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發布時間:2022-03-17 23:16:31 人氣:632
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。
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