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

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，正等待首次應用。

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)認證，包括變速驅動器（VSD）、開關設備和電源保護，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、開關設備和控制裝置）進行了資格認證，西門子的系統(tǒng)認證也接近完成。

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類設施”（即供電、輸電和配電）的全面需求。

其目標是為海底系統(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備，以避免對現(xiàn)有的上部模塊進行改造，或將整個海底開發(fā)連接至岸。這些結構更具可擴展性和靈活性。

然而，DNV GL船級社海底業(yè)務主管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。在一些能夠應用這一技術的潛在項目中，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。

浮式海上風電市場也可以為這些技術提供市場，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)

供應商正在考慮各種備選方案。ABB全球海底業(yè)務主管Asmund M?land表示，ABB系統(tǒng)將適用于4-12MW的應用場合，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（技術成熟度5級），這意味著它們已經(jīng)能夠進行商業(yè)化應用。

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對流量保證這一難題，其他企業(yè)當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海底技術項目負責人Svein Vatland表示，通過這項技術實現(xiàn)的海底到岸的項目也正在被能源公司所關注。

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設備。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注日益廣泛。ABB正與Aker Solutions以及Kellas Midstream在這一領域展開合作，BP也對此做了長期探索。

除此之外，這項技術還有助于將海上風電甚至氫能納入海上能源結構中。

M?land表示，海底變壓器可以用作海上風力發(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提供6 MVA電力，并在當?shù)剡M行配送，目前正在進行中。在雪佛龍、埃克森美孚、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證的變壓器上增加一臺VSD（現(xiàn)為TRL4）、開關設備和控制裝置，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、開關設備和控制裝置，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，西門子一直在總結相關經(jīng)驗。

該系統(tǒng)的VSD達到TRL4級，能夠連同已通過認證的變壓器投入商業(yè)應用。開關裝置已經(jīng)通過一個優(yōu)化項目，目前正在測試新版本，預計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是一套開放式架構的基礎設施和通信平臺，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，冷卻效果符合預期，并與我們所做的所有模擬結果相符。”西門子認為該技術能夠應用于兆瓦級大型壓縮機、單負載以及雙負載或混合負載中。

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。該公司認為，對于復雜程度不高的系統(tǒng)，市場上還存在缺口。

他指出：“我們的結論是，只要能夠解決系統(tǒng)成本和復雜性問題，海底配電市場是廣闊的，這些是阻礙客戶使用海底設施的主要問題。”

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是700kW容量以下的泵項目。它非常適合在單泵上進行應用，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。

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構調(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對該技術進行了大量的技術認證，包括對海底VSD進行滿負荷試驗，以確保其能夠有效地管理熱量。當前正在進行3000小時的測試。

貝克休斯的VSD集成技術

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)認證，包括變速驅動器（VSD）、開關設備和電源保護，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)務負責人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。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。”

對于海底壓縮，仍然需要3類設施，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)、電力浮標和潮汐發(fā)電的研發(fā)也將提上日程。