海底の動力

トム・マリガン4 3月 2020
石油およびガス産業の未来:海底に位置する電化された海底ユニットは、生産に革命をもたらすでしょう。 (画像:ABB)
石油およびガス産業の未来:海底に位置する電化された海底ユニットは、生産に革命をもたらすでしょう。 (画像:ABB)

2019年11月、ABBは、新しい海底配電および変換技術システムの商用化を発表しました。 Equinor、Chevron、Totalと共同で開発されたこの技術は、海底電化を利用して収穫された世界のオフショア炭化水素資源の大部分を見ることを目指しています。

環境規制の圧力と市場の現実は、オフショアの石油およびガス事業者が、成熟した流域と新しい遠隔の深海フロンティアの両方について、より安全で、エネルギー効率が高く、費用効果が高く、環境に優しい未来の明確なビジョンを構想するのを支援するために共謀しています。

業界がこれらの目標を達成できるように、ABBは、パートナーのEquinor、Chevron、Totalとともに2013年に開始された1億ドルの研究、設計、開発共同産業プロジェクト(JIP)で、新しい海中中電圧配電を設計、開発、テストしましたすべての生産作業を海底に移動できるようにする変換システムにより、真の海底施設の夢を実現するための重要な最後のステップとなります。

2019年11月、ABBは、フィンランドのヴァーサにある保護された港で3,000時間の浅海試験を完了した新しい海中電力システムの商業的利用可能性を発表しました。これは、世界の沖合の炭化水素資源の大部分が海底電化の使用を通じて収穫できることを意味します。

海中vsトップサイド
従来のトップサイドのオフショア炭化水素生産システムは、通常、運用コストが高く、電力および制御機器を収容するスペースが制限されている大型の有人浮遊または固定構造に収容されています。

さらに、海底の各パワーユーザーには高価な専用電源ケーブルと電気油圧アンビリカルケーブルが必要であり、高価で新しい構成への適合が難しく、帯域幅が限られているためデジタル化イニシアチブをサポートする能力が制限されたトポロジを作成します。

現在の構造のほとんどは、地域の発電にガスタービンを使用しており、その結果として排出物が環境に影響を与えています。他の不利な点は、人間がリスクにさらされること、およびこれらのエネルギー効率の悪いユニットを構築および運用するコストに加えて、継続的なメンテナンスとロジスティクスサポートの要件です。

これらの問題を克服するために、石油およびガス会社は長年にわたって、生産効率の向上と環境への影響の大幅な削減から利益を得るために、海底に生産インフラを設置しようとしました。しかし、初期の海底配電システムには、タイバック距離が制限されているという欠点があり、150 km未満に制限されていました。

対照的に、ABBとそのパートナー間のJIPの結果は、世界で初めて、エネルギー企業が最大600 kmの距離から深さまでの距離で最大100メガワットの電力の信頼できる供給にアクセスできることを示しています。 3,000メートルの場合、周囲の圧力は300気圧を超えます。最大30年間使用できる1本のケーブルで電力を供給できるため、遠く離れた深海環境での石油とガスの生産が現実になります。

「このマイルストーンは傑出した成果を示しており、途方もない献身、専門知識、忍耐力によって達成された感動的な技術開発の頂点です。 ABBの産業オートメーション事業の社長であるPeter Terwiesch博士は、次のように述べています。ABB、Equinor、Total、およびChevronの200人以上の科学者による数年にわたる共同作業の集中的な共同作業の結果です。

(画像:ABB)

海中部品の帯電
JIPで行われた研究開発作業により、アクチュエーターからポンプやコンプレッサーまでの海中コンポーネントとシステムがますます電動化され、システムの可用性と制御を高め、コンポーネントのサイズ、コスト、エネルギー強度を削減し、リモートおよび無人操作の使用による高リスク環境。 ABBは、海底の電力を長距離および深海まで分配して海底の生産システムに到達できる技術を導入することにより、この技術の可能性をすべて実現でき、特定の開発ケースに基づいて、新しいシステムが提供できると述べていますポンプやコンプレッサーなどの8つの電力消費ユニットを1本のケーブルで他のインフラストラクチャから200 kmの距離でリンクすることにより、5億ドル以上の設備投資を節約します。

さらに、海底のこのようなユニットへの電力供給は、電力消費を大幅に削減することができ、その結果、海岸ベースのシステムを使用する場合と比較して、大幅なエネルギー節約と大幅な低炭素排出が実現します。この技術は、風力や水力を含むあらゆる動力源で駆動できます。海底技術のさらなる利点は、運用に必要なオフショアスタッフが少なくなり、デジタル化と自律性の利点を活用できるため、運用リスクが軽減され、安全性が向上することです。

「石油およびガス生産施設全体を海底に移動することは、もはや夢ではありません」とTerwiesch博士は述べています。 「低炭素エネルギーを動力とする遠隔操作され、ますます自律する海中施設は、新しいエネルギーの未来に移行するにつれて現実のものになる可能性が高くなります。」

実行可能な技術、商業的可能性
JIPおよびVaasaでの3,000時間の浅水試験の前に、送電ケーブルと海中降圧変圧器のみが水中で動作することが証明されました。ただし、JIPの完了後、ABBの海中配電および変換システムは、降圧トランス、中電圧可変速度ドライブ(VSD)、中電圧(MV)スイッチギア、制御および低電圧(LV)で構成されています。 230/400 Vでサポートされる配電、パワーエレクトロニクスおよび制御システム。

海底配電および変換システムの各コンポーネントの背後にある専門知識は、世界中のさまざまなABB施設から引き出されました。

「この段階に到達したことは、業界のゲームチェンジャーを提供することに情熱と献身を持ってチームの深いドメインエクスペリエンスを証明するものです」と、ABBのエネルギー副社長兼エネルギー産業部長Kevin Kosiskoは述べています。 「海底での完全な電化は、長年にわたって行われてきました。それは簡単ではありませんが、我々はそれをやった。石油およびガス会社は現在、その運営方法を完全に変えるテクノロジーを利用できます。」

JIPの重要な重点分野は、システムがモジュール式で、柔軟性があり、オープンであることを保証することでした。また、トップサイドアプリケーションよりも高い信頼性と可用性の目標を満たす必要がありました。 ABBは、信頼性を確保するために、このプロジェクトでは主に既存の技術に基づいたソリューションを展開し、品質管理と陳腐化戦略を最初から確立することを決定しました。また、このアプローチは、既存のトップサイドハードウェアシステムおよびソフトウェアとの統合が簡単であり、すべての障害を単純な「堅牢化」ステップを追加するのではなく、設計の改善または変更によって軽減することを意味しました。

コンパクトで信頼性の高いソリューションを確保するために、ABBはVSDおよびMVスイッチギアをオイル充填の圧力補償タンクに入れ、各コンポーネントを段階的に繰り返し研ぎ澄まして、製品アセンブリを最適化し、コンポーネントと機能の数を減らして冗長性と高さを確保しましたシステムの信頼性。さらに、電子機器および電源コンポーネントが耐圧環境および誘電油内で動作することを保証するために、コンポーネントのスクリーニングと選択、材料の適合性、材料インターフェースの側面、およびコンポーネントの熱性能が最適なレベルに設定されました。

電子モジュールと制御モジュールは柔軟でモジュール式の設計であるため、さまざまなサイズに対応できるため、システム内に簡単に収容できます。通信と制御はイーサネットベースであり、他の海底システムとのインターフェースが容易であり、高速光ファイバー通信により応答性の高いリモート操作が可能になります。

2017年、ABBの可変速ドライブは168時間の浅水テストを受け、合格に必要なすべての性能基準を満たしました。 ABBシステムの他のすべてのコンポーネントも、水中で効率的に動作することが実証されています。 (写真:ABB)

現実的なテスト
結果として生じる配電および制御システムは、さまざまなストレス条件下で動作する数百のユニークな重要なコンポーネントで構成されているため、さまざまな設計の動作と制限を学習するために明確で実用的なテスト構造が導入され、本格的なプロトタイプの事前資格認定を行う前の失敗のリスク。したがって、シミュレーションと実験室のテストから始めて、材料、コンポーネント、サブアセンブリ、およびアセンブリは、最終的なシステム全体の3,000時間の浅水テストが実行される前に、ライフサイクルプロファイルに従って現実的な応力レベルにさらされました。

すべてのテストは、海底生産管理システムのAPI 17F規格に従って実施され、温度、振動、圧力、加速寿命が含まれています。プロジェクト開発の開発は、DNV RP-A203で定義された推奨事項と技術準備レベル(TRL)に従いました。これは、技術が確実に指定された制限内で機能することを保証する体系的なアプローチを提供します。

業界へのメリット
ABBシステムのテストの成功は、石油およびガス部門に多くの影響を与えます。このシステムを使用することで、既存の施設の運用寿命をよりコスト効率の高いタイインを通じて延長でき、上部の変更を最小限に抑えることができます。さらに、本質的に柔軟性の高いシステムトポロジを使用して、将来の開発を段階的に導入し、容易に適応させることができます。海底にフルプロダクションシステムをインストールすると、長いタイバックに複数の電源ケーブルや複雑なアンビリカルが不要になり、さらに、電動ソリューションによりシステムパフォーマンスを24時間可視化できます。同社のデジタルプラットフォームであるABB Abilityを使用することで、より正確な制御と高度なリモート分析を実行できます。これらのデジタルソリューションは、デバイスからエッジ、クラウドまでABBの深い専門知識を提供し、石油およびガス産業の顧客に利益をもたらします。ノルウェーのスタヴァンゲルにあるTotalのエネルギー研究開発センターの責任者であるジェレミー・カトラーは言った。

「この破壊的で変革的なテクノロジーは未踏の領域を開きます。コラボレーションの力は、作業範囲の明確な定義から始まり、新鮮なデザインで最高の才能をボトムアップで結合し、「海底工場」をもたらしました。 '潜在的な海中資源の開発を最大化する、海岸から海中までグリーン電力を使用する概念。石油とガスの分野ではパートナーシップは新しいものではありません。多くの分野で競争していますが、協力もしています。このような大きなプロジェクトでは、さまざまな関係者がリスクを共有し、報酬を共有できます。無人の海中工場施設には、クリーンなオフショア電力、エネルギーのより効率的な使用、二酸化炭素排出量の削減など、多くの利点があります。」

シンプルな配電トポロジーにより、ABB配電および変換システムの効率的な運用が保証されます。 (画像:ABB)

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