基于東海邊際氣田水下控制系統(tǒng)集成裝置研制

文/朱曉茵 毛英超

基于東海邊際氣田水下控制系統(tǒng)集成裝置研制

文/朱曉茵 毛英超

通過相關(guān)課題研究，依托國內(nèi)工程設(shè)計和加工制造能力，建成我國東海第一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)、適用于目標氣田的水下控制模塊裝置，完成水下控制模塊的設(shè)計和加工制造的技術(shù)儲備，初步掌握其設(shè)計和制造技術(shù)，培養(yǎng)技術(shù)隊伍，為東海邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)在中國的推廣奠定基礎(chǔ)。

水下控制模塊

水下控制系統(tǒng)可以分為：直接液壓系統(tǒng)(Direct Hydraulic Control System)、先導(dǎo)液壓系統(tǒng)(Piloted Hydraulic Control System)、順序電液復(fù)合式系統(tǒng)(Sequenced Hydraulic Control System)、硬線先導(dǎo)電液壓系統(tǒng)(Hard - wired Electrohydraulic Control System)、電液復(fù)合式系統(tǒng)(Multiplexed Electrohydraulic Control System)、全電系統(tǒng)(All-Electric Control System)。目前復(fù)合電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛，它以快速的響應(yīng)速度、高容量的數(shù)據(jù)反饋以及良好的靈活性和適應(yīng)性贏得了水下設(shè)計公司的一致認可。預(yù)計在很長一段時間內(nèi)，復(fù)合電液控制系統(tǒng)仍是水下控制系統(tǒng)的主流方式。

水下控制模塊是復(fù)合電液控制系統(tǒng)核心設(shè)備之一，負責水下井口生產(chǎn)油氣流的輸送控制。由于各個油氣田的油氣藏開發(fā)方案、井口布置方案的不同，相應(yīng)的水下控制模塊也各不相同，需要根據(jù)開發(fā)方案、功能要求、技術(shù)參數(shù)，乃至應(yīng)用環(huán)境等需求與條件單獨設(shè)計、制造。尤其在邊際油氣田開發(fā)中，不僅要考慮其安全性、可靠性，而且還得從“邊際性”特點出發(fā)，實現(xiàn)液壓設(shè)施的集成化和輕量化。項目以水下控制模塊作為研究對象，開展設(shè)計及樣機研制工作。

總體設(shè)計及具體實施

項目水下控制系統(tǒng)包括水下控制系統(tǒng)和水面控制及監(jiān)視系統(tǒng)。主要參數(shù)包括：設(shè)計水深350米；設(shè)計壓力高壓5000psi、低壓3000psi；設(shè)計溫度10～60℃；控制井數(shù)1～3口；控制距離3～7km；響應(yīng)時間≤10min（單井開關(guān)）。

建造完畢后，整個水下控制模塊系統(tǒng)固定在管匯上，用于控制水下管匯以及水下采油樹上閥門的開關(guān)動作，同時監(jiān)測各單井的水下壓力及溫度變化；水上部分布置在石油平臺上，通過電液混合纜與水面控制系統(tǒng)連接。

水下控制模塊結(jié)構(gòu)采用316L不銹鋼殼體包裹元器件設(shè)計，通過其自鎖裝置集成在水下管匯結(jié)構(gòu)中間，它使用一根電液復(fù)合的混合纜，將平臺上部的控制信號通過水下管匯ROV操作面板傳輸至水下控制模塊，同時將海底各井壓力溫度情況反饋回平臺。

液壓系統(tǒng)設(shè)計部分，控制原理如下：

1．正常工作：主控制閥1得電，高壓油經(jīng)過閥1和閥5流向油缸無彈簧腔，推動油缸運動；油缸有彈簧腔的低壓液壓油經(jīng)閥2后，流回T口。主控制閥1失電，油缸無彈簧腔油壓降低，油缸在彈簧的作用下，活塞向無彈簧腔運動，液壓油經(jīng)過閥5和閥1流向T口，此時T口油經(jīng)過閥2流向油缸有彈簧腔。油缸復(fù)位至初始位置。

2．閥1長時間得電，失電后不復(fù)位：主控制閥1得電，高壓油經(jīng)過閥1和閥5流向油缸無彈簧腔，推動油缸運動；油缸有彈簧腔的低壓液壓油經(jīng)閥2后，流回T口。由于長時間電磁閥1處于工作狀態(tài)，閥芯由于各種原因卡死，閥1失電，閥芯不歸位，導(dǎo)致油缸沒有辦法復(fù)位至初始位。此時開啟閥2，閥2出口得到高壓液壓油，控制閥3關(guān)閉，高壓油不在給閥1供油；閥6開啟單向閥。高壓油經(jīng)過閥3進入油缸有彈簧腔，推動活塞向無彈簧腔運動；無彈簧腔中液壓經(jīng)過閥6和閥3，流向T口。油缸復(fù)位至初始位。如果油缸想向有彈簧腔運動，只需關(guān)閉閥2，油缸就可以運動至有彈簧腔。閥2得電，油缸就可以復(fù)位。

3．閥1得電或者閥1電磁閥斷路后，閥芯無動作：閥1無法正常工作，此時開啟閥3，閥3出口得到高壓液壓油，控制閥5換向，高壓液壓油經(jīng)過閥3和閥5、閥6，流向油缸無彈簧腔。推動油缸運動；油缸有彈簧腔的低壓液壓油經(jīng)閥2后，流回T口。閥3失電，閥5復(fù)位，閥5的2口和3口通。油缸無彈簧腔油壓降低，油缸在彈簧的作用下，活塞向無彈簧腔運動，液壓油經(jīng)過閥5和閥1流向T口，此時T口油經(jīng)過閥2流向油缸有彈簧腔。油缸復(fù)位至初始位置。

水面液壓系統(tǒng)設(shè)計部分，水面液壓系統(tǒng)主要為水下控制系統(tǒng)提供壓力源，不做主驅(qū)動源，故要滿足系統(tǒng)要求的工作壓力。考慮海上使用需要耐腐蝕的環(huán)境，液壓油箱采用全封閉式316不銹鋼制作，避免腐蝕及微粒雜質(zhì)及水汽進入油箱導(dǎo)致工作油污染。水面液壓泵站外設(shè)保護架，避免船舶晃動過程中，碰傷液壓泵站。

水下液壓系統(tǒng)設(shè)計部分，整個液壓系統(tǒng)由4組高壓（5000psi）；12組低壓（3000psi）液壓通道組成，每一個液壓通道均有壓力傳感器監(jiān)測，兩個2.75L的補償器使箱體內(nèi)外壓平衡處理，解決箱體耐壓及防水問題。

水下控制系統(tǒng)電控設(shè)計部分，水下控制系統(tǒng)的電控部分由電源、水面控制計算機、控制面板組成、通訊模塊組成，水下部分由電源模塊、絕緣檢測、漏水檢測、采集板、電磁閥驅(qū)動板等組成。整個系統(tǒng)采用一用一備熱冗余形式組成，通過監(jiān)控，實時切換。

水面控制計算機下發(fā)指令，并顯示水下生產(chǎn)系統(tǒng)的整體運行狀況；水下控制部分采集生產(chǎn)系統(tǒng)各處溫度、壓力、流量計等傳感器信號，同時對控制系統(tǒng)本身的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，如：電壓、電流、電源對地絕緣情況、電磁閥執(zhí)行指令結(jié)果等，并對可能存在的密封艙、充油艙等的漏水進行監(jiān)測，保證作業(yè)人員及時了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

由于系統(tǒng)位于水下，系統(tǒng)的檢測維修都存在若干不便，且故障時耗費時間影響系統(tǒng)整體作業(yè)時間和效率。本系統(tǒng)的水下控制部分采用雙機熱備方式，即存在兩路完全相同的控制驅(qū)動系統(tǒng)，互相之間隔離，分別采用不同的通訊地址。當一路控制部分系統(tǒng)故障或與上位機通信異常，或者電磁閥驅(qū)動板執(zhí)行結(jié)果異常時，上位機將停止與此路控制部分通訊交互，轉(zhuǎn)而與另一路備用系統(tǒng)建立通訊。另外，電磁閥驅(qū)動部分也采用了充分的備用通道，針對電磁閥故障也可切換至備用通道。

電路設(shè)計部分，系統(tǒng)采用水面供電，交流220V，傳輸500米至水下部分的電子艙；再經(jīng)轉(zhuǎn)換后提供各部分需要的各種低壓直流。

輸入的220VAC先轉(zhuǎn)換為300VDC，再經(jīng)DC/ DC轉(zhuǎn)換為兩路隔離的24VDC，一路24VDC作為傳感器、主控板電源，并轉(zhuǎn)換為5V供應(yīng)絕緣檢測板等電路；一路24VDC供應(yīng)電磁閥驅(qū)動板。電源設(shè)計中DC/DC均為具為隔離電源，以使相應(yīng)后級電路完全隔離。

絕緣檢測板對每路電源的電壓、電流和對地絕緣情況進行檢測，并響應(yīng)上位機查詢；主控板獲取各路壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器信號，執(zhí)行上位機控制指令，并上傳指令執(zhí)行結(jié)果和各檢測信號；電磁閥驅(qū)動板執(zhí)行主控板轉(zhuǎn)發(fā)的控制指令，并檢測執(zhí)行結(jié)果，再反饋給主控板。

主控板與電磁閥驅(qū)動板之間以RS232通信，絕緣檢測板與主控板通過RS485經(jīng)500米混合纜傳至水面控制臺。

控制電路系統(tǒng)采集兩個溫壓傳感器（共四路電流信號）、7路壓力信號（電壓信號）、2個流量計信號（電流信號）；另外作為水下作業(yè)控制電路，有必要對環(huán)境進行實時監(jiān)測以避免密封艙漏水，控制板上設(shè)計有4路漏水檢測信號，分別接至不同檢測位置。另外，作為以后可能的擴展，板卡上設(shè)計了實時時鐘電路和SD卡存貯電路，設(shè)計了備用的4路RS232，以及一路備用的RS485接口。

液壓驅(qū)動電路，由于電磁閥驅(qū)動在開關(guān)瞬間會產(chǎn)生干擾脈沖，為避免驅(qū)動輸出對控制部分的影響，前后級采用光耦隔離的控制方式；前端采用大功率MOS管作為驅(qū)動輸出。板卡設(shè)計了豐富的冗余驅(qū)動通道。

控制臺面板電路，為便于操作，控制柜面板上設(shè)置5個帶燈按鈕，分別用來控制不同電磁閥。板卡分別采集5路IO量以及輸出5路24V，供驅(qū)動面板指示燈。板卡與計算機之間通過RS485通信，與掛接在下位機通信的同一對雙絞線上。

下位機控制系統(tǒng)，考慮到電路功能備份，采用兩套相同的控制板和驅(qū)動板，采用的也是互相隔離的電源，通過軟件協(xié)調(diào)，在一塊電路板發(fā)生故障情況下自動切換至另一路控制系統(tǒng)工作。

系統(tǒng)除完成項目需求功能外，還提供豐富的備用數(shù)字、模擬接口，以備外接傳感器和其他執(zhí)行部件。

軟件設(shè)計部分：電磁閥驅(qū)動板軟件設(shè)計，電磁閥驅(qū)動板采用STM32F103系列的ARM處理器，采用嵌入式實時操作系統(tǒng)RTX，內(nèi)建多個工作任務(wù)，分別執(zhí)行接收控制板指令、執(zhí)行狀態(tài)檢測等工作。

串口中斷接收來自控制板的指令，收到完整指令后向主任務(wù)發(fā)送事件，主任務(wù)開始執(zhí)行，并收集執(zhí)行結(jié)果，最后打開串口發(fā)送中斷，講執(zhí)行結(jié)果反饋給控制板并最終在上位機界面得以顯示。

控制板軟件設(shè)計，控制軟件基于FreeRTOS實時操作系統(tǒng)編寫，主要分為AD采集、與上位機通信、漏水檢測、驅(qū)動板通信四個任務(wù)。所有通信收發(fā)采用中斷方式，收到完整信息幀后，向相關(guān)任務(wù)發(fā)送事件信號；相關(guān)任務(wù)收到事件信息后，對信息數(shù)據(jù)進行處理，并反饋相應(yīng)信息。

接收指令的中斷程序檢查收到的字符并判斷是否收到完整指令串，若是，則給處理任務(wù)發(fā)信號量，否則繼續(xù)監(jiān)視數(shù)據(jù)流，尋找正確的指令數(shù)據(jù)流。

上位機控制軟件設(shè)計，上位機采用C#開發(fā)，設(shè)立兩個定時器，一個處理下位機回傳數(shù)據(jù)的解析和顯示，另一個處理各種介面操作和下發(fā)控制指令。顯示內(nèi)容包括六個壓力傳感器數(shù)據(jù)、2個高精度溫壓傳感器數(shù)據(jù)以及兩路流量計信號。主控制界面，包含了了豐富的工作狀態(tài)信息和控制電路本身及工作環(huán)境信息，便于作業(yè)人員及時了解工作情況并作出相應(yīng)處置。

水面控制柜設(shè)計部分：配電系統(tǒng)，水面采用380VAC供電，經(jīng)充油纜傳輸至水下控制部分，再采用Vicor的電源模塊轉(zhuǎn)換為24VDC，供應(yīng)水下控制采集部分和驅(qū)動部分電源。

水下控制系統(tǒng)，采用32位ARM處理器STM32F4的控制模塊，雙機熱備（此處簡稱A、B），設(shè)初始時A為輔機，平時處于偵聽狀態(tài)；B為工作主機，采集數(shù)據(jù)傳輸并執(zhí)行上位機動作指令。當A收不到B的信號時，A認為B處于異常，將B復(fù)位，若仍未得到B信號，則認為B損壞不能工作；此時切換至A負責數(shù)據(jù)采集和控制。為確保信號執(zhí)行，每路輸出均設(shè)置反饋。

軟件功能包括：圖像顯示各個傳感器數(shù)據(jù)信息；操控各路電磁閥動作；提示溫度、壓力、漏水、絕緣等報警信息；記錄傳感器數(shù)據(jù)信息。

水面配電柜的外殼選用NEMA 4X IP65型不銹鋼外殼，能非常好的抵抗外界氣候變化和振動。它的前面板，即供人打開執(zhí)行操作的地方，有一個不受天氣影響的墊圈，能抵御其他所有外部泄漏。固定在水面控制柜內(nèi)的部件通過自鎖螺母和密封膠固定。雖然外殼不受氣候干擾，配電柜還是需要在干燥、室溫條件下進行安裝。

邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)將顯現(xiàn)其重要性

項目主要針對邊際氣田而開展，結(jié)合東海邊際氣田的實際情況進行研究，國內(nèi)重點突破了水下控制系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，使得儲量5億方以下的邊際氣田具有經(jīng)濟開發(fā)價值。

總體上，隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)在海上油田開發(fā)中的逐步應(yīng)用，水下生產(chǎn)系統(tǒng)，尤其是邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要性將會進一步的顯現(xiàn)出來。通過對水下控制系統(tǒng)研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)問題開展進一步的攻關(guān)，不僅可以帶動國內(nèi)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研究工作，為我國的油氣田開發(fā)工作服務(wù)，而且可以進一步為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用、性能評價、維修和產(chǎn)業(yè)化等奠定基礎(chǔ)，同時也必將產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

（作者朱曉茵就職于上海石油天然氣有限公司，作者毛英超就職于上海利策海洋工程技術(shù)有限公司）