水下混輸增壓泵檢測控制技術應用研究

沈 丹，王 磊，鄭 鵬，韓 俊

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

隨著海洋油田開發(fā)形勢的變化，降低原油的生產(chǎn)成本成為提高效益的一種有效途徑。采用常規(guī)技術開發(fā)深海油氣田可能不經(jīng)濟，甚至難以對高氣油比的油田進行開發(fā)。水下混輸增壓系統(tǒng)可作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的前置關鍵增壓設備，具有油氣混輸能力強、建設周期短和投資少等特點，采用該系統(tǒng)可盡量少地建造海上生產(chǎn)平臺，使深海油氣田得到有效開發(fā)[1]。水下混輸增壓泵是水下混輸增壓系統(tǒng)中的關鍵裝備。

國外對水下混輸增壓系統(tǒng)技術研究已有30多年歷史，其相關產(chǎn)品的開發(fā)和應用已比較成熟。1985年，阿吉普（AGIP）、Snamprogetti和新比隆開始開發(fā)水下增壓系統(tǒng)（Submarine Booster Station，SBS），第一代SBS在意大利阿吉普公司所屬的Prezioso海上油田通過試驗，運行狀況良好[2]；德國Leistritz公司和巴西石油、Curtiss-Wright合作開發(fā)的SBMS-500海底混輸增壓系統(tǒng)經(jīng)過陸地上一連串壓差超過6MPa的測試之后，于2006年上半年應用于水深超過500m的巴西海域[3]；美國Flowserve公司和殼牌石油公司2010年3月合作完成1臺壓差17.2MPa、位于水深3000m處的雙螺桿混輸增壓泵的測試，在壓差和水深方面都具有里程碑式意義，隨后Flowserve公司對其進行全方位的系統(tǒng)測試，取得良好的效果[4]。

當前國內(nèi)對該領域裝備的研制還處于空白狀態(tài)，雖然以中國海洋石油公司、中國石油海洋工程公司和中國石油大學等為代表的研究機構(gòu)研究過海上鉆采設備及各項技術，但對海底多相增壓設備的研究很少，已開發(fā)的淺水油田采用的水下混輸增壓系統(tǒng)均為采購的國外產(chǎn)品。中國石油大學[1]已開發(fā)出最高含氣率達85%、流量達150m3/h、5級葉輪總增壓1.5MPa的高性能多相泵樣機系統(tǒng)，但在多相泵的整體性能方面還有待繼續(xù)研究，同時仍需繼續(xù)開展對整個水下增壓系統(tǒng)的研究。

因此，開展水下混輸增壓泵研制，實現(xiàn)混輸增壓系統(tǒng)設備的國產(chǎn)化，降低對國外產(chǎn)品的依賴，打破國外技術壁壘，對我國海洋石油工業(yè)的發(fā)展具有重大意義。水下混輸增壓系統(tǒng)示意見圖1。

水下混輸增壓泵檢測控制技術是水下混輸增壓泵系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括水下信號的檢測、數(shù)據(jù)融合處理、混輸泵及電機控制和水下閥門控制等。水下混輸增壓泵檢測控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 水下混輸增壓系統(tǒng)示意

圖2 水下混輸增壓泵檢測控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1 控制系統(tǒng)軟硬件設計

水下混輸增壓泵檢測控制系統(tǒng)可按照空間結(jié)構(gòu)劃分為水面主控制站和水下從控制站2部分（見圖2）。從功能上看，2個控制站分別響應該區(qū)域的電氣控制需求。

具體而言，水面主控制站硬件主要由水面綜合顯控計算機、綜合控制臺、不間斷電源（UPS）、串口通信模塊和變頻器等組成，既是整個混輸泵檢測控制系統(tǒng)的操作輸入和綜合信息顯示人機接口，也是遠程遙控的終端。水面主控制站與水下從控制站之間通過 1550m的通信纜連接，利用屏蔽雙絞線傳輸控制指令和狀態(tài)參數(shù)。

水下混輸增壓泵檢測控制系統(tǒng)軟件設計主要分為水面顯控軟件設計和水下數(shù)據(jù)采集軟件設計2部分，并通過RS485串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和設備的控制。

1.1 水面顯控軟件設計

水面顯控軟件工作流程見圖 3。系統(tǒng)開機之后先對系統(tǒng)進行初始化，包括串口設置、PCI板卡設置、用戶設置及數(shù)據(jù)設置等。在初始化完成之后，單擊“串口連接”按鈕，打開通信串口，開啟數(shù)據(jù)通信通道，同時開始3個定時器，分別用于實時檢測操作面板上的控制指令、與水下和變頻器端進行數(shù)據(jù)傳輸及記錄數(shù)據(jù)。水下數(shù)據(jù)和變頻器端數(shù)據(jù)的接收方式為事件觸發(fā)，當有數(shù)據(jù)傳送至水面顯控軟件時，自動觸發(fā)數(shù)據(jù)接收函數(shù)，接收數(shù)據(jù)并處理之后在水面顯控界面上顯示。

軟件界面由Borland Delphi編程工具開發(fā)，水面顯控軟件界面見圖4。

圖3 水面顯控軟件工作流程

圖4 水面顯控軟件界面

1.2 水下數(shù)據(jù)采集軟件設計

水下數(shù)據(jù)采集軟件主要實現(xiàn)水下傳感器信號的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，運行在Vxworks操作系統(tǒng)上，具有實時性強和可靠性高等特點[5]。水下數(shù)據(jù)采集軟件工作流程見圖5。系統(tǒng)初始化主要包括串口設置、AD設置和數(shù)據(jù)設置等。在初始化完成之后，打開串口，啟動水下數(shù)據(jù)采集任務和數(shù)據(jù)發(fā)送任務，水下計算機開始采集傳感器數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)進行簡單的數(shù)據(jù)處理，處理完之后打包發(fā)送給水面顯控軟件。

圖5 水下數(shù)據(jù)采集軟件工作流程

2 水下傳感器檢測系統(tǒng)設計

水下傳感器檢測系統(tǒng)主要實現(xiàn)水下各傳感器信號的檢測，采用模塊化的設計方法，根據(jù)不同的檢測信號搭載不同的傳感器模塊。傳感器模塊及檢測的信號見表1。

表1 傳感器模塊及檢測的信號

3 混輸泵及電機控制

混輸增壓泵轉(zhuǎn)速控制分為手動控制和自動控制2部分。手動控制通過監(jiān)測泵入口壓力數(shù)據(jù)，手動修改變頻器頻率來實現(xiàn)。實現(xiàn)過程為：若壓力低于設定閾值，則手動降低變頻器頻率使電機轉(zhuǎn)速降低，從而使增壓泵入口壓力升高；若壓力高于設定閾值，則手動提高變頻器頻率使泵流量增加，從而使增壓泵入口壓力降低。

轉(zhuǎn)速自動控制由增量式PID控制策略[6]實現(xiàn)。實現(xiàn)過程為：檢測增壓泵的出口流量，并將流量信號反饋給PID控制器，控制器通過對采集的信號和設定的目標值進行比較運算，將結(jié)果作為頻率指令輸送給變頻器，改變增壓泵電動機的轉(zhuǎn)速，使增壓泵的出口流量始終保持在設定的流量范圍之內(nèi)。即當出口流量低于設定值時，控制器使變頻器輸出頻率增大，電動機轉(zhuǎn)速增大，增壓泵排量增加，直至達到設定值；反之，當出口流量高于設定值時，控制器使變頻器輸出頻率降低，電動機轉(zhuǎn)速降低，增壓泵排量減少，直至達到設定值。圖6為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。

圖6 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

轉(zhuǎn)速自動控制中給定的流量由手動控制的結(jié)果來設定。增量式PID控制模型[7]為

式(1)中： ()kU 為當前時刻測量值； ( 1)k-U 為前一時刻測量值； ()e k為當前時刻誤差； ( 1)e k- 為前一時刻誤差； ( 2)e k- 為前前時刻誤差；A、B和C中的PK 為比例系數(shù)；T為采樣周期；IT為I控制器的采樣周期；DT為D控制器的采樣周期。

4 混輸管線閥門控制

混輸管線共設計有入口閥門、出口閥門和回收控制閥等3個閥門。入口閥門和出口閥門均為開關型閥門，只有開和關2種工作狀態(tài)；而回收控制閥為調(diào)節(jié)型閥門，可通過控制電壓的大小調(diào)節(jié)閥門的開度，從而起到控制管線內(nèi)液體流量的作用。入口閥門和出口閥門分別位于混輸管線入口及出口處，為非承壓閥門；回收控制閥位于回收管線中，需承受 19MPa的壓力。對回收控制閥的控制操作也是在承壓的條件下進行的。因此，對回收控制閥進行19MPa的充油耐壓試驗。

在整個加壓和減壓過程中，分別對回收控制閥進行控制，閥門控制正常，滿足使用要求。

5 試驗驗證

為驗證水下混輸增壓泵檢測控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，先后對該系統(tǒng)進行壓力筒試驗和水池試驗（見圖7和圖8）。壓力筒試驗主要檢驗在0～18.75MPa加壓、保壓和卸壓流程下，混輸泵總體系統(tǒng)的密封性能和功能考核。水池試驗主要檢驗混輸泵系統(tǒng)在水下的各項功能，進一步檢查混輸泵、電機和均化器等設備在水下的運行情況及總體集成效果，確認任務流程的可行性，考核信息流和控制流的正確性及可靠性。

圖7 壓力筒試驗

圖8 水池試驗

水下混輸增壓泵檢測控制系統(tǒng)驗證試驗結(jié)果見表2。

試驗驗證結(jié)果表明：水下混輸增壓泵檢測控制系統(tǒng)設計合理，工作穩(wěn)定、可靠，能實現(xiàn)信號檢測、電機控制和閥門控制功能，滿足設計要求和使用要求。

6 結(jié) 語

本文針對1500m級水下混輸增壓系統(tǒng)，開發(fā)了一套水下檢測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過檢測水下各傳感器信號，實現(xiàn)對水下電機和水下閥門的控制。試驗驗證結(jié)果表明，該檢測控制系統(tǒng)具有良好的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。該水下混輸增壓泵檢測控制技術研究可為今后水下混輸增壓系統(tǒng)的設計和研究提供一定的參考。