車久瑋 孫盛平 黃存

近日，我國首座深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電平臺“海油觀瀾號”成功并入文昌油田群電網(wǎng)，通過一根5千米長的動態(tài)海纜，向文昌油田群輸送綠色電力。這標(biāo)志著我國深遠(yuǎn)海風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)取得重大進(jìn)展，也代表海上油氣開發(fā)邁出進(jìn)軍“綠電時代”的關(guān)鍵一步，開創(chuàng)海上風(fēng)電為海上油氣設(shè)施供電的新型供電模式，并為我國海上油田群帶來了一場“綠色”供電革命。

新型供電模式“呼之欲出”

(資料圖片僅供參考)

眾所周知，海上油氣設(shè)施扎根于大海深處，無法直接從陸地電網(wǎng)引電，海上油氣設(shè)施的供電模式亟須探索與創(chuàng)新。多年來，從最初的海上油氣設(shè)施設(shè)置發(fā)電機(jī)組為油氣平臺孤島供電，到平臺之間通過海底電纜進(jìn)行電力組網(wǎng)，再到開拓性地引電入海，實(shí)施三大岸電工程，海上油氣設(shè)施的供電模式逐步邁向高可靠性與清潔化。隨著中海油發(fā)布“雙碳”行動方案，要求“十四五”期間公司產(chǎn)業(yè)碳排放強(qiáng)度下降10%~18%，如何實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)期間的低碳排放供電成為當(dāng)務(wù)之急。

在此背景下，中海油研究總院新能源研究院清潔電力設(shè)計團(tuán)隊(duì)提出利用海上風(fēng)電接入海上油田群電網(wǎng)，與現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組組網(wǎng)，打造為海上油氣設(shè)施供電的新型供電模式。海上風(fēng)電設(shè)施為零碳排放發(fā)電設(shè)施，使用風(fēng)電供電能夠大幅減少伴生氣和原油的使用量，同時減少碳排放量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和降碳的雙重收益。

平臺安穩(wěn)供電面臨諸多挑戰(zhàn)

海上風(fēng)電的源動力為自然界的風(fēng)，風(fēng)機(jī)的出力隨風(fēng)速變化而波動，所以風(fēng)電具有不可控性且波動性大的特點(diǎn)。“海油觀瀾號”漂浮式風(fēng)電機(jī)組出力相比于常規(guī)固定式風(fēng)電機(jī)組，其自身姿態(tài)還受到海洋洋流、波浪等因素的影響，導(dǎo)致其出力更加復(fù)雜。而油氣田生產(chǎn)工藝負(fù)荷需求相對比較固定。如何將“靠天吃飯”、出力不穩(wěn)定不可控的風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能引入油田群實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定供電，設(shè)計人員面臨巨大挑戰(zhàn)。

電能需要隨時消納或存儲處理，當(dāng)發(fā)出電力與負(fù)荷消納不平衡時，將影響電網(wǎng)的頻率、電壓等參數(shù)，從而影響油氣田供電穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電和用電之間的電力平衡，研究團(tuán)隊(duì)面對電網(wǎng)各種正常和非正常運(yùn)行情況下的幾十種運(yùn)行場景，采用電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)，利用年度時序測風(fēng)數(shù)據(jù)，模擬風(fēng)機(jī)實(shí)時出力，同時充分分析了油氣田各種燃油、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的特性，選擇合適的發(fā)電機(jī)組開機(jī)和控制策略，快速精確控制燃油、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組出力隨風(fēng)電機(jī)組出力進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，從而滿足油氣田負(fù)荷供電需求。當(dāng)發(fā)生故障時，分析微秒級的電網(wǎng)電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)，分層分級制定合理的應(yīng)急預(yù)案措施，從而滿足油氣田供電。

此外，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)速的不可控造成風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)速變化大且不可控，因此風(fēng)電機(jī)組一般多采用電子元件將其產(chǎn)生的不規(guī)范的交流電整流成直流電，再轉(zhuǎn)為50赫茲的交流電。而在此交—直—交轉(zhuǎn)化過程中往往伴隨著諧波等電能質(zhì)量問題，特別是當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)與風(fēng)機(jī)產(chǎn)生諧波諧振耦合產(chǎn)生電網(wǎng)振蕩問題，將極大影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要對風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)的正常和非正常運(yùn)行情況下幾十種運(yùn)行場景開展諧波分析，并對電網(wǎng)進(jìn)行阻抗掃描找出可能存在的諧振點(diǎn)，有針對性地進(jìn)行設(shè)計和規(guī)避。

合抱之木，生于毫末。為了將“海油觀瀾號”的風(fēng)穩(wěn)穩(wěn)吹入文昌油田群，中海油研究總院新能源研究院電力設(shè)計團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)外缺乏成熟工程經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，開展了大量的理論研究和仿真計算工作，形成了海上風(fēng)電接入油氣田電網(wǎng)的設(shè)計方法，同時也總結(jié)形成了《海上風(fēng)電接入油氣田電網(wǎng)設(shè)計指南》，為后續(xù)海上風(fēng)電接入油氣田電網(wǎng)工程設(shè)計開辟了理論道路。

能量管理系統(tǒng)亟須改造升級

除了在前期設(shè)計階段對風(fēng)機(jī)接入進(jìn)行仿真計算及系統(tǒng)分析之外，在風(fēng)機(jī)后期運(yùn)行時，還需要對其運(yùn)行狀況、功率調(diào)節(jié)及能量管理進(jìn)行全方位的監(jiān)控。這就需要對文昌油田群電網(wǎng)的EMS系統(tǒng)（EnergyManagementSystem，即能量管理系統(tǒng)）進(jìn)行改造升級來滿足風(fēng)機(jī)接入后系統(tǒng)的運(yùn)行管理。EMS能量管理系統(tǒng)是一個面向發(fā)、輸、變、配用電各個環(huán)節(jié)的綜合自動化控制系統(tǒng)。通過EMS系統(tǒng)的管理控制能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)的快速響應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組接入后，在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新增風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動監(jiān)視和控制，在風(fēng)電機(jī)組出力出現(xiàn)劇烈波動或者系統(tǒng)發(fā)生故障造成電力不平衡的情況下，EMS系統(tǒng)就會根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況和預(yù)定的策略進(jìn)行切機(jī)或者切負(fù)荷操作，使電力供應(yīng)再次恢復(fù)平衡。

近期，國家能源局發(fā)布《加快油氣勘探開發(fā)與新能源融合發(fā)展行動方案（2023~2025年）》，對海上油氣供電模式提出了新要求，倡導(dǎo)以海上風(fēng)電替代分散式燃?xì)馊加蜑橛蜌馄脚_提供綠色電力。

“海油觀瀾號”投產(chǎn)后，預(yù)計年發(fā)電量將達(dá)到2200萬千瓦時，每年可節(jié)省天然氣近1000萬立方米，每年可減少二氧化碳排放達(dá)2.2萬噸，為海上油氣開發(fā)使用“綠電”提供了新思路。隨著技術(shù)人員不斷進(jìn)行技術(shù)探索，逐步提升新能源機(jī)組海上平臺供電比例，必將使海上綠色勘探開發(fā)成為可能。相信，隨著各大油田堅持綠色發(fā)展理念，海上風(fēng)電與現(xiàn)有機(jī)組融合供電模式勢必迎來蓬勃發(fā)展的局面。（作者單位：中海油研究總院新能源研究院）

責(zé)任編輯：吳蘇靈

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