梁 斌

(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

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水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)電源及通信分析

梁 斌

(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

為驗(yàn)證包含冗余電力載波通信的臍帶纜中的電源是否符合要求，以復(fù)合電液水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)8棵水下采油樹、1個(gè)水下生產(chǎn)終端管匯、1個(gè)水下生產(chǎn)中心管匯、1個(gè)水下臍帶纜終端單元、1條15 km主臍帶纜、2條油田內(nèi)部臍帶纜和8根60 m的電飛纜組成的水下復(fù)合電液式水下控制系統(tǒng)進(jìn)行了水下控制模塊功率計(jì)算，BPSK通信計(jì)算以及電源、通信分析，并且通過Matlab/Simulink模型進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。為采用復(fù)合電液水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的水下油氣田國(guó)產(chǎn)化開發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；復(fù)合電液控制；電力載波通信；臍帶纜；仿真

0 引言

在海洋油氣資源的開采中，從水面生產(chǎn)平臺(tái)到水下采油系統(tǒng)涉及到很多技術(shù)領(lǐng)域。在海洋油氣田 ( 特別是深水油氣田) 的勘探開發(fā)中，油、氣的產(chǎn)出、處理和輸送等均通過水下生產(chǎn)系統(tǒng)完成。水下生產(chǎn)系統(tǒng)[1]是深水油氣田的重要開發(fā)模式之一，是海洋油氣資源開發(fā)的一種新技術(shù)。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展[2-4]經(jīng)歷了直接液壓控制、先導(dǎo)液壓控制、順序液壓控制、直接電液控制和復(fù)合電液控制等幾個(gè)重要階段。其中，復(fù)合電液控制是目前的主流控制方式，尤其適用于深水、大型油氣田的開發(fā)。

復(fù)合電液控制系統(tǒng)構(gòu)成的最大特點(diǎn)[5]是具備電力單元和水下微處理電子模塊(Subsea Electronic Mo-dule，SEM)，將主控中心(Master Control Station，MCS)發(fā)出的指令通過電源動(dòng)力單元(Electric Power Unit，EPU)中的調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行編碼、壓制并加載到臍帶纜中的動(dòng)力電纜中進(jìn)行電力載波傳輸，水下控制模塊(Subsea Control Module，SCM)內(nèi)部SEM的調(diào)制解調(diào)器對(duì)MCS命令的解碼、運(yùn)算、傳達(dá)和執(zhí)行，對(duì)采油樹閥門進(jìn)行控制，同時(shí)SCM對(duì)水下設(shè)備的監(jiān)測(cè)儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和上傳。這就意味著復(fù)合電液系統(tǒng)將會(huì)更多地涉及供配電和電源消耗方面的問題。當(dāng)水下油氣井為氣井或自噴井時(shí)，在油氣田生產(chǎn)初期只有水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)需要供電[6]。本文通過對(duì)復(fù)合電液水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)電功率和通信系統(tǒng)的常規(guī)分析，驗(yàn)證包含冗余電力載波通信的臍帶纜中的電源是否符合要求。

1 復(fù)合電液水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)組成

復(fù)合電液控制包括水上和水下2個(gè)組成部分，其中水上部分有：MCS，不間斷電源(Uninterrupted Power Supply，UPS)，EPU，液壓動(dòng)力單元(Hydraulic Power Unit，HPU)，化學(xué)藥劑單元(Chemical Injection Unit，CIU)，臍帶纜上部終端總成(Topside Umbilical Termination Assembly，TUTA)和應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)(Emergency Shut Down，ESD)等；水下部分[7-9]有：水下臍帶纜終端單元(Subsea Umbilical Termination Unit，SUTU)，水下臍帶纜終端接頭(Umbilical Termination Head，UTH)，液壓分配單元(Hydraulic Distribution Unit，HDU)，電氣分配單元(Electrical Distribution Unit，EDU)和水下控制模塊(SCM)等。圖1為復(fù)合電液水下控制系統(tǒng)框圖。 從圖1可以看出：EPU提供了MCS和SCM之間的通信接口和電力供應(yīng)，為每個(gè)SCM提供雙電力供應(yīng)和通信通道；EPU將信號(hào)加載在動(dòng)力線路上與SCM進(jìn)行通信，在平臺(tái)上由UPS供電，然后通過臍帶纜向包括SEM，電磁換向閥和壓力溫度傳感器等水下設(shè)備提供動(dòng)力電源。

圖1 復(fù)合電液水下控制系統(tǒng)圖

EPU不僅能為水面的MCS，HPU，CIU和水下的SCM等設(shè)備提供雙通道電源，并且可以通過其內(nèi)部設(shè)置的調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)MCS和SCM的電力載波通信。EPU內(nèi)部的冗余模塊(A/B)單獨(dú)連接到單相交流220 V，頻率50/60 Hz的UPS電源。EPU設(shè)計(jì)為一個(gè)全封閉的標(biāo)準(zhǔn)19英寸含有機(jī)架隔間的機(jī)柜，輸出電路包括主電源電路、水線以上部分輸出模塊和水下輸出模塊。EPU內(nèi)部放置升壓隔離變壓器、線路絕緣監(jiān)測(cè)儀表、電壓和電流監(jiān)測(cè)儀表、短路保護(hù)和相關(guān)的控制和儀表。

2 目標(biāo)油田基本參數(shù)設(shè)定

假設(shè)目標(biāo)油田主要水下設(shè)備包括：8棵水下采油樹，1個(gè)水下生產(chǎn)終端管匯(Pipe Line End Manifold，PLEM)，1個(gè)水下生產(chǎn)中心管匯，1個(gè)SUTU，1條15 km主臍帶纜，2條油田內(nèi)部臍帶纜，8根60 m的電飛纜(Electrical Flying Lead，EFL)，1條約30 km的海底管線。系統(tǒng)采用690 V交流電源(50 Hz)供電，SCM與MCS通信通過電力載波(二進(jìn)制相移鍵控BPSK，波特率9 600)實(shí)現(xiàn)，在頻率為4～30 kHz范圍內(nèi)，最大允許的通信信號(hào)衰減為35 dB。BPSK(Binary Phase Shift Keying)通信在 SCM和MCS 2個(gè)方向上均可成功運(yùn)行，誤差小于0.2%。目標(biāo)油田主要水下設(shè)備布置圖如圖2所示。

圖2 目標(biāo)油田主要水下設(shè)備布置圖

2.1 電纜線

主臍帶纜選用16 mm2雙絞屏蔽線，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 臍帶纜主要技術(shù)指標(biāo)

圖3為16 mm2雙絞屏蔽線線最大信號(hào)衰減仿真結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用中上電纜線的信號(hào)衰減情況不會(huì)比模擬的情況更差。

電飛纜選用AWG 14電纜，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

圖3 臍帶纜最大信號(hào)衰減仿真

表2 電飛纜主要技術(shù)指標(biāo)

圖4為AWG 14電纜線最大信號(hào)衰減的仿真結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用中電纜線的信號(hào)衰減情況會(huì)優(yōu)于模擬的結(jié)果。

圖4 電飛纜最大信號(hào)衰減仿真

從圖3和圖4的模擬結(jié)果可以看出：載波信號(hào)最大衰減值在30 kHz處，安全余量將超過頻率范圍的上限(26～30 kHz)，但通信系統(tǒng)仍能正常工作。因此，在項(xiàng)目中實(shí)際使用的臍帶電纜、電飛纜應(yīng)等于或優(yōu)于上述規(guī)定的臍帶電纜。

2.2 SCM功率消耗

設(shè)定單個(gè)SCM內(nèi)部安裝24個(gè)各類傳感器、14個(gè)電磁換向閥(最多控制14路閥門輸出管路)、采油樹上安裝2套壓力傳感器、2套SEM，其中電磁換向閥通過SCM指令脈沖控制，只有瞬間功耗(標(biāo)準(zhǔn)功耗12 W)，持續(xù)時(shí)間可調(diào)(一般不超過5 s)。單棵采油樹功耗見表3(Moden發(fā)送，電磁閥動(dòng)作Moden接收，電磁閥不動(dòng)作)。

表3 單顆采油樹功耗表

復(fù)合電液水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，功率和信號(hào)通信傳輸均在同一個(gè)物理線上進(jìn)行，因此功率和通信線的計(jì)算是相互關(guān)聯(lián)的。

3 電源及通信分析

3.1 功率計(jì)算

圖5 臍帶纜等效電路圖

臍帶纜可等效為1個(gè)歐姆電阻、1個(gè)電感和2個(gè)電容，并可計(jì)算相關(guān)量值。臍帶纜等效電路如圖5所示。

對(duì)于60 m的EFL(截面大小為2.08 mm2)，其總的電阻值為：0.06 km×17.8 Ω/km=1.07 Ω。因此，當(dāng)EFL與1個(gè)SEM串聯(lián)時(shí)，EFL的電阻可以忽略不計(jì)。

SEM可以認(rèn)為是可控電流源，其電流源獨(dú)立于輸入電壓，能調(diào)整功耗和功率因子滿足要求值。EPU認(rèn)為是恒壓源，其內(nèi)阻為2 Ω。如果SCM的電壓大于300 V交流,電力傳輸則在額定范圍內(nèi)，SCM最大輸出功率為135 W，其中包含24 V DC，±15 V DC，5 V DC輸出電壓。如果SEM的輸入電壓在保護(hù)范圍內(nèi)，SEM電源能在其過壓或欠壓情況下自動(dòng)恢復(fù)。SCM在電磁閥開/關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生200 ms的電涌功率，在此期間將會(huì)增加130 W的額外功率，使SCM的最大功率增加到201 W。

3.1 BPSK通信計(jì)算

針對(duì)水下電力系統(tǒng)電路特點(diǎn)，臍帶纜或EFL可采用二端口網(wǎng)絡(luò)法[10]進(jìn)行分析建模,如圖6所示。

圖6 EFL二端口網(wǎng)絡(luò)建模

(1)

式中：Z為阻抗；R′為單位長(zhǎng)度電阻載荷；G′為單位長(zhǎng)度電導(dǎo)率；L′為單位長(zhǎng)度感應(yīng)系數(shù)；C′為單位長(zhǎng)度電容。

式中：ω=2πf；g為電導(dǎo)系數(shù)。

式(1)和式(2)可轉(zhuǎn)化為

式中：U1為 輸入電壓；U2為輸出電壓；I1為輸入電流；I2為輸出電流。

式(3)和式(4)為導(dǎo)納矩陣乘以包含U2和I2的向量，得到輸出向量U1和I1。波響應(yīng)量取決于終端電阻,可表示為R2=U2/I2。如果EFL與SCM/SEM串聯(lián),那么在通信計(jì)算時(shí),SCM中的60 mEFL可以忽略不計(jì),因?yàn)槠鋵?duì)系統(tǒng)的影響可以忽略，而與R'，L'，C'和G'相關(guān)。與主臍帶纜相比，不用考慮SDU/SUTU內(nèi)部布線。如果放大大于-35 dB或者衰減小于35 dB，信號(hào)能夠充分傳輸。

4 分析結(jié)果

4.1 信號(hào)分析結(jié)果

通信分析的基本結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知：在4～30 kHz頻率范圍內(nèi)，信號(hào)能夠正常的傳輸。

圖7 MCS到SCM的通信分析結(jié)果

圖8 MCS到SCM的通信分析結(jié)果

4.2 電源分析結(jié)果

16 mm2雙絞屏蔽線功率分析的基本結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出：在0～0.5 s內(nèi)，電源能夠穩(wěn)定輸出。

圖9 電源分析結(jié)果

5 結(jié)論

復(fù)合電液控制是目前水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的主流控制方式，尤其適用于深水、大型油氣田的開發(fā)，在平臺(tái)距離水下生產(chǎn)系統(tǒng)30 km的范圍內(nèi)，電源動(dòng)力模塊輸出電壓690 V AC的條件下，采用4～30 kHz頻率的載波信號(hào)能夠疊加在動(dòng)力電源上進(jìn)行傳輸，并且在0.5 s的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定輸出。

[1] 高原,魏會(huì)東,姜瑛,等.深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)及工藝設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)海上油氣,2014,26(4):84-90.

[2] 范亞民.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].石油機(jī)械,2012(7):45-49.

[3] Petroleum and Natural Gas Industries.Design and Operation of Subsea Production Systems-Part 6:Subsea Production Control Systems :ISO 13628-6 [S].2006.

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[8] 胡意茹,魏澈,李強(qiáng),等.長(zhǎng)距離水下生產(chǎn)復(fù)合電液控制系統(tǒng)電力分析與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)海上油氣,2016,28(1):139-145.

[9] 邱關(guān)源．電路[M].北京：高等教育出版社，2008．

Analysis on Power Supply and Communication for
Subsea Production Control System

LIANG Bin

(MSP/DRILEX(Shanghai) Co.，Ltd.，Shanghai 200941，China)

In order to verify whether the power supply of the umbilical cord contained redundant power carrier communication meets the requirements,a composite electro-hydraulic underwater production control system is taken as the object of study.According to subsea electro-hydraulic control system,which consists of eight subsea X-mas tree,one Pipe Line End Manifold(PLEM),one Subsea Umbilical Termination Unit (SUTU),one subsea production center manifold ,one main umbilical cord(15 km),two umbilical cord in oil field,eight EFL(60 m),calculation for power of Subsea Control Module (SCM),Binary Phase Shift Keying (BPSK) communication,and analysis for power supply and communication are con-ducted.Simulation work is done through Matlab/Simulink.The result of which meets the demand of design.It accumulates experience for the domestic development of electro-hydraulic production control system in subsea oil and gas fields.

subsea production system； electro-hydraulic control； power carrier communication； umbilical cord simulation

2017-04-12

工業(yè)和信息化部科研項(xiàng)目[2014]509號(hào)文“水下控制系統(tǒng)對(duì)接盤、鎖緊機(jī)構(gòu)研制”

梁 斌 (1975-)，男，高級(jí)工程師

1001-4500(2017)03-0074-07

TE953

A