十年前，海底油田及其耗電量巨大的處理設(shè)備啟動了電氣化進程，使用長距離的跨接和精簡的新基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)對遠距離的海底資源進行開發(fā)，從而點燃了海底配電領(lǐng)域投資的星星之火。

自此以后，經(jīng)過至少兩個大型聯(lián)合工業(yè)項目和數(shù)千萬美元的投資，海底配電現(xiàn)在已經(jīng)是一項成熟的技術(shù)，正等待首次應(yīng)用。

早在2016年，通用石油天然氣公司對一套海底配電系統(tǒng)進行了資質(zhì)認(rèn)證，包括變速驅(qū)動器（VSD）、開關(guān)設(shè)備和電源保護，這些系統(tǒng)使用安裝在耐壓外殼中現(xiàn)有組件，以實現(xiàn)海上應(yīng)用。該系統(tǒng)為挪威Ormen Lange水下壓縮項目開發(fā)，從120公里以外處提供電力，但遭到了殼牌的反對。

今年，ABB對其海底配電系統(tǒng)（包括變壓器、VSD、開關(guān)設(shè)備和控制裝置）進行了資格認(rèn)證，西門子的系統(tǒng)認(rèn)證也接近完成。

其他公司正在開發(fā)更小、更簡單的系統(tǒng)，包括TechnipFMC。貝克休斯推出的Modular Compact Pump集成了VSD，減少對“3類設(shè)施”（即供電、輸電和配電）的全面需求。

其目標(biāo)是為海底系統(tǒng)（從泵到壓縮機）提供750千瓦到11兆瓦以上的電力。

這包括所需的電力和電子設(shè)備，以避免對現(xiàn)有的上部模塊進行改造，或?qū)⒄麄€海底開發(fā)連接至岸。這些結(jié)構(gòu)更具可擴展性和靈活性。

然而，DNV GL船級社海底業(yè)務(wù)主管Bj?rn S?g?rd指出，在流量保證方面，距離更長的跨接所面臨的挑戰(zhàn)更大。在一些能夠應(yīng)用這一技術(shù)的潛在項目中，如雪佛龍Janz-Io水下壓縮項目，距離澳大利亞海岸200公里，水深1300米，其目標(biāo)是上部模塊的電力和控制。

與此同時，也有越來越多的人選擇更簡單的系統(tǒng)，為耗電較少的近期回接和棕地項目提供更快速的回報，比如TechnipFMC正在與巴西電氣和自動化公司W(wǎng)EG進行合作。

浮式海上風(fēng)電市場也可以為這些技術(shù)提供市場，實現(xiàn)將電力傳輸至岸，而不是輸送到海上項目。

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ABB將其VSD吊至試驗場中，與OneSubsea的WGC600及控制室進行試驗 (圖片來源：ABB)

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ABB與OneSubsea進行試驗 (圖片來源：ABB)

供應(yīng)商正在考慮各種備選方案。ABB全球海底業(yè)務(wù)主管Asmund M?land表示，ABB系統(tǒng)將適用于4-12MW的應(yīng)用場合，例如OneSubsea的濕氣壓縮機（WGC）。

事實上，今年早些時候，ABB就與OneSubsea聯(lián)手，在OneSubsea的多相WGC6000壓縮機上使用ABB的VSD（根據(jù)泵和壓縮機的需求改變功率），進行了全尺寸聯(lián)機試驗。

VSD和壓縮機在OneSubsea位于卑爾根附近的Hors?y設(shè)施的淺水試驗場中進行了水下運行。ABB表示，此次試驗證明了8MW軸功率的能力，并使兩個系統(tǒng)都達到了TRL5（技術(shù)成熟度5級），這意味著它們已經(jīng)能夠進行商業(yè)化應(yīng)用。

由于新冠疫情的限制，這項試驗在JIP合作伙伴的支持下主要通過遠程進行，有100名客戶通過遠程見證。

M?land表示：“它具有可擴展性，為遠距離石油回接項目開辟了道路，但這些還取決于如何應(yīng)對流量保證這一難題，其他企業(yè)當(dāng)前正努力解決這一難題。”

他指出，距離更長的天然氣回接項目也可能將出現(xiàn)，但這取決于與其他伙伴一起能否解決流量保證的問題。

M?land指出，海底泵送和天然氣壓縮可能是首批采用這項技術(shù)的用戶，但為了保證流量，還將采用管道加熱系統(tǒng)。

ABB海底技術(shù)項目負(fù)責(zé)人Svein Vatland表示，通過這項技術(shù)實現(xiàn)的海底到岸的項目也正在被能源公司所關(guān)注。

M?land表示，其他方案也在評估中，例如使用海底變壓器以及海底開關(guān)設(shè)備。來支持上部模塊空間缺乏或不具備改造經(jīng)濟性的棕地平臺的電氣化。平臺電氣化被視為一種有效的減排手段，因此在英國所受的關(guān)注日益廣泛。ABB正與Aker Solutions以及Kellas Midstream在這一領(lǐng)域展開合作，BP也對此做了長期探索。

除此之外，這項技術(shù)還有助于將海上風(fēng)電甚至氫能納入海上能源結(jié)構(gòu)中。

M?land表示，海底變壓器可以用作海上風(fēng)力發(fā)電的集輸站，減少平臺維護。海底配電系統(tǒng)還可以支持海底采礦作業(yè)，并為自主海洋系統(tǒng)的發(fā)展提供電力。集成電池和海上風(fēng)電將需要海底控制系統(tǒng)，而這也是ABB正在研究的。

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西門子系統(tǒng)認(rèn)證接近尾聲 (圖片來源：西門子)

另一個聯(lián)合工業(yè)項目由西門子能源運營，為200公里距離以外的目標(biāo)提供6 MVA電力，并在當(dāng)?shù)剡M行配送，目前正在進行中。在雪佛龍、?？松梨?、挪威國油和挪威埃尼（現(xiàn)為V?r Energi）的支持下，西門子能源在其已獲認(rèn)證的變壓器上增加一臺VSD（現(xiàn)為TRL4）、開關(guān)設(shè)備和控制裝置，均用于3000米水深。

西門子的整套水下配電網(wǎng)，包括VSD、變壓器、開關(guān)設(shè)備和控制裝置，全部安裝在充油壓力補償外殼或一個大氣壓的控制罐中，于2018-2019年在特隆赫姆的碼頭進行了全面的淺水試驗。

西門子能源海底電網(wǎng)產(chǎn)品生命周期經(jīng)理Eduardo Pimentel Silvestrow表示，從那以后，西門子一直在總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗。

該系統(tǒng)的VSD達到TRL4級，能夠連同已通過認(rèn)證的變壓器投入商業(yè)應(yīng)用。開關(guān)裝置已經(jīng)通過一個優(yōu)化項目，目前正在測試新版本，預(yù)計2021年可以投入商業(yè)使用。該電網(wǎng)將與西門子的DigiGRID相互協(xié)同。DigiGRID是一套開放式架構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施和通信平臺，能夠搭載所有電氣控制系統(tǒng)。

Silvestrow表示：“我們已經(jīng)證實了水下冷卻能力，冷卻效果符合預(yù)期，并與我們所做的所有模擬結(jié)果相符?！蔽鏖T子認(rèn)為該技術(shù)能夠應(yīng)用于兆瓦級大型壓縮機、單負(fù)載以及雙負(fù)載或混合負(fù)載中。

他說，雖然原型機為6MVA，但系統(tǒng)為模塊化，可以根據(jù)需要輕松降級或升級。在使用中，VSD可以并聯(lián)以提供更高功率。此外，可以使用一些海底電網(wǎng)元件進行低壓局部配電。

TechnipFMC與WEG合作

TechnipFMC水下處理技術(shù)主管Eduardo Cardoso表示，TechnipFMC自2015年開始與巴西WEG公司合作開發(fā)海底配電站，并且自2013年以來一直在進行市場評估。該公司認(rèn)為，對于復(fù)雜程度不高的系統(tǒng)，市場上還存在缺口。

他指出：“我們的結(jié)論是，只要能夠解決系統(tǒng)成本和復(fù)雜性問題，海底配電市場是廣闊的，這些是阻礙客戶使用海底設(shè)施的主要問題?！?/p>

TechnipFMC的解決方案基于海上已有的模塊化組件，通過使用1.5MW的海底VSD進行并聯(lián)或串聯(lián)，打造1-6MW的發(fā)電站。

起初，TechnipFMC考慮6MW及以下的項目，這意味著其主要目標(biāo)是700kW容量以下的泵項目。它非常適合在單泵上進行應(yīng)用，在上部模塊受限的情況下作為低成本的解決方案，但也可以按需擴大規(guī)模。

該方案也很適合所有的電氣化油氣田，包括電氣化采油樹，因為這意味著不再需要液壓電纜，并且可以提供一個更靈活的配電架構(gòu)。

海底配電站能夠降低整體系統(tǒng)成本，因為能夠消除所有面積的改造限制。他還強調(diào)，在上部模塊中加裝一套電力控制模塊將意味著增加70-100噸的重量和隨之而來的機械結(jié)構(gòu)調(diào)整。

如果將電力控制模塊置于海底，則只需要連接一條電源臍管。有了這些，我們就可以按照此前從未有過的輕松方式進行項目回接，距離主體較遠的油氣井也可以忽略距離問題，只需增加泵送。

TechnipFMC對該技術(shù)進行了大量的技術(shù)認(rèn)證，包括對海底VSD進行滿負(fù)荷試驗，以確保其能夠有效地管理熱量。當(dāng)前正在進行3000小時的測試。

貝克休斯的VSD集成技術(shù)

2016年，通用石油天然氣公司對一套海底配電系統(tǒng)進行了資質(zhì)認(rèn)證，包括變速驅(qū)動器（VSD）、開關(guān)設(shè)備和電源保護，這些系統(tǒng)使用安裝在耐壓外殼中現(xiàn)有組件，以實現(xiàn)海上應(yīng)用。該系統(tǒng)為挪威Ormen Lange水下壓縮項目開發(fā)，從120公里以外處提供電力。但如前所述，該項目并未實現(xiàn)。

貝克休斯海底動力和處理業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Alisdair MacDonald表示，從那時起，貝克休斯（被通用收購，后又獨立）一直致力于開發(fā)其Modular Compact Pump（MCP泵），該泵集成VSD，無需復(fù)雜的海底配電系統(tǒng)。

MCP是一種用于多相增壓的無障礙流體系統(tǒng)，在大氣壓容器中集成VSD，基于加利福尼亞Calnetix的上部模塊VSD技術(shù)。它將于2022年在Sintef flow loop進行淺水試驗。MCP 1MW將同時進行驗證，從而達到TRL 4-5級。

MacDonald表示：“正因為有MCP，所以無論是多相增壓還是注水，均不需要傳統(tǒng)的3類設(shè)施（供電、輸電和電配）。更傳統(tǒng)的海底泵系統(tǒng)可以受益于3類系統(tǒng)，尤其是對于距離較長的跨接，但是要克服流量保證的難題?！?/p>

對于海底壓縮，仍然需要3類設(shè)施，但可能使用該解決方案的潛在項目更青睞于在靠近壓縮站的SPAR平臺或浮式平臺的上部模塊中安裝動力設(shè)備。其他項目則考慮使用岸電，將VSD安裝在岸。

時間將證明一切。隨著電氣化系統(tǒng)的發(fā)展，下一步將是全電動海底生產(chǎn)系統(tǒng)。一旦被采納，行業(yè)發(fā)展的步伐將加快，自主電力系統(tǒng)、電力浮標(biāo)和潮汐發(fā)電的研發(fā)也將提上日程。