تشغيل قاع البحر

مستقبل صناعة النفط والغاز: وحدات تحت سطح البحر المكهربة الموجودة في قاع البحر من المقرر أن تحدث ثورة في الإنتاج. (الصورة: ABB)

في نوفمبر 2019 ، أعلنت شركة ABB عن توفر نظامها الجديد لتوزيع وتحويل الطاقة تحت سطح البحر تجاريًا. تهدف هذه التقنية ، التي تم تطويرها بالاشتراك مع Equinor و Chevron و Total ، إلى رؤية معظم الموارد الهيدروكربونية البحرية في العالم يتم حصادها باستخدام كهربة البحر.

تآثرت الضغوط التنظيمية البيئية وحقائق السوق لمساعدة مشغلي النفط والغاز في الخارج على تصور رؤية أوضح لمستقبل أكثر أمانًا وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة وفعال من حيث التكلفة وحميميًا للبيئة ، سواء بالنسبة لأحواضها الناضجة أو الحدود المائية العميقة الجديدة على حد سواء .

لمساعدة الصناعة على تحقيق هذه الأهداف ، قامت شركة ABB ، في مشروع مشترك لصناعة الأبحاث والتطوير (JIP) بقيمة 100 مليون دولار ، والذي بدأ في عام 2013 مع شركاء Equinor و Chevron و Total ، بتصميم وتطوير واختبار توزيع جديد للطاقة متوسطة الجهد تحت البحر. ونظام التحويل الذي يتيح نقل جميع عمليات الإنتاج إلى قاع البحر ، مما يجعل خطوة أخيرة حاسمة لتحقيق حلم منشأة حقيقية تحت سطح البحر.

في نوفمبر 2019 ، أعلنت شركة ABB عن توفر نظام الطاقة تحت سطح البحر الجديد تجاريًا بعد الانتهاء من اختبار المياه الضحلة لمدة 3000 ساعة في ميناء محمي في فاسا ، بفنلندا ، والتي تقول إنها أثبتت صحة هذه التقنية. وهذا يعني أنه يمكن حصاد معظم موارد الهيدروكربون البحرية في العالم من خلال استخدام كهربة البحر.

تحت سطح البحر مقابل الجانب العلوي
عادةً ما يتم وضع أنظمة إنتاج الهيدروكربونات البحرية الخارجية في الهياكل العائمة الكبيرة أو المأهولة والتي تكون باهظة الثمن لتشغيلها ، وغالبًا ما يتم تقييد المساحة المخصصة للإمداد بالطاقة ومعدات التحكم.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك حاجة إلى كبلات طاقة وكهرباء هيدروليكية مخصصة مكلفة لكل مستخدم طاقة في قاع البحر ، مما يخلق طوبولوجيا باهظة الثمن ويصعب التكيف معها مع التكوينات الجديدة ، ويقيد قدرته على دعم مبادرات الرقمنة بسبب محدودية النطاق الترددي.

تستخدم معظم هياكل اليوم توربينات الغاز لتوليد الطاقة المحلية ، مما يؤثر على الانبعاثات في البيئة. العيوب الأخرى هي تعرض البشر للمخاطر ومتطلبات الصيانة المستمرة والدعم اللوجستي بالإضافة إلى تكاليف بناء وتشغيل هذه الوحدات غير الفعالة في استخدام الطاقة.

للتغلب على هذه المشاكل ، حاولت شركات النفط والغاز على مر السنين تثبيت البنية التحتية للإنتاج في قاع البحر للاستفادة من زيادة كفاءة الإنتاج وتقليل التأثير البيئي بشكل كبير. ومع ذلك ، عانت أنظمة توزيع الطاقة المبكرة تحت سطح البحر من عيوب مسافات الربط الخلفية المحدودة ، والتي كانت مقيدة بأقل من 150 كم (كم).

في المقابل ، تظهر نتائج JIP بين ABB وشركائها أنه ، لأول مرة في جميع أنحاء العالم ، ستكون شركات الطاقة قادرة على الوصول إلى إمدادات موثوقة تصل إلى 100 ميجاوات من الطاقة عبر مسافات تصل إلى 600 كم وتصل إلى الأعماق من 3000 متر ، حيث تتجاوز الضغوط المحيطة 300 الغلاف الجوي. يمكن توفير الطاقة من خلال كابل واحد يمكن استخدامه لمدة تصل إلى 30 عامًا ، مما يجعل إنتاج النفط والغاز في بيئات المحيط البعيد والعميقة حقيقة واقعة.

"يمثل هذا الإنجاز البارز إنجازًا بارزًا وهو نقطة تتويج لتطوير التكنولوجيا الملهمة الذي تحقق من خلال التفاني الهائل والخبرة والمثابرة. وقال الدكتور بيتر تيرويش ، رئيس أعمال الأتمتة الصناعية في ABB: "إنه نتيجة تعاون مكثف من قبل أكثر من 200 عالم من ABB و Equinor و Total و Chevron في جهد مشترك متعدد السنوات".

(الصورة: ABB)

كهربة مكونات البحر
نتج عن أعمال البحث والتطوير التي تم إجراؤها في JIP مكونات وأنظمة تحت سطح البحر بدءًا من المشغلات وحتى المضخات والضواغط يتم تزويدها بالكهرباء بشكل متزايد ، مما يساعد على زيادة توفر النظام والتحكم فيه وتقليل حجم المكون والتكلفة وكثافة الطاقة ، بالإضافة إلى إزالة الموظفين من بيئة عالية الخطورة من خلال استخدام عمليات بعيدة وغير مأهولة. تقول ABB أنه من خلال إدخال التكنولوجيا التي يمكنها توزيع الطاقة تحت سطح البحر على مسافات طويلة وصولاً إلى أعماق كبيرة للوصول إلى أنظمة الإنتاج تحت البحر ، يمكن تحقيق الإمكانيات الكاملة لهذه التكنولوجيا وتضيف أنه بناءً على حالة تطوير محددة ، يمكن للنظام الجديد أن يقدم وفورات في النفقات الرأسمالية تزيد عن 500 مليون دولار عن طريق ربط ثماني وحدات مستهلكة للطاقة مثل المضخات والضواغط عبر كابل واحد على مسافة 200 كم من البنية التحتية الأخرى.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن توفير الطاقة لهذه الوحدات في قاع البحر يمكن أن يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة ، مما يؤدي إلى وفورات كبيرة في الطاقة وانبعاثات أقل بكثير من الكربون مقارنة باستخدام الأنظمة القائمة على الشاطئ. يمكن تشغيل التكنولوجيا بواسطة أي مصدر للطاقة ، بما في ذلك طاقة الرياح والطاقة المائية. من المزايا الأخرى لتكنولوجيا الغواصات تقليل المخاطر التشغيلية وزيادة السلامة ، حيث أن عددًا أقل من الموظفين الخارجيين مطلوب للعمليات ويمكن الاستفادة من مزايا الرقمنة والاستقلال الذاتي.

قال الدكتور تيرويش: "لم يعد نقل منشأة إنتاج النفط والغاز بأكملها إلى قاع البحر مجرد حلم". "من المرجح أن تصبح مرافق التشغيل تحت سطح البحر والتي تتمتع بالحكم الذاتي بشكل متزايد والمزودة بالطاقة منخفضة الكربون حقيقة واقعة مع انتقالنا نحو مستقبل جديد للطاقة."

التكنولوجيا قابلة للحياة ، والإمكانات التجارية
قبل اختبار JIP واختبار المياه الضحلة لمدة 3000 ساعة في فاسا ، ثبت أن كابل النقل ومحول التنحيف تحت سطح البحر فقط أثبتا أنهما يعملان تحت الماء. ومع ذلك ، بعد الانتهاء من JIP ، يشتمل الآن نظام توزيع وتحويل الطاقة التابع لشركة ABB على محول تنازلي ومحركات سرعة متغيرة متوسطة الجهد (VSD) ومحولات مفاتيح متوسطة الجهد (MV) والتحكم والجهد المنخفض (LV) توزيع الطاقة ، وأنظمة الإلكترونيات والتحكم في الطاقة المدعومة ب 230/400 فولت.

لقد تم استخلاص الخبرة الكامنة وراء كل جزء من مكونات نظام توزيع وتحويل الطاقة تحت سطح البحر من مختلف منشآت ABB في جميع أنحاء العالم.

صرح كيفن كوسيسكو ، نائب الرئيس الأول ورئيس صناعات الطاقة في شركة ABB قائلاً: "إن نجاحنا في الوصول إلى هذه المرحلة هو شهادة على تجربة المجال العميق لفرقنا ، بشغف وإخلاص لتقديم تبديل للألعاب في هذه الصناعة". “لقد كانت كهربة البحر الكاملة قادمة منذ زمن طويل. الأمر ليس سهلاً ، لكننا قمنا بذلك. تتمتع شركات النفط والغاز الآن بإمكانية الوصول إلى التكنولوجيا التي ستغير طريقة عملها تمامًا. "

كان مجال التركيز الحاسم خلال برنامج التنفيذ المشترك هو التأكد من أن النظام سيكون مرنًا ومفتوحًا ومفتوحًا. كما أنه يحتاج إلى تحقيق أهداف الموثوقية والتوافر أعلى من تلك الخاصة بالتطبيقات في الجزء العلوي. قررت ABB أن ينشر المشروع حلولًا تعتمد إلى حد كبير على التقنيات الحالية ، للمساعدة في ضمان الموثوقية ، وأن استراتيجيات مراقبة الجودة والتقادم كانت راسخة منذ البداية. هذا النهج يعني أيضًا أن التكامل مع أنظمة الأجهزة الموجودة في الجانب العلوي والبرمجيات سيكون واضحًا وأن جميع حالات الفشل يجب تخفيفها عن طريق تحسين التصميم أو التغيير بدلاً من إضافة خطوات بسيطة "قوية".

لضمان حلول مدمجة وموثوقة ، قامت ABB بتضمين VSDs ومحولات MV في صهاريج مملوءة بالزيت ، ومضغوطة بالضغط مع كل مكون تم شحذها بشكل متكرر في نهج تدريجي ، وبالتالي تحسين تجميعات المنتجات وتقليل عدد المكونات والوظائف لضمان التكرار والعالية موثوقية النظام. بالإضافة إلى ذلك ، لضمان إمكانية تشغيل المكونات الإلكترونية والكهربائية في بيئة تتحمل الضغط وضمن زيت عازل ، تم تعيين فحص المكونات واختيارها وتوافق المواد وجوانب واجهة المواد والأداء الحراري للمكونات عند المستويات المثلى.

تتميز وحدات الإلكترونيات والتحكم بالمرونة والوحدات النمطية في التصميم للسماح بأحجام مختلفة للتمكين من توفير أماكن إقامة سهلة داخل النظام. تعتمد الاتصالات والتحكم على شبكة إيثرنت لسهولة التواصل مع بقية النظام تحت سطح البحر ، كما تتيح اتصالات الألياف البصرية عالية السرعة عمليات عن بعد سريعة الاستجابة.

في عام 2017 ، خضع محرك ABB ذو السرعة المتغيرة لاختبار المياه الضحلة لمدة 168 ساعة واستوفى جميع معايير الأداء المطلوبة لاجتيازه. ثبت أيضًا أن جميع المكونات الأخرى لنظام ABB تعمل بكفاءة تحت الماء. (الصورة: ABB)

اختبار واقعي
نظرًا لأن نظام توزيع الطاقة والتحكم الناتج يتكون من عدة مئات من المكونات الهامة الفريدة التي تعمل في ظل ظروف إجهاد مختلفة ، فقد تم وضع هيكل اختبار واضح وعملي من أجل معرفة سلوكيات وحدود التصميمات المختلفة ، مما يساعد على التخفيف من خطر الفشل قبل التأهيل المسبق لنماذج واسعة النطاق. لذلك ، بدءًا من المحاكاة والاختبارات المعملية ، تعرضت المواد والمكونات والتجمعات الفرعية والتجمعات لمستويات إجهاد واقعية وفقًا لمحات دورة الحياة قبل إجراء الاختبار النهائي للمياه الضحلة بكامل طاقته والذي يبلغ 3،000 ساعة.

تم إجراء جميع الاختبارات وفقًا لمعيار API 17F لأنظمة التحكم في الإنتاج تحت سطح البحر ، وشملت درجات الحرارة والاهتزاز والضغط وعمرها المتسارع. اتبع التطوير الذي اتبعه تطوير المشروع التوصيات ومستوى الاستعداد التكنولوجي (TRL) المحدد في DNV RP-A203 ، والذي يوفر منهجًا منتظمًا لضمان عمل التكنولوجيا بشكل موثوق وضمن الحدود المحددة.

فوائد للصناعة
إن الاختبار الناجح لنظام ABB له عدد من الآثار على قطاعي النفط والغاز. يعني استخدام النظام أن عمر التشغيل للمنشأة الحالية يمكن تمديده من خلال عمليات ربط أكثر فعالية من حيث التكلفة ، مما يتطلب الحد الأدنى من التعديلات في الجانب العلوي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تطوير التطورات المستقبلية والتكيف معها بسهولة من خلال طوبولوجيا نظام أكثر مرونة بطبيعتها. مع تثبيت أنظمة الإنتاج الكاملة تحت سطح البحر ، لم تعد عمليات إعادة الربط الطويلة بحاجة إلى كبلات طاقة متعددة أو وحدات سلكية معقدة بالإضافة إلى ذلك ، تتيح الحلول التي تعمل بالكهرباء إمكانية رؤية أداء النظام على مدار الساعة. باستخدام ABB Ability ، منصة الشركة الرقمية ، والتحكم الأكثر دقة والتحليلات عن بُعد المتقدمة ، يمكن لهذه الحلول الرقمية أن توفر خبرة ABB في المجال العميق من جهاز إلى آخر حتى السحابة ، مما يعود بالنفع على عملاء صناعة النفط والغاز. وقال جيريمي كاتلر ، رئيس مركز أبحاث وتطوير الطاقة التابع لشركة توتال في ستافنجر ، النرويج.

"تفتح هذه التقنية التخريبية والتحويلية مجالات غير مستكشفة ، وقد أدت قوة التعاون ، التي بدأت بتعريف واضح لنطاق العمل وضمت أفضل المواهب في تصميم جديد من الأسفل إلى الأعلى ، إلى إنشاء مصنع تحت سطح البحر 'مفهوم توظيف القوة الخضراء من الشاطئ إلى البحر ، مما يزيد من استغلال موارد البحر المحتملة. الشراكات ليست جديدة في قطاع النفط والغاز - نحن نتنافس في العديد من المجالات ولكننا نتعاون أيضًا - وفي مشروع كبير مثل هذا ، يمكن للأطراف المختلفة مشاركة المخاطر ومشاركة المكافآت. يوفر مرفق مصنع تحت سطح البحر العديد من الفوائد ، مع طاقة بحرية نظيفة ، واستخدام أكثر كفاءة للطاقة وخفض انبعاثات الكربون ".

تضمن طوبولوجيا توزيع الطاقة البسيطة التشغيل الفعال لنظام توزيع وتحويل الطاقة ABB. (الصورة: ABB)