一种应用于水下生产装置的供电系统及其使用方法与流程

本发明涉及一种应用于水下生产装置的供电系统及其使用方法，属于海上油气田工程。

背景技术：

1、随着浅水区域石油储备资源的耗尽，海洋石油的开采和生产的脚步正加速迈入更深的海域。近年来科学技术不断进步，深水装备的研制与应用，使得深水油气田开发技术日渐成熟，深水油气田通常采用浮式钻采平台-水下生产装置-浮式生产储油装置的开发模式。

2、水下生产装置的供电依托通常依托于浮式生产储油装置或者浮式钻采平台，经海底电缆输送到水下生产装置，为水下电潜泵、水下压缩机、水下原油增压泵等机械设备和水下控制系统供电。水下生产装置回接到浮式钻采平台或浮式生产储油装置的距离可为数十公里甚至接近一百公里，长距离海底电缆应用增加了供电的技术难度，抬升了深水油气田供电成本。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用于水下生产装置的供电系统及其使用方法，其有效降低了深远海油气田水下生产装置的供电成本。

2、为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种应用于水下生产装置的供电系统，包括：浮式海上风力发电供电平台、水下空气蓄能器、水下气液蓄能器、水下增压泵、水下涡轮发电机和水下动力分配单元；所述浮式海上风力发电供电平台漂浮在海面上，其通过将风能转换为电能为水下生产装置供电，所述浮式海上风力发电供电平台与所述水下空气蓄能器一端连接，为所述水下空气蓄能器提供压缩空气；所述水下气液蓄能器连接所述水下空气蓄能器另一端，所述水下增压泵和水下涡轮发电机；所述水下增压泵用于对海水增压，并使增压的海水流入所述水下气液蓄能器中；所述水下空气蓄能器用于在风力发电无法满足水下生产装置需求时，向所述水下气液蓄能器中海水加压，使高压海水沿与所述水下涡轮发电机连接的管路排出，所述水下涡轮发电机通过排出的高压海水发电；所述水下动力分配单元，接收所述浮式海上风力发电供电平台和所述水下涡轮发电机产生的电能，并将其分配给需要的水下生产装置。

3、进一步，所述浮式海上风力发电供电平台包括海上风力发电供电平台上部组块和海上风力发电供电平台下部结构，海上风力发电供电平台上部组块包括海上风力发电机组、空气压缩机、电气设备室和海上风力发电供电平台上部结构甲板；所述海上风力发电机组主体包括叶片、与叶片旋转轴连接的机舱和塔筒，所述机舱设置在所述塔筒的顶部；所述机舱设置风机低压配电盘和风机第一变压器。所述风机低压配电盘，用于接受海上风力发电机组发出的低压电，一路输送至所述电气设备室中的低压配电盘，另一路输送至所述风机第一变压器的低压侧；所述风机第一变压器 ，用于将海上风力发电机组产生的一部分低压电转换为中压电；所述空气压缩机，用于为水下空气蓄能器提供压缩空气；所述电气设备室，用于根据用途对低压电和中压电进行分配；所述海上风力发电机组、空气压缩机和电气设备室设置在海上风力发电供电平台上部结构甲板上。

4、进一步，所述海上风力发电供电平台下部结构包括立柱、结构连接件、斜撑、浮箱和垂荡板；所述风力发电机主体下方设置若干均匀分布的立柱，两个相邻的立柱之间设置所述结构连接件，所述斜撑一端固定在所述结构连接件的中部，所述斜撑的另一端连接所述立柱的底部，所述浮箱设置在所述立柱的底端，用于提高所述海上风力发电供电平台上部组块浮力，使其能够漂浮在海面上；所述垂荡板设置在所述立柱和浮箱的下端，用于在海上风力发电供电平台上下浮动时增加平台的运动阻尼。

5、进一步，所述电气设备室中设置中压配电盘、低压配电盘和水下控制系统电力单元；所述中压配电盘，用于接收所述风机第一变压器输出的中压电和水下涡轮发电机输出的中压电，并通过水下动力分配单元将其配送至水下生产系统的机械泵类负荷；所述低压配电盘，用于接收海上风力发电机组产生的剩余低压电，并通过水下控制系统电力单元将其配送至水下生产系统中控制类型的负荷；所述水下控制系统电力单元，用于为水下生产装置的控制模块进行电力分配传输。

6、进一步，所述水下空气蓄能器包括一空气储罐容器，所述水下气液蓄能器包括若干气液储罐容器；所述空气储罐容器与每一个所述气液储罐容器通过管道连通，每个所述气液储罐容器均与一水下增压泵连通，每个所述气液储罐容器之间连通后，再通过管道与所述水下涡轮发电机连通。

7、进一步，所述浮式海上风力发电供电平台通过中压动力脐带缆与水下动力分配单元连接；所述水下动力分配单元通过中压电飞线连接水下电潜泵和水下增压泵的输入端，所述浮式海上风力发电供电平台通过低压脐带缆与水下脐带缆终端连接；所述水下脐带缆终端通过低压电飞线连接水下电潜泵和水下增压泵的控制系统模块输入端。

8、进一步，所述电气设备室中还设置有高压配电盘和第二变压器，用于将多余的电能传输至相邻的海上油气平台，或接收相邻的海上油气平台输出的电能；所述第二变压器，用于将海上风力发电机组产生的富裕中压电转换为高压电，通过高压海底电缆将高压电送至与之相邻的海上油气平台；海上风力发电不足且水下涡轮发电利用的储能高压海水耗尽时，将来自周边海上油气平台的高压电转换为水下生产系统需要的中压。

9、本发明还公开了一种应用于水下生产装置的供电系统的使用方法，用于上述任一项所述的应用于水下生产装置的供电系统，包括以下步骤：空气压缩机将空气压缩后充入水下空气蓄能器，空气通过管道输入水下气液蓄能器，充满水下气液蓄能器的各个气液储罐容器；在用电低谷期，通过海上风力发电机组为水下生产装置供电，并通过水下增压泵将增压后的高压海水泵入水下气液蓄能器；在用电高峰期，将水下气液蓄能器中的高压海水排出，所述高压海水推动水下涡轮叶片转动，带动发电机发电。

10、进一步，所述通过水下增压泵将增压后的高压海水泵入水下气液蓄能器后，所述水下气液蓄能器中原有空气进入水下空气蓄能器中，所述水下气液蓄能器中设置有液位传感器，当高压海水液位达到高液位设定值时，水下气液蓄能器的各个气液储罐容器充满海水；将水下气液蓄能器中的高压海水排出的方法为：当用电量激增或者海上风电出力不足时，让水下空气蓄能器中气体的体积膨胀，以释放加压空气中储存的静压能，膨胀的气体将水下气液蓄能器储内储存的不可压缩的海水置换出气液储罐容器，从而产生海水流体流动。

11、进一步，当供电系统满足水下生产装置供电外仍有盈余时，盈余的电量通过所述第二变压器转换为高压电后，送至所述高压配电盘通过高压海底电缆送至相邻的海上油气平台；当供电系统不能满足水下生产装置供电时，通过高压配电盘获得相邻的海上油气平台上输出的电能。

12、本发明的技术方案至少具有如下技术效果或优点：由于风能具有波动性、间歇性和不确定性的特点，为了保证水下生产系统供电的可靠性，还配置了压缩空气-液体蓄能器，利用压缩空气储能。结合水下生产系统系统供电要求，提供了一种从发电至水下供配电的供电系统及方法，通过对该系统关键组件开展整体的结构设计，实现水下生产系统机械泵类负荷及控制负荷的供电，满足深远海油气田开发的需要。

技术特征：

1.一种应用于水下生产装置的供电系统，其特征在于，包括：浮式海上风力发电供电平台、水下空气蓄能器、水下气液蓄能器、水下增压泵、水下涡轮发电机和水下动力分配单元；

2.如权利要求1所述的应用于水下生产装置的供电系统，其特征在于，所述浮式海上风力发电供电平台包括海上风力发电供电平台上部组块和海上风力发电供电平台下部结构，海上风力发电供电平台上部组块包括海上风力发电机组、空气压缩机、电气设备室和海上风力发电供电平台上部结构甲板；所述海上风力发电机组主体包括叶片、与叶片旋转轴连接的机舱和塔筒，所述机舱设置在所述塔筒的顶部；所述海上风力发电机组用于提供中压电和低压电；所述空气压缩机，用于为水下空气蓄能器提供压缩空气；所述电气设备室，用于根据用途对低压电和中压电进行分配；所述海上风力发电机组、空气压缩机和电气设备室设置在海上风力发电供电平台上部结构甲板上。

3.如权利要求2所述的应用于水下生产装置的供电系统，其特征在于，所述海上风力发电供电平台下部结构包括立柱、结构连接件、斜撑、浮箱和垂荡板；所述海上风力发电机组下方设置若干均匀分布的立柱，两个相邻的立柱之间设置所述结构连接件；所述斜撑一端固定在所述结构连接件的中部，所述斜撑的另一端连接所述立柱的底部，所述浮箱设置在所述立柱的底端，用于提高所述海上风力发电供电平台上部组块浮力，使其能够漂浮在海面上；所述垂荡板设置在所述立柱和浮箱的下端，用于在海上风力发电供电平台上下浮动时增加平台的运动阻尼。

4.如权利要求2所述的应用于水下生产装置的供电系统，其特征在于，所述电气设备室中设置中压配电盘、低压配电盘和水下控制系统电力单元；所述中压配电盘，用于接收所述第一变压器输出的中压电和水下涡轮发电机输出的中压电，并通过水下动力分配单元将其配送至水下生产系统的机械泵类负荷；所述低压配电盘，用于接收海上风力发电机组产生的剩余低压电，并通过水下控制系统电力单元将其配送至水下生产系统中控制类型的负荷；所述水下控制系统电力单元，用于为水下生产装置的控制模块进行电力分配传输。

5.如权利要求1所述的应用于水下生产装置的供电系统，其特征在于，所述水下空气蓄能器包括一空气储罐容器，所述水下气液蓄能器包括若干气液储罐容器；所述空气储罐容器与每一个所述气液储罐容器通过管道连通，每个所述气液储罐容器均与一水下增压泵连通，每个所述气液储罐容器之间连通后，再通过管道与所述水下涡轮发电机连通。

6.如权利要求1所述的应用于水下生产装置的供电系统，其特征在于，所述浮式海上风力发电供电平台通过中压动力脐带缆与水下动力分配单元连接；所述水下动力分配单元通过中压电飞线连接水下电潜泵和水下增压泵的输入端，所述浮式海上风力发电供电平台通过低压脐带缆与水下脐带缆终端连接；所述水下脐带缆终端通过低压电飞线连接水下电潜泵和水下增压泵的控制系统模块输入端。

7.如权利要求2所述的应用于水下生产装置的供电系统，其特征在于，所述电气设备室中还设置有高压配电盘和第二变压器，所述高压配电盘，用于将多余的电能传输至相邻的海上油气平台，或接收相邻的海上油气平台输出的电能；所述第二变压器，用于将海上风力发电机组产生的富裕中压电转换为高压电，通过高压海底电缆将高压电送至与之相邻的海上油气平台；海上风力发电不足且水下涡轮发电利用的储能高压海水耗尽时，将来自周边海上油气平台的的高压电转换为水下生产系统需要的中压电。

8.一种应用于水下生产装置的供电系统的使用方法，用于如权利要求1-7任一项所述的应用于水下生产装置的供电系统，其特征在于，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的应用于水下生产装置的供电系统的使用方法，其特征在于，所述通过水下增压泵将增压后的高压海水泵入水下气液蓄能器后，所述水下气液蓄能器中原有空气进入水下空气蓄能器中，所述水下气液蓄能器中设置有液位传感器，当高压海水液位达到高液位设定值时，水下气液蓄能器的各个气液储罐容器充满海水；将水下气液蓄能器中的高压海水排出的方法为：当用电量激增或者海上风电出力不足时，让水下空气蓄能器中气体的体积膨胀，以释放加压空气中储存的静压能，膨胀的气体将水下气液蓄能器储内储存的不可压缩的海水置换出气液储罐容器，从而产生海水流体流动。

10.如权利要求8所述的应用于水下生产装置的供电系统的使用方法，其特征在于，当供电系统满足水下生产装置供电外仍有盈余时，盈余的电量通过所述第二变压器转换为高压电后，送至所述高压配电盘通过高压海底电缆送至相邻的海上油气平台；当供电系统不能满足水下生产装置供电时，通过高压配电盘获得相邻的海上油气平台上输出的电能。

技术总结
本发明涉及一种应用于水下生产装置的供电系统及其使用方法，包括：浮式海上风力发电供电平台通过将风能转换为电能为水下生产装置供电，其与水下空气蓄能器一端连接，为水下空气蓄能器提供压缩空气；水下增压泵使增压的海水流入水下气液蓄能器中；水下空气蓄能器使高压海水沿与水下涡轮发电机连接的管路排出，水下涡轮发电机通过排出的高压海水发电；水下动力分配单元，接收浮式海上风力发电供电平台和水下涡轮发电机产生的电能，并将其分配给需要的水下生产装置。其结合水下生产系统系统供电要求，实现水下生产系统机械泵类负荷及控制负荷的供电，有效降低了深远海油气田水下生产装置的供电成本。

技术研发人员：张强,安维峥,王双成,刘聪,李鑫,郭江艳,侯广信,尹丰,郭庆,魏娟
受保护的技术使用者：中海石油（中国）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/10/28