陳斌 周學(xué)軍 蘇鋒 李斌 徐祥娟

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津，300451)

（2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京，100028）

引言

隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，水下控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制功能的需求與日俱增、控制功能與水下電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，需要對(duì)水下控制系統(tǒng)電力進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，水下控制系統(tǒng)的電力負(fù)載也在不斷的發(fā)生變化，供電是水下控制系統(tǒng)中十分重要的組成部分[1]，供電方案與供電距離和供電負(fù)載密切相關(guān)，不同的供電距離、不同的供電負(fù)載，都有可能需要設(shè)計(jì)不一樣的供電方案。

近年來，隨著國內(nèi)對(duì)于水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的掌握，部分設(shè)備已經(jīng)開始國產(chǎn)化研制或者工程示范應(yīng)用。對(duì)于水下控制供電系統(tǒng)，目前還尚未有國產(chǎn)設(shè)備研制并進(jìn)行工程示范，這對(duì)于利用水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)的油氣田工程而言，不僅開發(fā)成本居高不下，而且相關(guān)設(shè)備供貨周期成為制約項(xiàng)目開發(fā)的主要瓶頸之一。

基于國家創(chuàng)新示范項(xiàng)目的支持，在我國南海的樂東區(qū)塊進(jìn)行相關(guān)水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行示范應(yīng)用。文章以樂東區(qū)塊為目標(biāo)氣田，進(jìn)行水下控制電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電力分配模塊的集成創(chuàng)新，為后期進(jìn)一步深度的國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

1 目標(biāo)氣田基本情況

東方1-1東南及樂東22-1南氣田開發(fā)項(xiàng)目包括位于中國南海的東方1-1東南氣田和樂東22-1南氣田。東方1-1氣田東南部氣田水深約為72 m。樂東22-1南氣田水深約94 m。樂東22-1南氣田也將采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，并通過一條9公里長(zhǎng)的海底管道與現(xiàn)有的LD22-1CEP平臺(tái)連接?，F(xiàn)場(chǎng)總平面圖如圖1所示。

圖1 目標(biāo)氣田水下生產(chǎn)設(shè)施示意圖

2 水下控制系統(tǒng)電力分配設(shè)計(jì)技術(shù)

樂東22-1氣田水下控制系統(tǒng)，由LD22-1CEP平臺(tái)的不間斷電源（UPS）為水下控制系統(tǒng)電源單元（EPU）提供電力，經(jīng)過變壓、濾波和電力載波后，通過臍帶纜上部終端（TUTA），一般是接線箱，將電力及控制信號(hào)以電力載波形式連接至臍帶纜傳送至水下臍帶纜終端（UTH），在UTH結(jié)構(gòu)內(nèi)部通過熔接、硫化等方式，以濕式電接頭形式輸出。然后通過水下電飛線連接至水下分配單元（SDU）的電分配模塊（EDM）實(shí)現(xiàn)電力分配，將每1個(gè)QUAD電力信號(hào)分配成3路，分別為水下路由模塊（SRM）、管匯上水下控制模塊（SCM）和采油樹上控制模塊（SCM）供電。

圖2 水下控制系統(tǒng)電力系統(tǒng)圖

在本項(xiàng)目中，電分配模塊（EDM）由2個(gè)水下電分配箱（EDB）組成，構(gòu)成冗余的分配電網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示，每個(gè)分配箱分別為2個(gè)水下控制模塊和1個(gè)水下路由模塊供電，水下路由模塊再為水下聲矢量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（HPH）和水下閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）供電。2個(gè)水下控制模塊和水下路由模塊分別連接至2個(gè)電分配箱，均為冗余供電，如果連接其中一條線路上的電分配箱或者電飛線出現(xiàn)故障，水下控制系統(tǒng)仍可以繼續(xù)工作，這樣大大提高了系統(tǒng)供電的可靠性。

圖3 水下電分配箱原理圖

3 水下控制系統(tǒng)電力計(jì)算分析

在構(gòu)成了水下控制電力分配網(wǎng)絡(luò)后，需要對(duì)水下控制系統(tǒng)電力供應(yīng)進(jìn)行分析。該分析決定了水下控制系統(tǒng)電力方案是否合理與臍帶纜選型、電飛線選型和控制設(shè)備參數(shù)制定是否準(zhǔn)確。

針對(duì)以往電力分析中僅考慮單參數(shù)計(jì)算而造成結(jié)果精度低的問題，首次建立了平行電力線電阻電感雙參數(shù)等效計(jì)算模型，確立了一種長(zhǎng)距離復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的雙變量電力負(fù)荷分析方法。保證可靠性前提實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。表1是基于雙參數(shù)的供電方案計(jì)算分析結(jié)果。

表1 水下電力系統(tǒng)計(jì)算分析結(jié)論

分析結(jié)果表明，基于本項(xiàng)目的供電方案，電力單元（EPU）的電壓在16mm2電纜截面前提下，供電范圍在352.54V到593.75V之間變化，沿程最大電壓損耗為17.44%，不超過行業(yè)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的30%。

考慮到不同的電纜供應(yīng)商電纜參數(shù)可能會(huì)存在微小變化，從而會(huì)導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果，建議主臍帶纜尺寸為16mm2?？紤]到本項(xiàng)目的水下路由模塊及其負(fù)載較大的特點(diǎn)，建議將4芯纜中的其中2芯作為獨(dú)立使用，為其供電，夠滿足SRM及其負(fù)載在LD22-1區(qū)塊的電力需求。

由于電力單元（EPU）的工作電壓窗口在352.54V至593.75V之間，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，不同的承包商可能使用不同的功耗和電壓窗口，考慮到項(xiàng)目的特殊性，建議在電力單元（EPU）上為水下控制模塊（SCM）和水下路由模塊（SRM）分別設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的電源模塊。

4 水下控制系統(tǒng)電力分配模塊設(shè)計(jì)

水下電分配箱（EDB）,考慮其需要可回收，設(shè)計(jì)有水下電分配箱本體、導(dǎo)向外殼和鎖緊銷三大部分組成；其中，水下機(jī)器人或者潛水員通過提升把手將水下電分配箱本體安裝在導(dǎo)向外殼上，再用安全鎖緊銷進(jìn)行固定，通過上述安裝連接構(gòu)成能夠?qū)崿F(xiàn)水下機(jī)器人（ROV）或者潛水員進(jìn)行安裝或者回收的水下電分配箱本體。水下電分配箱體積小，節(jié)省材料和水下結(jié)構(gòu)物上的空間，在海上安裝或者方便且容易實(shí)施，提高了海上工作效率，降低了施工成本。

在電分配箱內(nèi)部安裝有電分配箱元器件集合體，由一個(gè)輸入的插座（Pin）、三個(gè)輸出插座（Socket）和電分配盒構(gòu)成，插座形式的選取主要保證在帶電操作情況下導(dǎo)體不與海水接觸而造成短路。插座均通過螺釘固定在電分配箱的本體面板上，電分配盒固定在電分配箱本體的底板上通過螺栓，之間的電纜需要固定在箱體上。

圖4 水下電分配箱外殼圖 圖5 水下電分配箱本體圖

圖6 水下電分配箱內(nèi)部元器件構(gòu)成圖

5 水下控制系統(tǒng)電力分配模塊結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

對(duì)水下電分配箱的本體結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行有限元分析，確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足工程工況需求。按照項(xiàng)目實(shí)際情況，對(duì)吊繩吊裝工況、ROV上提工況，ROV撞擊工況和模塊的對(duì)接撞擊工況進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，如圖7-10所示。

圖7 吊繩吊裝工況

圖8 ROV上提工況

圖9 ROV撞擊工況

圖10 電分配模塊的對(duì)接撞擊工況

6 水下控制系統(tǒng)電力分配模塊測(cè)試

對(duì)完成制造及集成的水下電分配箱進(jìn)行測(cè)試，確保其性能和功能滿足項(xiàng)目需求。測(cè)試主要參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 13628-1，ISO13628-6，ISO 13628-8，測(cè)試的主要內(nèi)容包括：外觀檢查、吊耳測(cè)試、重量、重心測(cè)試、安裝，回收模擬測(cè)試、短路測(cè)試、絕緣測(cè)試、模擬電插拔測(cè)試和電連續(xù)性測(cè)試。

7 結(jié)論

水下控制系統(tǒng)電分配工程應(yīng)用技術(shù)是一個(gè)任重道遠(yuǎn)的課題，因?yàn)殡姺峙湓骷夹g(shù)還需要進(jìn)一步研發(fā)，在集成創(chuàng)新后，我們進(jìn)一部借助結(jié)合產(chǎn)學(xué)研的方式，將承壓式水下電分配本體作為研究攻關(guān)的方向。