１水下生产控制系统的供电系统
当水下油气井为气井或自喷井时，在油气田生产初期只有水下生产控制系统需要供电。水下生产设施远离依托平台，需要依靠自动控制系统实现水下工艺参数的实时监测和生产的遥控操作。图１为水下生产控制系统供电系统示意图。其中，电力单元（ＥＰＵ）是主控站（ＭＣＳ）和ＳＣＭ之间通信接口和电力供应单元，为每个ＳＣＭ提供双电力供应和通信通道；ＥＰＵ通过将通信信号加载在电力线路上来与ＳＣＭ进行通信，通常由不间断单元（ＵＰＳ）供电，然后通过脐带缆向水下油气井提供电力。水下生产控制系统中阀的动作和液压系统动作需要电力驱动，构成了瞬时性负荷；水下通信盒、监视传感器和控制单元消耗少量电力，构成了连续性负荷。表１给出了水下生产控制系统控制采油树的瞬时负荷和连续负荷。水下生产控制系统的供电系统主要为生产控制、监测和通信供电，供电负荷较小。一般情况下是通过脐带缆中的电缆来输送电能，电缆横截面积不大，供电电压多选择６００Ｖ。随着供电距离的增加，供电电缆的阻抗、分布电容也将增加，导致电缆上的电压压降增大，末端电压变化范围大，影响供电安全和供电质量，也限制了远距离大功率电能传输。因此，水下长电缆电压降落影响分析是水下生产控制系统供电方案设计的关键环节之一，需要根据用电负荷需求、供电距离与水下电气模块ＳＥＭ电压窗选择合适的上部供电电压、水下电力变压器配置以及经济合理的电缆横截面。
２供电系统电压降落分析
水下生产控制的供电系统从水上供电电源供电，通过长距离电缆向负荷供电，其简化单线图见图２。假设供电方式为５０Ｈｚ的三相交流供电，三相负荷平衡。由于电缆比较长，采用π形等值电路模型来考虑电缆分布电容的作用，其等值电路图见图３ａ。将图３ａ中右侧负荷等值为阻抗Ｚ，则得到等值电路图３ｂ。在水下生产控制系统供电系统中，一般已知供电负荷的功率，因此采用图３ｂ所示的等值电路来分析供电线路的电压分布。在供电系统中，由于总供电功率为几千瓦，具有供电容量小、供电电压低、负荷功率因数高以及导线横截面积小的特点，所以在设计分析时假设Ｓ２≈Ｓ′２。
３荔湾
３－１气田水下生产控制系统供电方案设计荔湾３－１气田采用水下生产系统长距离回接至浅水增压平台的开发模式，３个水下生产系统是丛式开发模式，即西区、东区和中心区３个管汇接受井流，最后通过中心管汇通过海底管道输送至浅水平台进行处理和外输。荔湾３－１气田水下生产控制系统的供电系统主要包括ＵＰＳ、ＥＰＵ、脐带缆中的电缆、水下分配单元（ＳＤＨ）、ＳＣＭ等，来自浅水平台电力单元的电源通过主脐带缆为水下生产系统提供电力、液压、控制和监测信号，脐带缆通过水下分配单元分配到每个管汇和井口。图４为荔湾３－１气田水下生产控制系统供电单线图。根据荔湾３－１气田设计基础数据，水下生产控制供电系统供电负荷较小。按照１个ＳＣＭ一般提供１４路输出驱动阀门计算，每个采油树上的ＳＣＭ共消耗的最大电力负荷约为３００Ｗ，ＳＣＭ消耗的连续电力负荷约为１３０Ｗ。如果该气田考虑一定裕度并按照１０口井的规划考虑，则控制系统消耗的最大功率为３０００Ｗ。假设供电系统末端负荷为功率因数ｃｏｓφ＝１，输电距离为７５ｋｍ，采用横截面积分别为２．５、４．０、６．０、１０．０、２５．０、５０．０ｍｍ２的电缆导线（电气参数见表２），供电电压分别为４００、１０００、３３００Ｖ，供电负荷分别为５０００、３０００、１０００、５００Ｗ时的电压降落计算结果如图５所示。从图５可以看出：１）在某一供电电压下，电压降随着输电电缆横截面积的增大而减小，但随着负荷的增大而压降越大。２）对于某一横截面积的电缆，电压降随着供电电压的升高而减小，但随着负荷的增大而增大。３）从５０００Ｗ的负荷到空载，随着负荷的减少，电压降在减小；当空载时电压降为最小，负荷阻抗为无穷大，此时电缆电压降与供电电压无关。因此，当供电距离为７５ｋｍ时，长电缆造成的电压降落对供电系统影响较大，选用大横截面积的电缆供电时虽能减小电压降落，但是电缆的价格会增加；选用小横截面积电缆供电时虽较为经济，但其电压降落会使末端电压过低而无法正常供电，此时往往需要在电缆首端增设调压装置以改善末端电压质量。所以，该气田可行的供电方案有３种，即选用小横截面积电缆、加设调压装置方案，大横截面积电缆、不调压方案，以及较高供电电压方案。通过综合比较，根据电力系统电能质量的要求，推荐荔湾３－１气田采用较高供电电压方案，选择水面供电额定电压为３３００Ｖ，主脐带缆选择１６ｍｍ２电缆输送电力，此时线路末端的电压降不超过５％，满足压降要求。同时，在主脐带缆末端配置降压变压器，把电压降至６００Ｖ后再向负荷供电。
４结束语
供电系统电压降落分析是水下生产控制系统供电方案设计的关键环节之一，其目的是根据用电负荷需求、供电距离等选择合适的上部供电电压、水下电力变压器配置以及经济的主脐带缆电缆横截面。通过对荔湾３－１气田各种水下供电方案的对比，基于各种输送功率条件下电缆的电压降落与首端电压波动范围，推荐出了合理的上部供电电压和经济的主脐带缆电缆横截面，从而为今后水下长距离生产控制系统供电方案设计积累了经验。
作者：郭宏 单位：中海油研究总院
