-2和流花20-2水下生產系統電潛泵供電，整個供電系統如圖1所示。

圖1 流花16-2油田群供電系統示意圖

挺進深水 挑戰全水下開發模式

流花16-2油田群平均水深410米，是目前我國水深最深的油田群，且地質環境復雜，工程設計難度極高。在技術方案選擇上可以采取TLP張力腿和全水下開發兩種模式，其中TLP張力腿方案無技術風險但成本高，全水下開發模式經濟性高但國際上尚無類似案例，面臨著巨大的技術挑戰。為了確保項目順利實施，該石油企業項目組采取了TLP和水下井口方案并行設計的方式，以TLP方案作為保底，遠距離水下井口方案作為技術創新，進行前期技術可行性驗證，消除方案風險。

與常規建設的海上油氣生產平臺不同，全水下開發模式將采油樹和管匯設施均放入水下，置于海床上，將海里的油氣通過水下生產系統直接回接到“海上油氣處理工廠”——FPSO。

面對超過25公里的供電距離，專家們對全水下開發模式的反饋并不樂觀。對于電潛泵的變頻驅動系統而言，超過20公里距離后，系統諧振點急劇降低，諧振幅值呈指數上升，系統穩定性變差，導致系統失控風險增高，需要對驅動系統進行特殊的設計，來避免系統諧振風險。系統的另外一個風險來自啟動力矩，由于變頻器輸出側的線纜阻抗過高，嚴重影響了變頻器的控制特性，使得啟動力矩過低，容易導致阻塞泵無法正常啟動，造成設備頻繁維修。

創新引領攻克世界難題

為解決超遠距離變頻驅動的技術難題，該石油企業項目組向羅克韋爾自動化尋求解決方案。羅克韋爾自動化加拿大中壓總部經過模擬仿真計算，確認PowerFlex7000電流源型變頻器可以滿足該工藝要求。在客戶的委托下，羅克韋爾自動化在加拿大中壓總部搭建硬件仿真測試平臺，對方案進行驗證。最終，各項性能參數完全滿足用戶需求，消除了用戶對水下井口遠距離驅動方案的顧慮。

圖2 硬件實驗平臺結構圖

啟動力矩設定為90%的情況下，電機側的電流，電壓，頻率及輸出力矩均完全符合工藝控制要求，系統波形正常，沒有諧振產生。

圖3 實測啟動力矩相應數據

圖4 實測負載動態變化相應數據

如圖4所示，左側曲線：運行在30Hz時，50%的負載變化僅會引起電機0.2Hz的波動，電機側電壓從1920V降低到1750V，電流從38A降低到30A，系統沒有出現震蕩。右側曲線：運行在60Hz時，50%的負載變化會引起電機1Hz的波動，電機側電壓從5160V降低到4150V，電流從93A降低到60A，系統沒有出現震蕩。

在實施中，為了實現超過25公里的遠距離完美驅動，羅克韋爾自動化針對現場工藝要求及相關參數，專門設計了輸出側的濾波器，消除輸出側的諧振可能，確保系統安全可靠運行。

圖5  頻譜分析結果

上圖為根據用戶實際數據進行的頻譜分析結果，標準情況下，共振頻率包括兩個點，在910Hz，距離為23km位置，出現了15.48倍的最大幅值，增加專門設計的濾波器后，共振點頻率為729Hz，距離為20.3km位置，幅值已經降低到了2.29倍，對應的受影響最大為13和17次諧波，而13、17次諧波的含量在系統內低于1%，基本可以確認諧振已經對系統無影響。

流花16-2采油區中控系統采用了羅克韋爾自動化的RSLogix平臺，得益于此，PowerFlex7000電流源型變頻器可以通過EtherNet/IP工業以太網與控制系統實現完美集成。26套變頻驅動系統通過EtherNet/IP環網連接至現場上位機，上位機通過光纖環網連接入平臺中央控制系統，實現了首要集成、ADC自動設備更換、設備預報警、設備遠程監控、診斷與維護等功能，大大提高了設備的可維護性及可靠性。

圖6 流花16-2采油區總系統結構示意圖

實現世界最長距離電潛泵變頻供電

2020年9月20日，隨著電潛泵緩緩啟動，歷時30個月建設，我國首個采用全水下開發模式的油田——流花16-2油田群順利投產，創下我國海上油田開發水深最深、水下井口數最多的紀錄。油田群高峰年產量可達420萬方，是目前我國在南海開發產量最大的新油田群，可滿足400多萬輛家用汽車一年的汽油消耗。其中，流花16-2油田水下井口輸送距離達25公里，是迄今為止我國水下輸送距離最遠的油田，由此也實現了世界最長距離電潛泵變頻供電的創舉。

羅克韋爾自動化采用PowerFlex7000電流源型變頻器實現的遠距離驅動解決方案，為油氣企業提供了創新的深海石油開采設計思路。與傳統的中心平臺+TLP分布式小平臺相比，通過建設中心大平臺，大范圍覆蓋整個油田，集中化放置生產設備及輔助設備，大大降低了項目的投資成本及管理運營成本。

石油是重要的戰略能源和化工原料，也是國家的經濟命脈。流花16-2油田群的建成投產是我國深水油氣田自主開發新的里程碑。羅克韋爾自動化的驅動方案所實現的重大技術性突破，助力油氣企業進一步提升了海洋油氣資源開發能力，為保障國家能源安全和助力粵港澳大灣區發展注入新動能。未來，羅克韋爾自動化愿攜領先的自動化、數字化和智能化解決方案，助力客戶打造更多安全、高效、綠色的“海上石油工廠”，共同推動海上油氣產業鏈的發展進步，向深水和更曠闊的海域挺進。