長距離水下生產復合電液控制系統(tǒng)電力分析與設計*

胡意茹 魏 澈 李 強 劉國鋒 張 昊 洪 毅

(中海油研究總院 北京 100028)

長距離水下生產復合電液控制系統(tǒng)電力分析與設計*

胡意茹 魏 澈 李 強 劉國鋒 張 昊 洪 毅

(中海油研究總院 北京 100028)

隨著回接距離增加，水下生產控制系統(tǒng)面臨著低壓長距離輸電的新挑戰(zhàn)。根據二端口網絡和均勻傳輸線理論，建立了基于Matlab/Simulink的長距離水下生產復合電液控制系統(tǒng)單相交流和直流電力仿真模型。通過與文昌9-2/9-3/10-3項目電力分析報告和倒推法計算結果對比，驗證了本文模型的正確性，彌補了SimulationX水下電力庫只能進行單相交流仿真的缺陷。應用本文仿真模型得到了單相交流和直流2種不同供電方式下的建議設計方案，對比了單相交流和直流2種供電方式的優(yōu)缺點及適用范圍。本文所形成的水下生產控制系統(tǒng)電力分析建模方法和設計流程，對我國后續(xù)類似工程項目具有一定的借鑒意義。

長距離水下生產復合電液控制系統(tǒng)；電力分析；二端口網絡；均勻傳輸線理論；電力仿真模型；供電方案設計

在深水油氣田的勘探開發(fā)中，水下生產系統(tǒng)承擔著油氣的產出、處理和輸送等多種功能。水下控制系統(tǒng)是保證水下生產系統(tǒng)協(xié)調運行的中樞，它可控地將油氣從海底輸送到水面依托設備或陸上終端，是實現水下生產系統(tǒng)和水面設施溝通的橋梁[1]。水下生產控制系統(tǒng)一般分為直接液壓控制、先導液壓控制、順序液壓控制、直接電液控制、復合電液控制和全電控制等幾種類型[2-3]。目前國內外僅有少數學者針對水下控制系統(tǒng)電力分析設計展開研究。文獻[4-5]采用倒推計算法，將海纜假設為純電阻，從末端負載電壓往前推算合適的供電電壓和功率。文獻[6]通過建立π型等值電路模型進行水下生產控制系統(tǒng)供電電壓降落分析和方案設計。隨著我國油氣勘探開發(fā)向著深海、遠海的戰(zhàn)略轉移，水下生產系統(tǒng)回接距離顯著增加，有必要考慮長距離海纜充電功率的影響，進行更加精準的動態(tài)電力分析仿真。此外，目前尚無針對水下生產控制系統(tǒng)交流、直流2種供電方式各自優(yōu)缺點和適用范圍的全面深入研究，水下控制系統(tǒng)交直流供電方案選擇時缺乏強有力的理論支撐。針對上述情況，本文建立了基于 Matlab/Simulink的長距離水下生產復合電液控制系統(tǒng)單相交流和直流電力仿真模型，通過與文昌9-2/9-3/10-3項目電力分析報告和倒推法計算結果對比，對模型正確性進行了驗證，應用本文仿真模型得到了單相交流和直流2種不同供電方式下的建議設計方案，并對比分析了2種供電方式的優(yōu)缺點及適用范圍，從而為我國后續(xù)水下生產項目電力分析提供了借鑒經驗。

1 復合電液控制系統(tǒng)電力分配

復合電液控制系統(tǒng)主要由水上設施和水下設施組成，其中水上設施包括主控站(MCS)、不間斷電源(UPS)、液壓動力單元(HPU)、電力單元(EPU)、水上臍帶纜終端(TUTA)，水下設施包括臍帶纜、水下臍帶纜終端(SUTU)、管匯(Manifold)、水下控制模塊(SCM)、電力飛線(EFL)和液壓飛線(HFL)等[7-8]。

本文提出的典型長距離復合電液控制系統(tǒng)電力分配如圖1所示，圖中主臍帶纜長度75 km,是本文為方便研究長距離水下控制系統(tǒng)而自行設定的。其中，水面上的UPS可以同時為MCS、EPU和HPU供電；EPU通過控制臍帶纜中的電纜和SUTU為水下控制系統(tǒng)供電。位于采油樹(XTree)上SCM中的水下電子模塊(SEM)經EFL接收來自上部的電力，并將其轉換成符合不同電氣設備(電磁換向閥、傳感器等)要求的電力形式，從而保證水下生產控制系統(tǒng)的電力供應和正常運行。由此可見，SEM是復合電液控制系統(tǒng)的主要電力負荷。Cameron公司采用的交流和直流SEM的電力參數如表1所示。

圖1 本文建立的典型長距離復合電液控制系統(tǒng)電力分配示意圖

表1 Cameron公司采用的交流和直流SEM電力參數表

注：重載工況、輕載工況分別為SEM中的調制解調器處于信號發(fā)送狀態(tài)和信號接收狀態(tài)。

2 復合電液控制系統(tǒng)電力仿真模型的建立

2.1 系統(tǒng)等效電力模型

水下生產控制系統(tǒng)電力分析時，重點關注EPU和SEM處電壓、電流之間的關系，表征這種相互關系的參數取決于水下生產系統(tǒng)的拓撲結構、供電形式和電纜類型等。針對水下電力系統(tǒng)電路特點，本文采用如圖2所示的二端口網絡法[9]進行分析建模。

圖2 復合電液控制系統(tǒng)等效二端口網絡

圖2中給出了端口1-1’和2-2’處的電流、電壓向量參考方向，二者之間的相互關系可以寫成式(1)所示的矩陣形式，即

(1)

(2)

其中，參數A、B、C、D可按式(3)～(6)計算或試驗測量求得。

(3)

(4)

(5)

(6)

本文研究的水下生產控制電力系統(tǒng)中，T矩陣代表輸電線路(即控制臍帶纜中的電纜)，其二端口模型典型的傳輸線是由在均勻媒質中放置的2根平行直導體構成。按照均勻傳輸線理論，可將輸電線路看成由無數個長度為dx的小段組成，若單位長度導線的電阻及電感分別為R0(單位：Ω/km)和L0(單位：H/km)，單位長度導線之間的電容及電導分別為C0(單位：F/km)和G0(單位：S/km)，則輸電線路等效電路如圖3所示，此時輸電線路二端口T參數矩陣方程可表示為

圖3 基于均勻傳輸線理論的輸電線路等效電路

(7)

式(7)中：x為輸電線路長度，m；γ為傳播常數;Zc為特性阻抗。γ和Zc稱為傳輸線路的副參數，可用于表征均勻傳輸線的主要特性。式(7)中雙曲函數定義為

(8)

(9)

傳播常數γ是一個復數，其中實部α稱為衰減常數(單位:dB/m)，表示入射波和反射波沿線的衰減特性；虛部β稱為相位常數(單位:rad/m),表示入射波和反射波沿線的相位變化特性。若已知輸電線路的原參數R0、L0、C0和G0值，就可根據式(10)、(11)求得其傳播常數γ和特性阻抗Zc。

(10)

(11)

輸電線路的原參數R0、L0、C0和G0值通常由電纜廠家提供。Cameron公司提供的常用水下臍帶纜電纜參數如表2所示，其中電導G0由于數值非常小(為10-9S/m)，在實際運算過程中往往忽略不計。

表2 Cameron公司提供的不同截面積的控制臍帶纜電纜特征參數表

2.2 系統(tǒng)模型搭建方法

在上述理論分析基礎上，采用Matlab/Simulink R2013a中SimPowerSystems庫搭建水下電力系統(tǒng)模型，具體方法如下：

1) EPU采用正弦交流電壓源表示，內阻設為2Ω；

2) 采用PI型等效電路模塊表征臍帶纜電纜的電氣特性，忽略短距離EFL對電力系統(tǒng)的影響；

3) 采用受控電流源表示SEM，通過調節(jié)該受控電流源的輸出電流，使SEM功率和功率因數始終為表1中規(guī)定值；

4) 在初始0.2s時間段內增加20%功率需求，模擬每臺SEM的開啟工況。

電力系統(tǒng)設計通常是在極端工況下進行分析計算，以保證各種工況的用電需求都能得到滿足。本文建立的水下生產復合電液控制系統(tǒng)采用“輪詢”方式實現水上水下通信，其極端用電工況為一臺SEM處于信號發(fā)送狀態(tài)(重載工況)，其余SEM均處于信號接收狀態(tài)(輕載工況)。

2.3 系統(tǒng)模型正確性驗證

2.3.1 交流模型正確性驗證

文昌9-2/9-3/10-3項目中，主臍帶纜長23 km,電纜橫截面積16 mm2,EPU輸出電壓為單相交流673 V。將本文所建立的模型應用于文昌項目，其分析結果與SimulationX水下電力庫計算結果對比如表3所示，二者之間的誤差在可接受范圍內，證明了本文所建立的交流模型的正確性。

表3 本文模型分析結果與Simulation X水下電力庫結果對比

2.3.2 直流模型正確性驗證

文獻[4-5]采用倒推法從末端SEM電壓往前推算首端EPU電壓,計算時假設水下電纜和SEM均為純阻性，不考慮電纜之間電感、電容對分析結果的影響。該方法雖然對長距離交流電力分析不夠精確，但適用于不受電容影響的直流電力分析，其計算公式為

(12)

式(12)中:Vm為前一節(jié)點電壓，V;Vn為后一節(jié)點電壓，V;Pn為后一節(jié)點功率，W;Lmn為兩節(jié)點間距離，km;R0為電纜單位長度電阻，Ω/km。

針對圖1所示的水下生產系統(tǒng)拓撲結構，采用表1中直流SEM電力參數及表2中16mm2電纜電阻值，根據上述倒推法求得極端工況下EPU輸出電壓、電流。本文所建立的直流模型分析結果與倒推法計算結果對比如表4所示，二者之間的誤差在可接受范圍內，證明了本文所建立的直流模型的正確性。

表4 本文模型與倒推法分析結果對比

3 交直流供電方案對比分析

水下生產復合電液控制系統(tǒng)電力分析設計主要是針對已有的水下生產系統(tǒng)拓撲結構，在控制系統(tǒng)電力負荷計算基礎上，選擇供電方式(交流還是直流)，并確定合適的電纜尺寸以及相應的EPU額定電壓、額定電流和額定容量等關鍵參數，因此所設計的電力系統(tǒng)應滿足如下操作限制條件：

1) SEM輸入電壓應在表1所示的正常工作電壓窗內;

2) 臍帶纜上壓降不應超過EPU供電電壓的30%;

3) EPU輸出電壓波動不應超過其額定電壓的±10%。

3.1 單相交流供電方案

采用表1、2提供的數據，應用本文仿真模型得到的單相交流供電方式下EPU輸出電壓與SEM輸入電壓的關系曲線如圖4所示。從圖4可以看出：

1) 當采用20 mm2電纜時，為使SEM工作在額定輸入電壓等級(575 V，AC)，得到的EPU額定輸出電壓(AC)為744 V。由于EPU輸出電壓波動(±10%)導致的SEM輸入電壓(AC)波動范圍為470～673 V，滿足表1中規(guī)定的SEM交流正常工作電壓窗。但當EPU工作在輸出電壓(AC)下限670 V(額定電壓-10%)時，臍帶纜壓降增大至29.85%，工作在限制條件的極限狀態(tài)。

圖4 應用本文仿真模型得到的單相交流供電方式下EPU-SEM電壓關系曲線圖

2) 當采用25 mm2電纜時，為使SEM工作在額定輸入電壓等級(575 V,AC)，得到的EPU額定輸出電壓(AC)為694 V。由于EPU輸出電壓波動(±10%)產生的SEM輸入電壓(AC)波動范圍為486～661 V，滿足表1中規(guī)定的SEM交流正常工作電壓窗。同時，當EPU工作在輸出電壓(AC)下限625 V(額定電壓-10%)時，臍帶纜壓降最大為22.24%，滿足限制條件要求。

根據上述分析，在單相交流供電方式下，從臍帶纜壓降限制條件角度考慮，建議至少采用25 mm2電纜，此時EPU額定電壓(AC)為694 V，額定電流(AC)為2.4 A，額定容量(AC)為1 661 W,功率因數為0.59。圖5給出了該建議方案下關鍵參數動態(tài)變化曲線(注意前0.2 s內增加了20%功率需求，以模擬每臺SEM的開啟工況)，可見啟動電流比穩(wěn)態(tài)電流顯著增大，因此對電纜載流量的選型應參考該啟動電流值，而非穩(wěn)態(tài)值。

3.2 直流供電方案

采用表1、2提供的數據，應用本文仿真模型得到直流供電方式下EPU輸出電壓與SEM輸入電壓的關系曲線如圖6所示。從圖6可以看出：

1) 當采用16 mm2電纜時，為使SEM工作在額定輸入電壓等級(827 V,DC)，得到的EPU額定輸出電壓(DC)為1 010 V。由于EPU輸出電壓波動(±10%)產生的SEM輸入電壓(DC)波動范圍為690～952 V，滿足表1中規(guī)定的SEM直流正常工作電壓窗。當EPU工作在輸出電壓(DC)下限909 V(額定電壓-10%)時，臍帶纜最大壓降為24.09%，滿足限制條件要求。

圖5 應用本文仿真模型得到的EPU輸出功率、電壓、電流及SEM輸入電壓曲線(25 mm2電纜,AC供電方式)

圖6 應用本文仿真模型得到的直流供電方式下EPU-SEM電壓關系曲線圖

2) 當采用20 mm2電纜時，為使SEM工作在額定輸入電壓等級(827 V,DC)，得到的EPU額定輸出電壓(DC)為983 V。由于EPU輸出電壓波動(±10%)產生的SEM輸入電壓(DC)波動范圍為701～944 V，滿足表1中規(guī)定的SEM直流正常工作電壓窗。同時，當EPU工作在輸出電壓(DC)下限885 V(額定電壓-10%)時，臍帶纜最大壓降為20.79%，滿足限制條件要求。

根據上述分析，在直流供電方式下，16 mm2和20 mm2電纜均能滿足要求，但從經濟性角度考慮，建議至少采用16 mm2電纜，此時EPU額定電壓(DC)為1 010 V，額定電流(DC)為1.03 A，額定容量為1 038 W。圖7給出了該建議方案下關鍵參數動態(tài)變化曲線(注意前0.2 s內增加了20%功率需求，以模擬每臺SEM的開啟工況)，可見啟動電流比穩(wěn)態(tài)電流顯著增大，因此對電纜載流量的選型應參考該啟動電流值，而非穩(wěn)態(tài)值。

圖7 應用本文仿真模型得到的EPU輸出功率、電壓、電流及SEM輸入電壓曲線(16 mm2電纜，DC供電方式)

3.3 交直流供電方案對比

根據前述分析，應用本文仿真模型得到的單相交流和直流2種供電方式下建議方案的關鍵設計參數對比如表5所示。由表5可知，直流供電所需電纜尺寸比交流供電小，所需臍帶纜費用更低。另一方面，由于直流SEM額定工作電壓(827 V,DC)高于交流SEM額定工作電壓(575 V,AC)，故EPU直流供電電壓也相應地高于交流供電電壓，從而導致較低的直流EPU額定電流和臍帶纜壓降。

表5 應用本文仿真模型得到的單相交流和直流供電建議方案的關鍵設計參數對比

針對相同尺寸電纜(20 mm2)，保證SEM工作在額定電壓等級的前提下，改變臍帶纜長度，對比單相交流和直流2種供電方式下系統(tǒng)在臍帶纜壓降和傳輸效率方面的差異(圖8)。由圖8可以看出：①單相交流和直流2種供電方式下的臍帶纜壓降均隨著臍帶纜長度的增加而增加，相同臍帶纜長度下直流供電的臍帶纜壓降始終小于單相交流供電的臍帶纜壓降。②單相交流和直流2種供電方式下的電力傳輸效率均隨著臍帶纜長度的增加而降低，相同臍帶纜長度下直流供電的傳輸效率始終高于單相交流供電的傳輸效率，且這種優(yōu)勢隨著臍帶纜長度增大而顯著增加，這主要是由于海底電纜本身具有較高的電容值，單相交流供電方式下會產生無功充電功率，交流輸電系統(tǒng)功率因數往往也較低。

圖8 應用本文仿真模型得到的單相交流和直流供電方式下臍帶纜壓降和電力傳輸效率對比圖

由此可見，與交流供電方案相比，該水下生產控制系統(tǒng)采用直流供電方案具有臍帶纜壓降低、電力傳輸效率高等優(yōu)點，而且輸電距離越長，直流輸電的優(yōu)越性越明顯。但是，當回接距離較短時，建議水下生產控制系統(tǒng)仍采用交流供電方案，以避免配置換流器等環(huán)節(jié)。

4 結束語

采用二端口網絡和均勻傳輸線理論，建立了基于Matlab/Simulink的長距離水下生產復合電液控制系統(tǒng)單相交流和直流電力仿真模型，通過與文昌9-2/9-3/10-3項目電力分析報告和倒推法對比驗證了本文模型的正確性，給出了單相交流和直流2種不同供電方式下的建議設計方案，并對比分析了2種不同供電方式的優(yōu)缺點及適用范圍。本文所形成的水下生產控制系統(tǒng)電力分析方法和設計流程，對我國后續(xù)類似水下生產項目電力分析具有一定的借鑒意義。

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(編輯：呂歡歡)

Electrical analysis and design of long-distance subsea production electro-hydraulic control systems

Hu Yiru Wei Che Li Qiang Liu Guofeng Zhang Hao Hong Yi

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

As the tieback distance gets longer, subsea production control system is facing the new challenge of low-voltage power transmission over long distance. Based on the two-port network and uniform transmission line theory, a dynamic simulation model for both single-phase AC and DC electricity of subsea electro-hydraulic control systems were developed using Matlab/Simulink. The correctness of the proposed model has been verified by comparing the results of the model with that of existing WC 9-2/9-3/10-3 electrical analysis report and traditional reverse deduction method, thus making up the defect of SimulationX’s subsea electrical library which can only be used to conduct AC electrical analysis. Schemes for single phase AC and DC power supply have been proposed, and the pros and cons, as well as the scope of application of the two power supply modes have been illustrated. The systematic electrical modeling approach and design procedures for subsea production control systems established herein have essential reference significance for upcoming similar projects.

long distance subsea electro-hydraulic control system; electrical analysis; two-port network; uniform transmission line theory; electrical simulation model; power supply mode design

胡意茹，女，2014年畢業(yè)于中國石油大學(北京),獲碩士學位，現從事海洋石油平臺電氣設計工作。地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院(郵編：100028)。E-mail:huyr3@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)01-0139-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.022

TE952

A

2015-05-21 改回日期：2015-08-20

*國家高新技術研究發(fā)展計劃(863計劃)“油田群智能配網綜合集成與示范(編號：2012AA050216)”、“十二五”國家科技重大專項 “水下控制系統(tǒng)與水下閥門及執(zhí)行機構關鍵技術(編號：2011ZX05026-003-01)”部分研究成果。

胡意茹,魏澈,李強，等.長距離水下生產復合電液控制系統(tǒng)電力分析與設計[J].中國海上油氣，2016,28(1)：139-145.

Hu Yiru,Wei Che,Li Qiang,et al.Electrical analysis and design of long-distance subsea production electro-hydraulic control systems[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(1):139-145.