方 樂 崔 巖

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

深水油氣田電液復(fù)合式水下分配單元設(shè)計(jì)

方 樂 崔 巖

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

分析了電液復(fù)合式水下分配單元的基本構(gòu)成與功能。為提供多個(gè)水下設(shè)備的閥門執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作所需的液壓動(dòng)力，提出液壓分配單元的管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其流動(dòng)情況進(jìn)行了模擬仿真驗(yàn)證。提出以光功率分配器為核心的電氣分配單元設(shè)計(jì)方案，建立基于光功率分配器的下行控制信號(hào)傳輸模型，并采用Optisystem軟件模擬驗(yàn)證了其可行性。

電液復(fù)合式 水下分配單元 液壓結(jié)構(gòu) 光功率分配器

隨著海洋油氣田開發(fā)不斷向深海推進(jìn)，復(fù)合電液控制技術(shù)作為現(xiàn)階段具有明顯優(yōu)勢(shì)的成熟技術(shù)在深海油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。電液復(fù)合式水下分配單元作為電液復(fù)合水下控制系統(tǒng)的樞紐，其研發(fā)、制造的核心技術(shù)由國外FMC、GE及PROTEC等公司掌握，目前國內(nèi)尚無這方面的成熟產(chǎn)品。因此電液復(fù)合式水下分配單元的研制對(duì)加快我國深海油氣田生產(chǎn)設(shè)備自主開發(fā)具有重要意義[1,2]。

1 電液復(fù)合式水下分配單元的基本構(gòu)成與功能

電液復(fù)合式水下分配系統(tǒng)包括臍帶纜終端頭和水下分配單元兩部分，其中水下分配單元由液壓分配單元和電氣分配單元組成[3]。臍帶纜終端頭與臍帶纜相連，實(shí)現(xiàn)將液壓和電氣管線從水面到水下的分配傳輸。液壓分配單元通過液壓飛線與臍帶纜終端頭相連，在內(nèi)部金屬管路上將輸入端的高、低壓液壓液和各類化學(xué)藥劑分配輸送到液壓分配單元的輸出端，以實(shí)現(xiàn)為控制設(shè)備提供液壓動(dòng)力和為水下生產(chǎn)設(shè)備提供化學(xué)藥劑的功能。電氣分配單元也采用電氣飛線和臍帶纜終端頭相連的方式，電氣分配單元通過分線盒對(duì)輸入的光(電)信號(hào)、電力實(shí)現(xiàn)分支輸出，以實(shí)現(xiàn)為各水下控制模塊提供控制信號(hào)和電力的功能，且電氣分配系統(tǒng)必須設(shè)置有電氣線路隔離裝置以實(shí)現(xiàn)隔離故障電路的功能[4]。

海水高靜壓、海水腐蝕等惡劣條件都對(duì)處于深海的電液復(fù)合式水下分配單元的性能提出更高的要求。筆者以荔灣3-1深水油氣田為例，分析并設(shè)計(jì)電液復(fù)合式分配單元的結(jié)構(gòu)。

2 液壓分配單元

2.1液壓分配單元結(jié)構(gòu)分析

液壓分配單元主要由結(jié)構(gòu)框架、內(nèi)部液壓管路、水下多路快速接頭固定端、網(wǎng)紋板及水下機(jī)器人操作把手等組件構(gòu)成，其中結(jié)構(gòu)框架起著保護(hù)、支撐內(nèi)部液壓管路結(jié)構(gòu)和其他液壓分配組件的作用[5]。水下多路快速接頭通常由相互配合的兩子組件構(gòu)成，其固定端安裝在水下設(shè)備(如臍帶纜終端頭、水下分配器及采油樹等)上，活動(dòng)端與液壓飛線末端連接組成活動(dòng)連接頭。網(wǎng)紋板用于保護(hù)液壓管路同時(shí)便于水下機(jī)器人對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況進(jìn)行觀察。水下機(jī)器人把手則為水下機(jī)器人作業(yè)提供支撐。

液壓分配單元設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)是內(nèi)部液壓管路的設(shè)計(jì)，液壓管路設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣直接影響控制系統(tǒng)的性能。因此需優(yōu)化液壓分配管路以滿足水下生產(chǎn)系統(tǒng)的多種復(fù)雜工況。

2.2液壓管路設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)框架和輸入、輸出端布置情況，設(shè)計(jì)的液壓分配單元中的某一條液壓管路結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)的液壓控制管路總體為對(duì)稱布置的六支管結(jié)構(gòu)，輸入、輸出端口設(shè)置有液壓連接器，采用三通結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分支。液壓液通常從輸入端1輸入，由三通分支結(jié)構(gòu)3實(shí)現(xiàn)流體分支分配，再經(jīng)由支管4輸出。每根支管上均可設(shè)置一個(gè)隔離球閥實(shí)現(xiàn)故障液壓管路的隔離，通常由水下機(jī)器人操作。

圖1 液壓分配單元某一管路結(jié)構(gòu)1——液壓連接器(輸入端)； 2——液壓管路；3——三通分支結(jié)構(gòu)； 4——液壓連接器(輸出端)

水下控制模塊接收來自主控站的控制信號(hào)后，按照預(yù)先設(shè)置的動(dòng)作順序啟閉電磁先導(dǎo)閥，液壓系統(tǒng)則為之提供足夠的液壓動(dòng)力。但多個(gè)采油樹上的執(zhí)行器同時(shí)工作時(shí)，液壓系統(tǒng)經(jīng)水下分配單元分支后也應(yīng)確保提供的液壓液足夠使采油樹的閥正常啟閉，因此液壓分配單元的管道設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一是確保液壓分配管路具有一定的均勻性。

液壓管路流體分配屬于多支管分配問題，通常采用質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒對(duì)流體進(jìn)行總體衡算[6]。針對(duì)多個(gè)水下生產(chǎn)設(shè)備閥門同時(shí)動(dòng)作的工況，筆者采用ANSYS14.0中的Flunt模塊分析液壓分配管路，優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)以保證各水下設(shè)備的正常工作。

根據(jù)荔灣3-1油氣田實(shí)際生產(chǎn)情況并結(jié)合上述設(shè)計(jì)的液壓分配管路，仿真分析方案采用保持進(jìn)口管直徑和支管直徑為1/2″不變而改變總管直徑的方法來分析管路優(yōu)化結(jié)構(gòu)。主管直徑分別選取5/4″、1″、3/4″和1/2″，支管直徑1/2″，支管間距10″，支管和主管垂直相交，并對(duì)支管從左至右按1～5編號(hào)。主管左邊為高水基液壓油的進(jìn)口，進(jìn)口流量為8L/min。水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓油選用高水基液壓油，高水基液壓油密度為999.1kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度為8.49235×10-4kg/(m·s)。

根據(jù)分配管流動(dòng)理論，易知液壓分配管路的支管背側(cè)渦流尺寸對(duì)支管流量均分影響很大，因此為保證液壓分配管路分配均衡性需減小支管渦流尺寸。因支管數(shù)目較多而支管1的渦流尺寸最大，選擇支管1的流速矢量放大圖分析液壓管路結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。圖2為在不同總管直徑下，支管1管道流速矢量放大圖。比較圖2b、c、d速度矢量圖，易知在總管直徑為1″時(shí)，支管1中渦流的尺寸最小，即隨著總管管徑增大，管路結(jié)構(gòu)流量分配均勻性提高。由圖2a可知在總管直徑為5/4″時(shí)，支管1的渦流尺寸較總管直徑為1″的渦流尺寸略小。

由以上研究表明，在進(jìn)口流量不變的情況下，隨著總管直徑的增大，支管1內(nèi)部的漩渦尺寸減小，支管流量均勻程度變好?？偣苤睆綖?″的管路雖較總管直徑為5/4″均勻性略有不如，但總管與支管直徑比小，因此選擇總管直徑為1″的液壓管路結(jié)構(gòu)更為合適。

臍帶纜輸送低壓液壓油的管路直徑選1/2″。目前常見的液壓分配單元的液壓分配管路總管直徑和支管直徑保持相同，由Fluent仿真模擬得到管道流速云圖，如圖3a所示。由圖3易知，總管沿路由于分流作用速度逐漸減小，前三根支管的分流作用有限而最后兩根支管流量急劇增加，即支管管徑為1/2″時(shí)，液壓分配均勻性較差。而圖3b為總管尺寸為1″時(shí)的速度云圖，主管沿路的流體經(jīng)支管分流后，流速下降，各支管流速都比較均勻，基本達(dá)到優(yōu)化管路分配結(jié)構(gòu)的目的。

通過以上分析可知，在支管尺寸為1/2″時(shí)，選擇主管與支管的直徑比為2∶1，流量分配的均勻程度較好。這種管道結(jié)構(gòu)中總管直徑較大從而降低了總管流速，支管渦流尺寸也減小，流量均勻程度提高，可滿足多個(gè)水下生產(chǎn)設(shè)備執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作所需的液壓動(dòng)力。

3 電氣分配單元結(jié)構(gòu)

3.1電氣分配單元結(jié)構(gòu)分析

電氣分配單元不僅要實(shí)現(xiàn)控制電纜的分支和光纖的分光，還要對(duì)輸出電纜和光纖進(jìn)行編組，以保證同一水下控制模塊的冗余電氣飛線的光纖和電纜具有不同路徑[7,8]。電氣分配單元主要包括結(jié)構(gòu)框架、電氣分線盒、網(wǎng)紋板及水下機(jī)器人操作把手等部件，其關(guān)鍵部件電氣分線盒由電力分配模塊、光信號(hào)分配模塊和機(jī)械模塊3部分組成。現(xiàn)有的電氣分配單元結(jié)構(gòu)根據(jù)安裝位置可分為內(nèi)置式和外置式兩類。

圖2 不同總管直徑尺寸下支管1的流速矢量圖

圖3 不同總管直徑下的液壓分配管路速度云圖

3.2電氣分配單元的光信號(hào)分配模塊設(shè)計(jì)

隨著水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集量不斷增加，傳統(tǒng)電力載波的通信方式無法滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸要求，光纖通信系統(tǒng)因其傳輸距離長、帶寬高、衰減低及受電磁干擾小等特點(diǎn)，在深海長距離水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用。

根據(jù)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)中主控站與各水下控制模塊的通信特點(diǎn)，光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用雙纖光端機(jī)接發(fā)光信號(hào)，系統(tǒng)的下行控制信號(hào)(從主控站到水下控制模塊)通信采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(P2MP)傳輸方式，而上行生產(chǎn)狀態(tài)信息(從水下控制模塊到主控站)通信采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)傳輸方式。水下電氣分配單元采用光功率分配器實(shí)現(xiàn)下行控制信號(hào)由一條光纖均勻分配給多條光纖，控制信號(hào)以廣播方式傳輸?shù)礁魉驴刂颇K。水下電子模塊通過數(shù)據(jù)幀前導(dǎo)碼的標(biāo)識(shí)來識(shí)別發(fā)送給自己的控制信號(hào)，從而通過電子模塊里的微處理器及電磁閥驅(qū)動(dòng)器等元器件驅(qū)動(dòng)電磁閥線圈，進(jìn)而控制電磁閥的換位達(dá)到啟閉閥門的控制目的[9]。在上行方向，各水下控制模塊通過各自獨(dú)立的光纖向主控站傳輸水下生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)及水下控制模塊的運(yùn)行狀況等信息。

以荔灣3-1油氣田西區(qū)為例，由于西區(qū)有5口井，因此電氣分配單元至少要提供10個(gè)光電混合輸出。從水下分配中心到西區(qū)的內(nèi)部臍帶纜有兩根8芯光纜，兩根光纜一用一備且分配結(jié)構(gòu)和編組采用相同的方式，共同組成12個(gè)光電混合連接器[10]。水下電氣分配單元的光信號(hào)分配模塊以1×6光功率分配器為核心，將下行信號(hào)分配給6個(gè)輸出端傳輸給水下控制模塊。為確保水下控制模塊按主控站發(fā)出的控制命令驅(qū)動(dòng)電磁先導(dǎo)閥控制相應(yīng)的閥門和油嘴，采用Optisystem模擬仿真基于光分配器的下行控制信號(hào)光纖通信線路，并驗(yàn)證以光功率分配器為核心的電氣分配單元的可行性和光分配單元對(duì)光信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響[11]。

通信系統(tǒng)傳輸速率設(shè)定為1.25GHz，激光器光源功率為15dBm，使用G.563型光纖，其部分性能參數(shù)如下：

參考波長 1550nm

損耗系數(shù) 0.25dB/km

色散系數(shù) 3.5ps/(nm·km)

色散斜率 0.085ps/(nm2·km)

仿真模型中光信號(hào)發(fā)射裝置位于水上主控制臺(tái)，光功率分配器位于電氣分配模塊內(nèi)，而水下控制模塊中的通信模塊用仿真模型光接收器元件表示，對(duì)相關(guān)元件設(shè)置參數(shù)后進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。下行控制信號(hào)通信線路仿真模型和接收端的眼圖如圖4、5所示。

圖4 下行控制信號(hào)通信路線仿真模型

仿真結(jié)果表明：無源光功率分配器對(duì)光信號(hào)分發(fā)起著不可或缺的作用，分光器將下行控制信息以廣播方式傳輸至各個(gè)水下控制模塊。并且分光器的插入損耗越小，光信號(hào)接收機(jī)接收到的光信號(hào)質(zhì)量越好，傳輸距離越遠(yuǎn)。眼圖在張口最大處的Q值為62.9，遠(yuǎn)大于7，信號(hào)的誤碼率為0，這表明在以光功率分配器為核心的電氣分配單元可順利實(shí)現(xiàn)下行控制信號(hào)分配，各水下控制模塊均能順利接收到主控站發(fā)出的控制命令。

圖5 通信系統(tǒng)眼圖

4 結(jié)論

4.1液壓分配單元的總管和支管直徑比例對(duì)油液分配均勻性方面有較大影響，模擬仿真結(jié)果顯示，當(dāng)臍帶纜液壓管路為1/2″，液壓分配單元內(nèi)部管路采用總管與支管直徑比為2∶1的結(jié)構(gòu)，流體分配均勻性較好。

4.2基于光功率分配器的下行控制信號(hào)光纖傳輸方案能夠?qū)崿F(xiàn)面對(duì)多口油井的信號(hào)分配功能，仿真運(yùn)行結(jié)果表明控制信號(hào)傳輸模型的通信質(zhì)量良好，以光功率分配器為核心的電氣分配單元可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的順利分配，水下控制模塊接收到光信號(hào)的誤碼率為0。

4.3筆者提出的電液復(fù)合式水下分配單元設(shè)計(jì)方案滿足生產(chǎn)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)深水油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的電液動(dòng)力供應(yīng)功能。

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DesignofElectro-HydraulicMultiplexedSubseaDistributionUnitforDeepwaterOilandGasFieldDevelopment

FANG Le, CUI Yan

(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China)

Both basic components and functions of electro-hydraulic multiplexed subsea distribution unit were analyzed. In order to provide the hydraulic pressure needed for valve actuator, the optimized design scheme for the pipeline structure of the hydraulic distribution unit was proposed and verified through simulating flow condition in the hydraulic pipeline. The optical power splitter-cored design scheme for the electrical distribution unit was presented and the downlink control signal transmission model based on the optical power splitter was established and the Optisystem software adopted verifies its feasibility.

electro-hydraulic multiplexed, subsea distribution unit, hydraulic structure, optical power splitter

TH86

A

1000-3932(2016)03-0280-05

2016-01-19(修改稿)