中能论坛丨如何为海上油气平台提供安稳电能？

来源：中国电力报 时间：2023-06-26 14:13

车久玮 孙盛平 黄存

　　近日，我国首座深远海浮式风电平台“海油观澜号”成功并入文昌油田群电网，通过一根5千米长的动态海缆，向文昌油田群输送绿色电力。这标志着我国深远海风电关键技术取得重大进展，也代表海上油气开发迈出进军“绿电时代”的关键一步，开创海上风电为海上油气设施供电的新型供电模式，并为我国海上油田群带来了一场“绿色”供电革命。

新型供电模式“呼之欲出”

　　众所周知，海上油气设施扎根于大海深处，无法直接从陆地电网引电，海上油气设施的供电模式亟须探索与创新。多年来，从最初的海上油气设施设置发电机组为油气平台孤岛供电，到平台之间通过海底电缆进行电力组网，再到开拓性地引电入海，实施三大岸电工程，海上油气设施的供电模式逐步迈向高可靠性与清洁化。随着中海油发布“双碳”行动方案，要求“十四五”期间公司产业碳排放强度下降10%~18%，如何实现油气生产期间的低碳排放供电成为当务之急。

　　在此背景下，中海油研究总院新能源研究院清洁电力设计团队提出利用海上风电接入海上油田群电网，与现有发电机组组网，打造为海上油气设施供电的新型供电模式。海上风电设施为零碳排放发电设施，使用风电供电能够大幅减少伴生气和原油的使用量，同时减少碳排放量，实现经济和降碳的双重收益。

平台安稳供电面临诸多挑战

　　海上风电的源动力为自然界的风，风机的出力随风速变化而波动，所以风电具有不可控性且波动性大的特点。“海油观澜号”漂浮式风电机组出力相比于常规固定式风电机组，其自身姿态还受到海洋洋流、波浪等因素的影响，导致其出力更加复杂。而油气田生产工艺负荷需求相对比较固定。如何将“靠天吃饭”、出力不稳定不可控的风机发出的电能引入油田群实现安全稳定供电，设计人员面临巨大挑战。

　　电能需要随时消纳或存储处理，当发出电力与负荷消纳不平衡时，将影响电网的频率、电压等参数，从而影响油气田供电稳定性。为了实现发电和用电之间的电力平衡，研究团队面对电网各种正常和非正常运行情况下的几十种运行场景，采用电网电磁暂态仿真系统，利用年度时序测风数据，模拟风机实时出力，同时充分分析了油气田各种燃油、燃气发电机组的特性，选择合适的发电机组开机和控制策略，快速精确控制燃油、燃气发电机组出力随风电机组出力进行补偿调节，从而满足油气田负荷供电需求。当发生故障时，分析微秒级的电网电磁暂态数据，分层分级制定合理的应急预案措施，从而满足油气田供电。

　　此外，风力发电系统中，由于风速的不可控造成风力发电转速变化大且不可控，因此风电机组一般多采用电子元件将其产生的不规范的交流电整流成直流电，再转为50赫兹的交流电。而在此交—直—交转化过程中往往伴随着谐波等电能质量问题，特别是当电网参数与风机产生谐波谐振耦合产生电网振荡问题，将极大影响电网安全稳定运行，因此需要对风机接入电网的正常和非正常运行情况下几十种运行场景开展谐波分析，并对电网进行阻抗扫描找出可能存在的谐振点，有针对性地进行设计和规避。

　　合抱之木，生于毫末。为了将“海油观澜号”的风稳稳吹入文昌油田群，中海油研究总院新能源研究院电力设计团队在国内外缺乏成熟工程经验与设计方法的基础上，开展了大量的理论研究和仿真计算工作，形成了海上风电接入油气田电网的设计方法，同时也总结形成了《海上风电接入油气田电网设计指南》，为后续海上风电接入油气田电网工程设计开辟了理论道路。

能量管理系统亟须改造升级

　　除了在前期设计阶段对风机接入进行仿真计算及系统分析之外，在风机后期运行时，还需要对其运行状况、功率调节及能量管理进行全方位的监控。这就需要对文昌油田群电网的EMS系统（Energy Management System，即能量管理系统）进行改造升级来满足风机接入后系统的运行管理。EMS能量管理系统是一个面向发、输、变、配用电各个环节的综合自动化控制系统。通过EMS系统的管理控制能够实现电网的快速响应和稳定运行，当风电机组接入后，在原系统的基础上新增风机监控系统，实现对风力发电机的自动监视和控制，在风电机组出力出现剧烈波动或者系统发生故障造成电力不平衡的情况下，EMS系统就会根据实际运行情况和预定的策略进行切机或者切负荷操作，使电力供应再次恢复平衡。

　　近期，国家能源局发布《加快油气勘探开发与新能源融合发展行动方案（2023~2025年）》，对海上油气供电模式提出了新要求，倡导以海上风电替代分散式燃气燃油为油气平台提供绿色电力。

　　“海油观澜号”投产后，预计年发电量将达到2200万千瓦时，每年可节省天然气近1000万立方米，每年可减少二氧化碳排放达2.2万吨，为海上油气开发使用“绿电”提供了新思路。随着技术人员不断进行技术探索，逐步提升新能源机组海上平台供电比例，必将使海上绿色勘探开发成为可能。相信，随着各大油田坚持绿色发展理念，海上风电与现有机组融合供电模式势必迎来蓬勃发展的局面。（作者单位：中海油研究总院新能源研究院）

责任编辑：吴苏灵