水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)電源及通信分析

梁 斌

(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

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水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)電源及通信分析

梁 斌

(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

為驗證包含冗余電力載波通信的臍帶纜中的電源是否符合要求，以復合電液水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)為研究對象，針對8棵水下采油樹、1個水下生產(chǎn)終端管匯、1個水下生產(chǎn)中心管匯、1個水下臍帶纜終端單元、1條15 km主臍帶纜、2條油田內(nèi)部臍帶纜和8根60 m的電飛纜組成的水下復合電液式水下控制系統(tǒng)進行了水下控制模塊功率計算，BPSK通信計算以及電源、通信分析，并且通過Matlab/Simulink模型進行了仿真，仿真結(jié)果滿足設計要求。為采用復合電液水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的水下油氣田國產(chǎn)化開發(fā)積累了經(jīng)驗。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；復合電液控制；電力載波通信；臍帶纜；仿真

0 引言

在海洋油氣資源的開采中，從水面生產(chǎn)平臺到水下采油系統(tǒng)涉及到很多技術(shù)領域。在海洋油氣田 ( 特別是深水油氣田) 的勘探開發(fā)中，油、氣的產(chǎn)出、處理和輸送等均通過水下生產(chǎn)系統(tǒng)完成。水下生產(chǎn)系統(tǒng)[1]是深水油氣田的重要開發(fā)模式之一，是海洋油氣資源開發(fā)的一種新技術(shù)。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展[2-4]經(jīng)歷了直接液壓控制、先導液壓控制、順序液壓控制、直接電液控制和復合電液控制等幾個重要階段。其中，復合電液控制是目前的主流控制方式，尤其適用于深水、大型油氣田的開發(fā)。

復合電液控制系統(tǒng)構(gòu)成的最大特點[5]是具備電力單元和水下微處理電子模塊(Subsea Electronic Mo-dule，SEM)，將主控中心(Master Control Station，MCS)發(fā)出的指令通過電源動力單元(Electric Power Unit，EPU)中的調(diào)制解調(diào)器進行編碼、壓制并加載到臍帶纜中的動力電纜中進行電力載波傳輸，水下控制模塊(Subsea Control Module，SCM)內(nèi)部SEM的調(diào)制解調(diào)器對MCS命令的解碼、運算、傳達和執(zhí)行，對采油樹閥門進行控制，同時SCM對水下設備的監(jiān)測儀表數(shù)據(jù)進行采集、分析和上傳。這就意味著復合電液系統(tǒng)將會更多地涉及供配電和電源消耗方面的問題。當水下油氣井為氣井或自噴井時，在油氣田生產(chǎn)初期只有水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)需要供電[6]。本文通過對復合電液水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)電功率和通信系統(tǒng)的常規(guī)分析，驗證包含冗余電力載波通信的臍帶纜中的電源是否符合要求。

1 復合電液水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)組成

復合電液控制包括水上和水下2個組成部分，其中水上部分有：MCS，不間斷電源(Uninterrupted Power Supply，UPS)，EPU，液壓動力單元(Hydraulic Power Unit，HPU)，化學藥劑單元(Chemical Injection Unit，CIU)，臍帶纜上部終端總成(Topside Umbilical Termination Assembly，TUTA)和應急關(guān)斷系統(tǒng)(Emergency Shut Down，ESD)等；水下部分[7-9]有：水下臍帶纜終端單元(Subsea Umbilical Termination Unit，SUTU)，水下臍帶纜終端接頭(Umbilical Termination Head，UTH)，液壓分配單元(Hydraulic Distribution Unit，HDU)，電氣分配單元(Electrical Distribution Unit，EDU)和水下控制模塊(SCM)等。圖1為復合電液水下控制系統(tǒng)框圖。 從圖1可以看出：EPU提供了MCS和SCM之間的通信接口和電力供應，為每個SCM提供雙電力供應和通信通道；EPU將信號加載在動力線路上與SCM進行通信，在平臺上由UPS供電，然后通過臍帶纜向包括SEM，電磁換向閥和壓力溫度傳感器等水下設備提供動力電源。

圖1 復合電液水下控制系統(tǒng)圖

EPU不僅能為水面的MCS，HPU，CIU和水下的SCM等設備提供雙通道電源，并且可以通過其內(nèi)部設置的調(diào)制解調(diào)器，實現(xiàn)MCS和SCM的電力載波通信。EPU內(nèi)部的冗余模塊(A/B)單獨連接到單相交流220 V，頻率50/60 Hz的UPS電源。EPU設計為一個全封閉的標準19英寸含有機架隔間的機柜，輸出電路包括主電源電路、水線以上部分輸出模塊和水下輸出模塊。EPU內(nèi)部放置升壓隔離變壓器、線路絕緣監(jiān)測儀表、電壓和電流監(jiān)測儀表、短路保護和相關(guān)的控制和儀表。

2 目標油田基本參數(shù)設定

假設目標油田主要水下設備包括：8棵水下采油樹，1個水下生產(chǎn)終端管匯(Pipe Line End Manifold，PLEM)，1個水下生產(chǎn)中心管匯，1個SUTU，1條15 km主臍帶纜，2條油田內(nèi)部臍帶纜，8根60 m的電飛纜(Electrical Flying Lead，EFL)，1條約30 km的海底管線。系統(tǒng)采用690 V交流電源(50 Hz)供電，SCM與MCS通信通過電力載波(二進制相移鍵控BPSK，波特率9 600)實現(xiàn)，在頻率為4～30 kHz范圍內(nèi)，最大允許的通信信號衰減為35 dB。BPSK(Binary Phase Shift Keying)通信在 SCM和MCS 2個方向上均可成功運行，誤差小于0.2%。目標油田主要水下設備布置圖如圖2所示。

圖2 目標油田主要水下設備布置圖

2.1 電纜線

主臍帶纜選用16 mm2雙絞屏蔽線，其主要技術(shù)指標見表1。

表1 臍帶纜主要技術(shù)指標

圖3為16 mm2雙絞屏蔽線線最大信號衰減仿真結(jié)果。實際應用中上電纜線的信號衰減情況不會比模擬的情況更差。

電飛纜選用AWG 14電纜，其主要技術(shù)指標見表2。

圖3 臍帶纜最大信號衰減仿真

表2 電飛纜主要技術(shù)指標

圖4為AWG 14電纜線最大信號衰減的仿真結(jié)果。實際應用中電纜線的信號衰減情況會優(yōu)于模擬的結(jié)果。

圖4 電飛纜最大信號衰減仿真

從圖3和圖4的模擬結(jié)果可以看出：載波信號最大衰減值在30 kHz處，安全余量將超過頻率范圍的上限(26～30 kHz)，但通信系統(tǒng)仍能正常工作。因此，在項目中實際使用的臍帶電纜、電飛纜應等于或優(yōu)于上述規(guī)定的臍帶電纜。

2.2 SCM功率消耗

設定單個SCM內(nèi)部安裝24個各類傳感器、14個電磁換向閥(最多控制14路閥門輸出管路)、采油樹上安裝2套壓力傳感器、2套SEM，其中電磁換向閥通過SCM指令脈沖控制，只有瞬間功耗(標準功耗12 W)，持續(xù)時間可調(diào)(一般不超過5 s)。單棵采油樹功耗見表3(Moden發(fā)送，電磁閥動作Moden接收，電磁閥不動作)。

表3 單顆采油樹功耗表

復合電液水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，功率和信號通信傳輸均在同一個物理線上進行，因此功率和通信線的計算是相互關(guān)聯(lián)的。

3 電源及通信分析

3.1 功率計算

圖5 臍帶纜等效電路圖

臍帶纜可等效為1個歐姆電阻、1個電感和2個電容，并可計算相關(guān)量值。臍帶纜等效電路如圖5所示。

對于60 m的EFL(截面大小為2.08 mm2)，其總的電阻值為：0.06 km×17.8 Ω/km=1.07 Ω。因此，當EFL與1個SEM串聯(lián)時，EFL的電阻可以忽略不計。

SEM可以認為是可控電流源，其電流源獨立于輸入電壓，能調(diào)整功耗和功率因子滿足要求值。EPU認為是恒壓源，其內(nèi)阻為2 Ω。如果SCM的電壓大于300 V交流,電力傳輸則在額定范圍內(nèi)，SCM最大輸出功率為135 W，其中包含24 V DC，±15 V DC，5 V DC輸出電壓。如果SEM的輸入電壓在保護范圍內(nèi)，SEM電源能在其過壓或欠壓情況下自動恢復。SCM在電磁閥開/關(guān)過程中會產(chǎn)生200 ms的電涌功率，在此期間將會增加130 W的額外功率，使SCM的最大功率增加到201 W。

3.1 BPSK通信計算

針對水下電力系統(tǒng)電路特點，臍帶纜或EFL可采用二端口網(wǎng)絡法[10]進行分析建模,如圖6所示。

圖6 EFL二端口網(wǎng)絡建模

(1)

式中：Z為阻抗；R′為單位長度電阻載荷；G′為單位長度電導率；L′為單位長度感應系數(shù)；C′為單位長度電容。

式中：ω=2πf；g為電導系數(shù)。

式(1)和式(2)可轉(zhuǎn)化為

式中：U1為 輸入電壓；U2為輸出電壓；I1為輸入電流；I2為輸出電流。

式(3)和式(4)為導納矩陣乘以包含U2和I2的向量，得到輸出向量U1和I1。波響應量取決于終端電阻,可表示為R2=U2/I2。如果EFL與SCM/SEM串聯(lián),那么在通信計算時,SCM中的60 mEFL可以忽略不計,因為其對系統(tǒng)的影響可以忽略，而與R'，L'，C'和G'相關(guān)。與主臍帶纜相比，不用考慮SDU/SUTU內(nèi)部布線。如果放大大于-35 dB或者衰減小于35 dB，信號能夠充分傳輸。

4 分析結(jié)果

4.1 信號分析結(jié)果

通信分析的基本結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知：在4～30 kHz頻率范圍內(nèi)，信號能夠正常的傳輸。

圖7 MCS到SCM的通信分析結(jié)果

圖8 MCS到SCM的通信分析結(jié)果

4.2 電源分析結(jié)果

16 mm2雙絞屏蔽線功率分析的基本結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出：在0～0.5 s內(nèi)，電源能夠穩(wěn)定輸出。

圖9 電源分析結(jié)果

5 結(jié)論

復合電液控制是目前水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的主流控制方式，尤其適用于深水、大型油氣田的開發(fā)，在平臺距離水下生產(chǎn)系統(tǒng)30 km的范圍內(nèi)，電源動力模塊輸出電壓690 V AC的條件下，采用4～30 kHz頻率的載波信號能夠疊加在動力電源上進行傳輸，并且在0.5 s的時間內(nèi)達到穩(wěn)定輸出。

[1] 高原,魏會東,姜瑛,等.深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)及工藝設備技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國海上油氣,2014,26(4):84-90.

[2] 范亞民.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].石油機械,2012(7):45-49.

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[9] 邱關(guān)源．電路[M].北京：高等教育出版社，2008．

Analysis on Power Supply and Communication for
Subsea Production Control System

LIANG Bin

(MSP/DRILEX(Shanghai) Co.，Ltd.，Shanghai 200941，China)

In order to verify whether the power supply of the umbilical cord contained redundant power carrier communication meets the requirements,a composite electro-hydraulic underwater production control system is taken as the object of study.According to subsea electro-hydraulic control system,which consists of eight subsea X-mas tree,one Pipe Line End Manifold(PLEM),one Subsea Umbilical Termination Unit (SUTU),one subsea production center manifold ,one main umbilical cord(15 km),two umbilical cord in oil field,eight EFL(60 m),calculation for power of Subsea Control Module (SCM),Binary Phase Shift Keying (BPSK) communication,and analysis for power supply and communication are con-ducted.Simulation work is done through Matlab/Simulink.The result of which meets the demand of design.It accumulates experience for the domestic development of electro-hydraulic production control system in subsea oil and gas fields.

subsea production system； electro-hydraulic control； power carrier communication； umbilical cord simulation

2017-04-12

工業(yè)和信息化部科研項目[2014]509號文“水下控制系統(tǒng)對接盤、鎖緊機構(gòu)研制”

梁 斌 (1975-)，男，高級工程師

1001-4500(2017)03-0074-07

TE953

A