譚壯壯，曲文星，岳元龍

(1.中國石油集團海洋工程有限公司，北京 100028；2.中國石油大學(北京)信息科學與工程學院，北京 102249)

0 引言

目前，水下生產系統(tǒng)已成為深水和超深水油氣田開發(fā)中常用的開發(fā)方式[1]，并在淺海區(qū)域得到了一定的應用[2]。水下生產系統(tǒng)包括水下布置的采油樹、管匯、控制分配單元、水下處理設施和水下管纜等設施，通常依托浮式儲卸油裝置(floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO)、浮式生產單元(floating production unit，F(xiàn)PU)、海上固定平臺或陸地終端等上部設施，完成井口采出物流的輸送[3]。

水下布置的設施通過臍帶纜與上部設施連接，采用復合電液控制系統(tǒng)完成對水下采油樹和管匯的遠程控制。水下生產控制系統(tǒng)的執(zhí)行設備是水下采油樹、管匯等設備上的遠程控制閥門。這些設備位于水深300～3 000 m的深海海底，控制距離最長可達上百公里，對控制系統(tǒng)的要求極高。為滿足控制距離和響應時間，同時滿足安全、可靠和經濟性的要求，水下生產控制系統(tǒng)通常采用復合電液控制系統(tǒng)[4-6]，即采用液壓作為閥門控制的動力，同時使用電磁閥對液壓執(zhí)行機構進行控制以縮短控制時間。由于深水設備的制造、安裝、維護成本非常高，因此通常采用復合式設計，即通過一條臍帶纜將液壓、電力、控制信號和化學藥劑輸送至水下油田附近，再將其分配到各個井口群的井口采油樹或管匯。

綜上所述，水下生產控制系統(tǒng)具有控制距離遠、可靠性要求高、響應時間長、系統(tǒng)復雜和人員無法干預等特點?？刂葡到y(tǒng)的性能主要受液壓子系統(tǒng)設計的影響，在設計期間需要對液壓子系統(tǒng)進行建模分析[7-8]。國內外目前已開展了水下生產控制系統(tǒng)液壓分析的標準規(guī)范、設計要求等研究[7]，對液壓仿真的思路和流程進行了探索，并采用AMESim和SimulationX軟件建立了閥門操作、充壓和關斷(放空)工況模型[7-8]，但是對系統(tǒng)響應時間長等問題的研究和優(yōu)化仍較少。

本文對水下生產控制系統(tǒng)液壓子系統(tǒng)進行了仿真分析，并針對緊急關斷工況下系統(tǒng)響應時間長的問題進行了系統(tǒng)優(yōu)化設計，通過仿真比較了優(yōu)化效果，為工程項目設計提供參考。

1 水下生產控制系統(tǒng)液壓子系統(tǒng)

水下生產控制系統(tǒng)采集水下儀表和設備的信號，并將控制信號傳送到水下設備，以完成對于水下管匯和井口等設施的控制。水下控制系統(tǒng)由水上設備和水下設備組成，并由臍帶纜連接。水上安裝的設備包括主控站(master control station，MCS)、液壓動力單元(hydraulic power unit，HPU)、電力單元以及上部臍帶纜終端單元(topside umbilical termination unit，TUTU)。水下安裝的設備包括臍帶纜終端總成(umbilical termination assembly，UTA)、水下分配單元(subsea distribution unit，SDU)、水下控制模塊(subsea control module，SCM)、臍帶纜及跨接纜。

本文針對某深水油田設計水下生產控制系統(tǒng)。該項目包括1個井口群。井口群由4座水下采油樹和1座水下管匯構成，通過1條臍帶纜回接到FPSO。FPSO為水下生產系統(tǒng)提供控制信號、電力和控制液壓。

在水下生產控制系統(tǒng)中，水下設備的液壓源來自FPSO上設置的HPU。HPU油液壓泵、液壓油罐、蓄能器、管線和其他設備組成。在水下閥門打開時，液壓液通過HPU中的液壓泵增壓后向水下供給；水下閥門關閉時，液壓液返回至液壓油罐。另外，在液壓管線上設置1臺由FPSO緊急關斷系統(tǒng)(emergency shutdown，ESD)控制的電磁換向閥，用于在緊急情況下將供液管線切換至回液，以達到液壓子系統(tǒng)緊急泄壓的目的。

液壓液通過臍帶纜送至海底的SDU，再通過跨接纜分配至各個采油樹和管匯；各個采油樹、管匯上設置SCM，內部含有水下電子模塊(subsea electronic module，SEM)，通過電纜、光纖或電力載波等通信方式與上部設施通信[9]。SCM控制電磁換向閥(directional control valve，DCV)，進而控制液壓管路的通斷，達到控制水下閥門的作用。①打開閥門：DCV切換至供液管路，在液壓壓力推動下打開閥門。②關閉閥門：DCV切換至回液管路，在閥門彈簧的作用下關閉閥門，使閥腔內的液壓液被推入回液管路，并沿回液管線返回HPU。

某深水油田水下生產控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 某深水油田水下生產控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Subsea production control system schematic diagram of a deep water oil field

2 液壓子系統(tǒng)模型建立與仿真分析

水下生產控制系統(tǒng)的液壓子系統(tǒng)存在系統(tǒng)充壓、閥門操作以及緊急關斷等多種工況，需要進行各種工況下的仿真分析。

2.1 系統(tǒng)模型的建立

目前，水下生產控制系統(tǒng)液壓建模仿真主要采用AMESim、CS和SimulationX等建模軟件[7,10]。其中：AMESim由比利時軟件公司LMS開發(fā)，廣泛應用于液壓仿真領域，但針對水下生產系統(tǒng)的功能有限，需要進行大量的二次開發(fā)工作；CS軟件由美國ILS公司開發(fā)，應用于多個水下生產系統(tǒng)項目，但只可使用預設模塊，靈活性較差[7]；SimulationX由德國ITI公司開發(fā)，是一款多學科建模仿真分析軟件，包含了液壓、信號以及水下生產系統(tǒng)仿真庫，廣泛應用于水下生產系統(tǒng)項目，具有良好的專業(yè)性和靈活性。

本例采用SimulationX進行建模。系統(tǒng)參數(shù)包括:水深為2 080 m；HPU位置為海面以上30 m；臍帶纜長度為動態(tài)段2 400 m、靜態(tài)段7 600 m；液壓管線內徑為1英寸(1英寸=25.4 mm)；仿真對象為中壓液壓子系統(tǒng)，設計工作壓力為34.5 MPa；液壓油采用HT2型。

液壓子系統(tǒng)模型的主要實現(xiàn)步驟如下。①根據(jù)系統(tǒng)設計壓力確定HPU的泵、蓄能器和調節(jié)器的參數(shù)。本例中采用雙泵，啟動壓力分別為32.5 MPa和30.5 MPa；②根據(jù)初步設計的臍帶纜類型和水下分配系統(tǒng)拓撲，考慮臍帶纜水平和垂直段的長度，建立臍帶纜模型。③根據(jù)閥門配置情況，建立采油樹閥門、SCM和蓄能器的模型。④分別將各采油樹和SCM模塊接入系統(tǒng)。由于本例中各采油樹和SCM是相同的，因此采用復用符號代表多個相同的采油樹和SCM。

水下生產控制系統(tǒng)液壓子系統(tǒng)模型如圖2所示。水上部分主要為HPU，通過臍帶纜與SDU連接。臍帶纜包含水平和垂直部分；SDU通過跨接纜連接各采油樹。采油樹上設置液壓閥門5個，其中7英寸閥門2個、2英寸閥門3個；另外，設置SCM、蓄能器和補償器。

圖2 水下生產控制系統(tǒng)液壓子系統(tǒng)模型Fig.2 Hydraulic subsystem model of subsea production control system

2.2 系統(tǒng)充壓仿真分析

系統(tǒng)充壓指液壓子系統(tǒng)啟動時，將系統(tǒng)壓力提升至設計工作壓力的過程。在系統(tǒng)充壓階段，各水下閥門均為關閉狀態(tài)，系統(tǒng)只對管路進行充壓。臍帶纜在安裝前，會進行充填，因此液壓子系統(tǒng)有一定初始壓力。通常，將液壓子系統(tǒng)充壓達到設計工作壓力(考慮靜水壓力)95%(即53.82 MPa)的時間，定義為系統(tǒng)充壓時間。

系統(tǒng)充壓仿真結果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)充壓仿真結果Fig.3 Simulation results of system charge-up

圖3中，從第10 s開始啟動充壓操作。由圖3可知，系統(tǒng)充壓時間約為110 s。系統(tǒng)充壓操作啟動后，HPU出口閥門打開，壓力快速下降。在液壓泵啟動并進行一定時間的充壓后，系統(tǒng)壓力開始上升，在調節(jié)器的作用下達到設計工作壓力。

2.3 閥門操作仿真分析

閥門操作分析是在操作某個水下閥門時，分析液壓子系統(tǒng)的壓力波動、閥門動作的時間、閥門動作后液壓子系統(tǒng)壓力恢復的時間，以此驗證系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性以及響應時間。建立閥門操作模型，對2個7英寸閥門和3個2英寸閥門依次進行開啟操作。閥門操作仿真結果如圖4所示。

圖4 閥門操作仿真結果Fig.4 Simulation results of valve operation

由圖4可知，在閥門打開過程中，系統(tǒng)壓力有下降，最大壓力變化約為6.9 MPa，但是未對其他閥門造成影響，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。7英寸閥門和2英寸閥門的開啟時間分別約為17 s和1.4 s。

2.4 緊急關斷仿真分析

水下生產控制系統(tǒng)的緊急關斷，通常通過上部HPU的ESD電磁換向閥實現(xiàn)。首先，F(xiàn)PSO ESD系統(tǒng)在工藝參數(shù)異?；蚧馂牡染o急工況下，將HPU內的ESD電磁換向閥轉換為回液狀態(tài)；然后，水下生產控制系統(tǒng)中的液壓壓力通過供液管線回到上部液壓罐；最后，水下閥門在彈簧作用下關閉。由于液壓液需要從水下克服遠距離管線的阻力回到上部液壓罐，這種方式的響應時間非常長。對此，建立緊急關斷模型。系統(tǒng)緊急關斷仿真結果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)緊急關斷仿真結果Fig.5 Simulation results of system emergency shutdown

由圖5可知，控制系統(tǒng)在第200 s發(fā)出關斷信號，約在530 s完成7英寸閥門的關斷，關斷時間為330 s。關斷信號發(fā)出后，通過HPU液壓管線的泄壓，系統(tǒng)壓力開始下降，閥門在彈簧的作用下逐漸關閉，并在閥門開度為0后緊急關斷。由該結果可知，這種關斷方式為被動關斷，關斷時間長，且在液壓管徑較小、控制距離較長時尤為明顯。

3 液壓子系統(tǒng)優(yōu)化設計分析

前文建立的液壓子系統(tǒng)已能夠實現(xiàn)各項功能，但是不同管徑選擇、緊急關斷系統(tǒng)設計，都對系統(tǒng)性能有較大影響。

3.1 不同管徑分析

通常情況下，液壓管線內徑的增加會加快閥門操作的響應速度，同時也會增加臍帶纜的制造難度和成本。在深水油氣田工程中，臍帶纜的成本和運維費用都十分昂貴，因此應合理選擇液壓管線尺寸[10]。

對比前述1英寸液壓管線系統(tǒng)，將液壓管線尺寸分別設置為3/4英寸和1/2英寸進行分析。以所需時間最長的緊急關斷工況為例，得到如圖6所示的3/4英寸和1/2英寸液壓管線系統(tǒng)緊急關斷仿真結果。

圖6 3/4英寸和1/2英寸液壓管線系統(tǒng)緊急關斷仿真結果Fig.6 Simulation results of system emergency shutdown with 3/4″ and 1/2″ tube

當液壓管線尺寸為3/4英寸時，系統(tǒng)緊急關斷的時間為512 s；當液壓管線尺寸為1/2英寸時，系統(tǒng)緊急關斷的時間為1 224 s，與2.4節(jié)中采用1英寸管線進行仿真時所需的330 s相比，時間均較長。由對比分析可看出，管徑越大則緊急關斷所需的時間越少。但是，管徑越大，臍帶纜的設計、制造、運輸、安裝的難度和費用也越高，實際設計中應綜合考慮系統(tǒng)性能和費用成本，再決定液壓管線尺寸。根據(jù)目前的常規(guī)臍帶纜規(guī)格，宜選用3/4英寸到1英寸管線。

3.2 緊急關斷分析

水下生產控制系統(tǒng)的水下控制模塊通常用作過程控制，且存在長距離通信，不是滿足IEC 61508要求的安全儀表系統(tǒng)。另外，受臍帶纜尺寸限制，水下設備的用電負荷不會太大(通常單個采油樹負荷為200～250 W)，電液系統(tǒng)的電磁換向閥通常為脈沖激勵型，而不是持續(xù)激勵型，不具備故障安全功能，即失去電力時保持原位。

由于以上原因，在設計中，水下生產系統(tǒng)的緊急關斷主要通過上部設施HPU的電磁換向閥將供液管路切換至回液罐，實現(xiàn)管線泄壓。但是這種方式存在響應時間過長的問題。為解決這個問題，可采用鎖型電磁換向閥和增加緊急關斷換向閥這2種方式。2種方案緊急關斷仿真結果如圖7所示。

圖7 2種方案的系統(tǒng)緊急關斷仿真結果Fig.7 Simulation results of system emergency shutdown of two schemes

①采用鎖型電磁換向閥。當電磁換向閥的供液和回液兩個接口的壓力差低于設定值時，電磁換向閥切換至預先設置的安全位置(回液)。在緊急關斷工況時，不需要供液管線壓力完全泄壓，只需供液與回液的壓差低于設定值，即可解鎖電磁換向閥，加快關斷過程。但是采用該方案需要考慮閥門動作時的液壓子系統(tǒng)的壓力波動不可過高，以避免電磁換向閥意外解鎖。通常，系統(tǒng)壓力不應低于解鎖壓力的1.5倍。圖7即選擇7 MPa為電磁換向閥解鎖壓力，并進行緊急關斷仿真。

由圖7所示的仿真結果可以看出，采用解鎖壓力為7 MPa的電磁換向閥后，緊急關斷時間縮短了46 s。這種方式是目前采用的主要方案。

②在水下控制模塊的液壓總管線上增加用于緊急關斷的持續(xù)激勵型電磁換向閥。這種方案中，當系統(tǒng)斷電時，持續(xù)激勵型電磁換向閥切換至預先設置的安全位置(回液)，使閥門關斷。為提高可用性、減少誤動作，可采用2oo2表決形式，每個水下控制模塊約需增加40 W用電負荷，約占總負荷的15%～20%。

從圖7所示的仿真結果可以看出，液壓主回路采用持續(xù)激勵型電磁換向閥后，緊急關斷時間縮短了150 s，效果明顯。

本例中針對的油田項目液壓子系統(tǒng)仿真由某國外公司進行了獨立的分析，主要性能指標對比如下:7英寸閥門開啟時間約為16.2 s(本文設計為17 s)；系統(tǒng)充壓時間為128 s(本文設計為110 s)；關斷時間為310 s(本文設計為330 s)。從對比中可以看出，結果基本一致。

4 結論

液壓子系統(tǒng)是水下生產控制系統(tǒng)的重要組成部分，決定了水下生產控制系統(tǒng)的性能和可靠性。為了研究液壓子系統(tǒng)的性能及設計優(yōu)化，建立了液壓子系統(tǒng)的模型，通過對系統(tǒng)充壓、閥門操作及緊急關斷等工況仿真分析，可得到以下結論。

①液壓系統(tǒng)壓力在閥門操作等過程中存在一定波動，但未對閥門造成影響，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

②系統(tǒng)緊急關斷所需時間較長，當管徑縮小時關斷時間會延長。

③通過建模仿真和對比分析，在采用鎖型電磁閥后或設置緊急關斷持續(xù)激勵型電磁閥后，本系統(tǒng)顯著縮短了緊急關斷工況下的系統(tǒng)響應時間，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，可作為水下生產控制系統(tǒng)設計的參考。在實際設計中應綜合考慮系統(tǒng)性能、費用成本和制造安裝等因素，優(yōu)化設計方案。