淺談水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)控制與監(jiān)測傳輸模式

劉華建

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

淺談水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)控制與監(jiān)測傳輸模式

劉華建

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

在海洋資源的開發(fā)應(yīng)用過程中，國內(nèi)外對深海油氣田的開發(fā)與投資力度逐年加大，我國南海深水開發(fā)工程設(shè)施也逐年增多。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心部分，控制與監(jiān)測傳輸模式的選擇對整個工程的開發(fā)成本與安全運行起到了關(guān)鍵作用。 目前國內(nèi)外開發(fā)工程中，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)監(jiān)控傳輸模式種類較多，不同的工程公司選用的傳輸模式也有所不同。該文主要介紹了目前國內(nèi)外水下生產(chǎn)系統(tǒng)幾種常見的監(jiān)控傳輸模式，并通過實例詳細介紹了這幾種傳輸模式的應(yīng)用范圍和主要特點。

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng);傳輸模式;調(diào)制;電力載波;光纖通信

0 引言

目前，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的投資已超過各類平臺的投資，截至2009年，墨西哥灣的251個深水油氣藏中，有159個采用了水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)方案。水下生產(chǎn)系統(tǒng)是相對于水面開采技術(shù)的一種水下油氣田開發(fā)技術(shù)，它通過水下井口、部分或全部放置在海底的水下生產(chǎn)設(shè)施、海底管道，將采出的油、氣、水多相或單相流體回接到附近水面依托設(shè)施、岸上終端油氣處理廠。

深水油氣開發(fā)經(jīng)過多年的發(fā)展，已形成了一些成熟的開發(fā)模式，其控制類型與方式種類較多，包括全液壓控制、電液控制、全電控制等。針對油氣田的開發(fā)規(guī)模以及控制類型，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)發(fā)展出了多種形式的控制與監(jiān)測傳輸模式。該文主要介紹了目前國內(nèi)外水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)幾種常見的監(jiān)控傳輸模式，并通過實例詳細介紹這幾種傳輸模式的應(yīng)用范圍和主要特點，以及國外各個工程公司的使用特點。

1 水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)控制與監(jiān)測傳輸模式

隨著深水油氣田勘探與開發(fā)力度的不斷加大以及現(xiàn)代信息科學(xué)的不斷發(fā)展，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的控制與監(jiān)測傳輸模式也不斷的更新與改進，目前國內(nèi)外的應(yīng)用較多的傳輸模式主要包括：(1) 傳統(tǒng)信號電纜傳輸；(2) 電力載波傳輸；(3) 光網(wǎng)絡(luò)傳輸。

1.1 傳統(tǒng)信號電纜傳輸

傳統(tǒng)信號電纜傳輸模式主要是采用傳統(tǒng)的信號電纜對水下設(shè)備進行監(jiān)測與控制，最初的模式是通過銅導(dǎo)體直接傳送控制信號和監(jiān)測信號。但這種模式由于銅線存在電阻，監(jiān)控信號頻率低，長距離傳輸衰減增大，不適合遠距離使用。另外，一對銅線只能傳送一路信號，不適用于控制規(guī)模較大的開發(fā)模式。隨著載波調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，這種點對點式的監(jiān)控模式已經(jīng)被多路復(fù)用技術(shù)取代，新的傳輸模式是將多個水下控制點的控制信號與監(jiān)測信號調(diào)制在載波中，用高頻載波傳送，這樣就解決了一對線可同時傳送多路信號的問題，多路復(fù)用技術(shù)如圖1所示。

圖1 多路復(fù)用技術(shù)

該模式主要包括以下水面與水下設(shè)備：水面設(shè)備有主控站(MCS)、調(diào)整解調(diào)器(MODEM)、水上電纜接線箱(EJB)；水下設(shè)備有臍帶纜(UMBILICAL)、水下分配單元(SDU)、水下電飛線(EFL)。

在實際工程應(yīng)用中，水下系統(tǒng)可靠性要求非常高，使用年限一般為15年～25年，要求設(shè)備最好少維修或者不維修，因此需設(shè)置多對電纜，采用冗余設(shè)備方式提高傳輸系統(tǒng)的可靠性。通常采用2×2的備用方式，即在臍帶纜中配置兩組兩對電纜，一組兩對電纜中分別傳輸A系統(tǒng)與B系統(tǒng)信號，而另一組用來傳輸A系統(tǒng)與B系統(tǒng)。這兩組電纜在設(shè)計臍帶纜端面時，應(yīng)將兩組電纜對稱分開布置于臍帶纜兩側(cè)，以避免臍帶纜一側(cè)受損，導(dǎo)致兩組電纜全部損壞的情況發(fā)生，盡可能調(diào)高整個系統(tǒng)的可靠性。

此模式的優(yōu)點是：(1) 采用獨立電纜傳輸信號；(2) 專線專用；(3) 調(diào)制解調(diào)設(shè)備簡單；(4)易調(diào)試。

此模式的缺點是：(1) 傳輸距離較短，極限距離為15 km；(2) 臍帶纜端面直徑增加，制造成本升高；(3) 與動力電纜成束，存在干擾源。

1.2 電力載波傳輸

電力線載波通信(技術(shù))PLC是采用電力線傳送數(shù)據(jù)的一種通信方式，出現(xiàn)于二十世紀二十年代初期,它以電力線作為傳輸媒體,利用載波方式將模擬或數(shù)字信號變成高頻信號,通過電力線實現(xiàn)遠距離傳輸。電力載波技術(shù)早已應(yīng)用于國外深水油氣田開發(fā)的工程實踐中，盡管在國外已有成功的應(yīng)用，但該技術(shù)仍處于發(fā)展時期，目前基于OFDM的下一代電力載波通信系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的熱點，能更有效地利用頻譜資源，提高抗噪聲干擾能力，電力載波系統(tǒng)組成如圖2所示。

在水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用中是將臍帶纜中動力線作為傳輸介質(zhì)，采用多路載波調(diào)制技術(shù)傳輸水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的監(jiān)測與控制信號。此技術(shù)減少了臍帶纜中信號電纜部分，在同種控制需求的情況下，使得臍帶纜的直徑減小，制造成本降低。

該模式主要包括以下水面與水下設(shè)備：水面設(shè)備有主控站(MCS)、電力貓(MODEM)、供電單元(EPU) 、水上電纜接線箱(EJB)；水下設(shè)備有臍帶纜(UMBILICAL)、水下電力接線箱(SDU)、水下電飛線(EFL)。

此模式的優(yōu)點是：(1) 傳輸信號與電力共用一條傳輸介質(zhì)；(2) 臍帶纜減少信號電纜單元，直徑減少，制造成本降低；(3) 調(diào)制解調(diào)設(shè)備簡單。

此模式的缺點是：(1) 傳輸距離受調(diào)制方式限制，極限距離為25 km(取決于調(diào)制方式)；(2) 電力信道高衰減,在電源線上噪聲復(fù)雜,信道失真，傳輸速率慢；(3) 對電纜施工與接頭制作要求高；(4) 調(diào)試困難。

圖2 電力載波系統(tǒng)組成

1.3 光網(wǎng)絡(luò)傳輸

隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)規(guī)模不斷擴大以及回接距離的不斷增長，傳統(tǒng)通信電纜以及電力載波技術(shù)隨著傳輸距離的增長以及各種干擾源的影響，其衰減已不能滿足水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)監(jiān)測的需求。國外深水油氣田開發(fā)的工程實踐中，逐步將光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)之中。

光纖是光波傳輸?shù)慕橘|(zhì)，是由介質(zhì)材料構(gòu)成的圓柱體，分為芯子和包層兩部分，光波沿芯子傳播。光纖是由預(yù)制棒拉制出纖絲經(jīng)過簡單被復(fù)后的纖芯，纖芯再經(jīng)過被復(fù)、加強和防護，成為能夠適應(yīng)各種工程應(yīng)用的光纜。光纖傳輸?shù)氖枪庑盘枺虼斯獍l(fā)射機完成E/O轉(zhuǎn)換的核心器件是光源，而光接收機完成的是O/E轉(zhuǎn)換，核心器件是探測器，光纖傳輸系統(tǒng)的三要素為光源、光纖、探測器。

在水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)工程應(yīng)用中，按照控制與監(jiān)測的需求，將兩根或多根成品光纜成束于臍帶纜之中，在水上、水下分別設(shè)置光收發(fā)機(光貓)，實現(xiàn)對上下行數(shù)據(jù)的傳輸，光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)如圖3所示。

該模式主要包括以下水面與水下設(shè)備：水面設(shè)備有主控站(MCS)、水面光收發(fā)機(MODEM)、水上光纖接線箱(OJB)；水下設(shè)備有臍帶纜(UMBILICAL)、水下光纖接線箱(SDU)、水下光飛線(OFL)以及水下光收發(fā)機設(shè)備。

圖3 光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)作為新型的傳輸手段與銅纜相比有著較大的優(yōu)勢：

(1) 傳輸損耗低

損耗是傳輸介質(zhì)的重要特性，它決定了傳輸信號所需中繼的距離。光纖作為光信號的傳輸介質(zhì)具有低損耗的特點，如使用62.5 μm～125 μm的多模光纖，850 nm波長的衰減約為3.0 dB/km、1 300 nm波長更低，約為1.0 ddB/km。如果使用9 μm～25 μm單模光纖，1 300 nm波長的衰減僅為0.4 dB/km，1 550 nm波長衰減為0.3 dB/km，所以一般的LD光源可傳輸15 km～20 km。

在水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，選用9 μm～25 μm單模光纖中1 550 nm這一波長作為傳輸信道，滿足50 km以上的傳輸需求。

(2) 傳輸頻帶寬

光纖的頻寬可達1 GHz以上，一般圖像的帶寬為6 MHz左右，所以用一芯光纖傳輸一個通道的圖像綽綽有余。光纖高頻寬的好處不僅可以同時傳輸多通道圖像，還可以傳輸語音、控制信號或接點信號，有的甚至可以用一芯光纖通過特殊的光纖被動元件達到雙向傳輸功能。

(3) 抗干擾性強

光纖傳輸中的載波是光波，它是頻率極高的電磁波，遠遠高于一般電波通訊所使用的頻率，所以不受干擾，尤其是強電干擾，能與高壓電纜成束于一根臍帶纜中。同時，由于光波受束于光纖之內(nèi)，因此無輻射、對環(huán)境無污染、傳送信號無泄露。

(4) 安全性能高

光纖采用的玻璃材質(zhì)不導(dǎo)電，防雷擊。光纖傳輸不像傳統(tǒng)電路因短路或接觸不良而產(chǎn)生火花，由于臍帶纜水面接線箱往往布置在底層甲板臍帶纜懸掛法蘭附近，而這一區(qū)域一般為危險區(qū)，因此光纜在易燃易爆場合下特別適用，不需使用防爆接線箱。

(5) 重量輕，機械性能好

光纖尺寸小，重量輕，即使是多芯光纜，重量也不會因為芯數(shù)增加而成倍增長，而電纜的重量一般都與外徑成正比。由于光纜成本較低，可以根據(jù)監(jiān)控需求，設(shè)置多根光纜，在不改變臍帶纜直徑的條件下，盡可能的實現(xiàn)傳輸路徑的備用。

2 三種水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)控制與監(jiān)測傳輸模式的選型分析

前文描述了三種傳輸?shù)闹饕δ芤约皟?yōu)缺點，在進行傳輸模式選型時可由表1三種傳輸模式的主要特點來初步選定傳輸方案。

表1 三種傳輸模式的主要特點

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心，其傳輸模式的選取，是一個綜合的比選過程，需要考慮的因素還應(yīng)包括：(1) 水下生產(chǎn)系統(tǒng)的總體布置；(2) 油氣田生產(chǎn)操作的特點。

在傳輸方案確定之后，隨著總體方案以及詳細功能的逐步明確，在進行水下生產(chǎn)系統(tǒng)工程設(shè)計的不同階段，還需進行軟件建模計算、鏈路分析，以驗證整個傳輸系統(tǒng)可實施性與可靠性。

3 總結(jié)

隨著深水油氣開發(fā)經(jīng)過多年的發(fā)展，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)已形成了一些成熟的傳輸模式，該文僅從定性的角度對水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)控制與監(jiān)測傳輸模式的特點與選型進行分析，用來在概念設(shè)計與基本設(shè)計階段對傳輸模式進行比選。

[1] ISO 13628-1. IDT 石油天然氣工業(yè)水下開采系統(tǒng)的設(shè)計與操作 第1部分： 總體技術(shù)要求及推薦做法[S].1999.

[2] ISO 13628-4. IDT 石油天然氣工業(yè)水下開采系統(tǒng)的設(shè)計與操作 第4部分： 水下井口裝置和采油樹設(shè)備[S].1999.

[3] ISO 13628-5. IDT 石油天然氣工業(yè)水下開采系統(tǒng)的設(shè)計與操作 第5部分： 水下臍帶纜[S].1999.

[4] ISO 13628-6. IDT 石油天然氣工業(yè)水下開采系統(tǒng)的設(shè)計與操作 第6部分： 水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)[S].1999.

Research of Control and Monitor Mode of Subsea Control System

LIU Hua-jian

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

In the process of the application of the Marine resources development, both at home and abroad for deep-sea oil and gas field development and investment increased year by year, Subsea production system, with its characteristics of high efficiency and low cost has become the mainstream of deepwater development project model. and subsea production control system play a core role in the deep development of underwater production system. There are many different monitor transport pattern, different engineering companies choose the transfer mode is also different. In this paper several common monitoring transmission mode are described through the instance in detail, including several transfer mode and the application scope of the main characteristics and the analysis of the selection.

subsea product control system; transfer mode; modulation; PLC; optical fiber communication

2015-03-20

“十二五”國家科技重大專項(2011ZX05056)。

劉華建(1983-)，男，工程師。

1001-4500(2015)05-0005-04

P75

A