海底基盤(pán)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

劉曉林， 劉家譽(yù)， 王嘉瑞， 陳 奇

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.磐索地勘科技〈廣州〉有限公司，廣東 廣州 510700)

0 引言

海底地層中蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，這些資源具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。海洋鉆探是開(kāi)采海底自然資源、勘查地層剖面實(shí)況、擷取實(shí)體樣本的重要手段。海底基盤(pán)(seafloor template)是安放在海床上，搭載配置海底鉗及控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)夾持或松開(kāi)鉆桿并滿足海底取樣要求、具有導(dǎo)向功能，并能在其上安裝海底井口系統(tǒng)和防噴系統(tǒng)等的海底鋼質(zhì)框架結(jié)構(gòu)物。海底基盤(pán)作為海洋鉆井和取樣的重要設(shè)備，其控制系統(tǒng)要求具備極高的遠(yuǎn)程可操控性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性[1-3]。

1 系統(tǒng)總體方案概述

1.1 功能需求分析

海底基盤(pán)在下入水下過(guò)程中，為了滿足下入可控及水下尋址的需要，通常需要采集下入水深、姿態(tài)、艏向和離底高度等數(shù)據(jù)，并安裝攝像頭以視頻導(dǎo)引尋址。鑒于多功能監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊以及可視化高清視頻傳輸需求，水聲通訊機(jī)或其他無(wú)線通訊方式無(wú)法滿足，選擇光電復(fù)合纜作為臍帶纜方式為海底基盤(pán)提供電能及數(shù)據(jù)通訊。

海底基盤(pán)的主要作用是夾持和松開(kāi)鉆桿，夾持、松開(kāi)功能的實(shí)現(xiàn)需要一對(duì)海底液壓鉗，故需要一套水下液壓動(dòng)力站，液壓動(dòng)力站必須有一套泵站電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。當(dāng)液壓動(dòng)力站啟動(dòng)后，液壓油路由油箱經(jīng)液壓閥控制后進(jìn)入液壓鉗油缸，從而推動(dòng)鉗口完成夾持、松開(kāi)動(dòng)作。在整個(gè)液壓系統(tǒng)中，需要有電磁閥，對(duì)液壓系統(tǒng)壓力信號(hào)，海底液壓鉗的位移信號(hào)等進(jìn)行控制和檢測(cè)。

其次，在鉆探過(guò)程中，還需要對(duì)井口進(jìn)行監(jiān)測(cè)。安裝在基盤(pán)上的井口監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)井口工作的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，輔以視頻存儲(chǔ)器，必要時(shí)可實(shí)現(xiàn)井口工作視頻的錄制、儲(chǔ)存；此外，在油氣資源勘查中，井口應(yīng)具備CO2、CH4、H2S等氣體成分監(jiān)測(cè)功能。

同時(shí)，海底基盤(pán)設(shè)備還應(yīng)具備設(shè)備供配電狀態(tài)、關(guān)鍵信息報(bào)警檢測(cè)等功能，以便甲板操作人員更好地掌握設(shè)備工作狀態(tài)信息。

最后，所有用于海底基盤(pán)控制系統(tǒng)水下部分的設(shè)備，如攝像頭、傳感器等電子元器件都應(yīng)具備相應(yīng)水深級(jí)別的防水、耐壓性能，液壓系統(tǒng)應(yīng)具備水壓力平衡功能[4-5]。

1.2 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)海底基盤(pán)上述功能，且滿足水上監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作及供配電要求，結(jié)合船用設(shè)備相關(guān)規(guī)范和特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)布局上劃分，海底基盤(pán)的控制系統(tǒng)由3部分組成(參見(jiàn)圖1)。

第一部分，是司鉆控制單元，集成在司鉆房?jī)?nèi)，主要作用是通過(guò)與水下控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)海底基盤(pán)的操作和監(jiān)控。司鉆控制單元包括中央控制臺(tái)和中繼箱。

第二部分，是光電復(fù)合纜與絞車(chē)。該部分主要功能是吊裝、供電與信號(hào)傳輸。供電是將中繼箱中經(jīng)變壓器升壓之后的高壓電通過(guò)光電復(fù)合纜傳送至水下接線盒。信號(hào)傳輸包括控制信號(hào)、視頻信號(hào)與設(shè)備狀態(tài)信息等，信號(hào)傳輸都是通過(guò)光電復(fù)合纜中的光纖傳輸?shù)摹?/p>

第三部分，是海底基盤(pán)的核心，即水下控制單元，由水下供電單元、水下動(dòng)力單元、水下測(cè)控單元組成。其中，水下供電單元為水下所有設(shè)備供配電，水下動(dòng)力單元即水下液壓動(dòng)力站，水下測(cè)控單元是信息采集、控制、通信的核心[6-7]。

圖1 海底基盤(pán)控制系統(tǒng)組成示意Fig.1 Seafloor template control system

2 系統(tǒng)組成和功能

司鉆控制單元、光電復(fù)合纜與絞車(chē)和水下控制單元3大部分按系統(tǒng)功能劃分為供配電系統(tǒng)、光電測(cè)控系統(tǒng)和水下液壓動(dòng)力站。

2.1 供配電系統(tǒng)

2.1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

供配電系統(tǒng)的目標(biāo)是為整個(gè)控制系統(tǒng)提供電能，滿足司鉆控制單元及水下控制單元供電要求。根據(jù)海底基盤(pán)控制系統(tǒng)技術(shù)要求，供配電系統(tǒng)主要提供的目標(biāo)電能如下：

輸入船電：3P 690 VAC±10%，50 Hz±5%；

輸出電壓1：220 VAC/1 kW，50 Hz(中央控制臺(tái)工作電源)；

輸出電壓2：三相3000 VAC/5.5 kW，50 Hz(泵站電機(jī)工作電源)；

輸出電壓3：24 VDC/1.5 kW(水下測(cè)控單元工作電源)；

系統(tǒng)額定功率：10 kW。

2.1.2 原理和組成

供配電系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示。為解決長(zhǎng)距離輸電帶來(lái)的壓降問(wèn)題，采用高壓輸電和水下高壓電機(jī)方案，三相690 VAC船電經(jīng)中繼箱變壓器升壓至3000 VAC再經(jīng)光電復(fù)合纜及絞車(chē)傳輸至水下接線盒。中繼箱實(shí)現(xiàn)該動(dòng)力電路的升壓、監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能，為中央控制臺(tái)提供220 VAC控制電源，并將工作狀態(tài)反饋至中央控制臺(tái)狀態(tài)顯示，同時(shí)接受來(lái)自中央控制臺(tái)的控制信號(hào)，執(zhí)行通斷控制。

圖2 供配電系統(tǒng)原理示意Fig.2 Power supply and distribution system

三相3000 VAC高壓電經(jīng)光電復(fù)合纜纜端連接的水下接線盒實(shí)現(xiàn)光電分離，光信號(hào)通過(guò)水密光纖及光纖連接器連接至水密電子艙，三相3000 VAC高壓電經(jīng)水密電纜進(jìn)入水下供電艙，水下供電艙采用水下充油箱，外接深水壓力補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壓力平衡，并帶壓力補(bǔ)償報(bào)警檢測(cè)，其內(nèi)封裝降壓變壓器、直流電源模塊、電源監(jiān)測(cè)模塊。水下供電艙為水密電子艙測(cè)控單元元器件提供24 VDC電源，同時(shí)通過(guò)高壓水密電纜將三相3000 VAC高壓電送至泵站電機(jī)開(kāi)關(guān)艙，此艙內(nèi)封裝三相高壓接觸器，接收水密電子艙24 VDC開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與之連接的3000 VAC高壓泵站電機(jī)啟?？刂芠8-11]。

2.2 光電測(cè)控系統(tǒng)

2.2.1 功能目標(biāo)

光電測(cè)控系統(tǒng)的功能目標(biāo)是：

(1)一組水下尋址攝像頭視頻圖像實(shí)時(shí)顯示，配合該攝像頭的一組水下燈開(kāi)關(guān)及亮度控制；搭載該攝像頭和燈的云臺(tái)旋轉(zhuǎn)及俯仰角度控制；供電通斷狀態(tài)顯示。

(2)井口監(jiān)視攝像頭視頻圖像實(shí)時(shí)顯示；配合該攝像頭的一組水下燈開(kāi)關(guān)及亮度控制；供電通斷狀態(tài)顯示。

(3)姿態(tài)(雙軸傾角)及艏向信息實(shí)時(shí)顯示。

(4)下入水深、離底高度信息顯示。

(5)海底液壓鉗夾持、松開(kāi)位置位移顯示，液壓系統(tǒng)壓力、夾持壓力及夾持力信息顯示；海底液壓鉗夾持、松開(kāi)動(dòng)作操作手柄及夾持壓力限定旋鈕。

(6)各用電單元供電狀態(tài)參數(shù)顯示；各用電單元供電通斷開(kāi)關(guān)。

(7)深水壓力補(bǔ)償報(bào)警檢測(cè)指示；漏電指示；水密電子艙溫升指示。

(8)水密電子艙預(yù)留用以CO2、CH4、H2S等氣體成分監(jiān)測(cè)傳感器的RS232通訊接口與供電接口，實(shí)現(xiàn)井口擴(kuò)展監(jiān)測(cè)功能[12-16]。

2.2.2 原理和組成

光電測(cè)控系統(tǒng)組成如圖3。

2.2.2.1 中央控制臺(tái)

中央控制臺(tái)內(nèi)部集成電源模塊、操作臺(tái)及人機(jī)界面、水上光端機(jī)、工控機(jī)、監(jiān)視器、視頻存儲(chǔ)器等。電源模塊從中繼箱取電，并為中央控制臺(tái)供電。操作臺(tái)包括海底基盤(pán)的海底液壓鉗動(dòng)作手柄開(kāi)關(guān)，各儀器設(shè)備組件供電通斷等旋鈕開(kāi)關(guān)，以及報(bào)警與指示燈等。人機(jī)界面用以系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，并可作為輔助屏顯示系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)。水上光端機(jī)用于水下視頻信號(hào)和測(cè)控信號(hào)的解析與調(diào)制。工控機(jī)，集成工業(yè)觸摸屏，與操作臺(tái)和水上光端機(jī)的電氣接口相連，獲取數(shù)據(jù)與視頻信號(hào)，通過(guò)其內(nèi)運(yùn)行的工控軟件實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控圖像和設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。為便于查看視頻細(xì)節(jié)，設(shè)置監(jiān)視器作為工控機(jī)監(jiān)視功能的補(bǔ)充，實(shí)時(shí)顯示尋址攝像頭和井口監(jiān)控?cái)z像頭圖像。視頻存儲(chǔ)器可保存長(zhǎng)時(shí)間的工作過(guò)程監(jiān)控視頻，以便后期查看。

2.2.2.2 中繼箱

中繼箱即高壓配電箱，主要包括升壓變壓器以及供電保護(hù)、檢測(cè)組件等。船電先接入中繼箱，經(jīng)升壓變電再連接絞車(chē)滑環(huán)經(jīng)光電復(fù)合纜，傳輸電能至水下。光電復(fù)合纜中光纖信號(hào)則由中繼箱不經(jīng)處理直接進(jìn)入中央控制臺(tái)水上光端機(jī)。

2.2.2.3 水下測(cè)控單元

光電復(fù)合纜的纜端接口，經(jīng)過(guò)水下接線盒分離出水密電纜與水密光纖。其中電纜連接至水下供電單元。水下供電單元內(nèi)裝有降壓變壓器，內(nèi)部充油，帶有水深壓力補(bǔ)償器并帶有報(bào)警檢測(cè)，為水下動(dòng)力單元(即液壓動(dòng)力站)提供高壓動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)泵站電機(jī)，也為水下測(cè)控單元供電。水下供電單元同時(shí)集成供電監(jiān)測(cè)模塊，能將水下設(shè)備用電參數(shù)經(jīng)水下測(cè)控單元采集，再經(jīng)光電復(fù)合纜傳送至司鉆控制單元。

水下測(cè)控單元主要由水密電子艙、各類(lèi)傳感器及監(jiān)測(cè)模塊、姿態(tài)儀、深度計(jì)、離底高度計(jì)、水下攝像頭和水下燈等組成。該單元集成海底基盤(pán)的各類(lèi)信息采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)輸出控制功能。

圖3光電測(cè)控系統(tǒng)組成
Fig.3Photoelectric measurement and control system

水密電子艙采用耐壓干艙設(shè)計(jì)，是水下測(cè)控單元的核心部分，將水下各類(lèi)設(shè)備監(jiān)測(cè)信息反饋到司鉆控制單元的中央控制臺(tái)，是水下控制單元的信息采集中心，同時(shí)又是司鉆控制單元命令的接收中心與執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)輸出中心，圖4為水密電子艙組件連接示意圖。

圖4 水密電子艙組件連接示意Fig.4 Connection of watertight electronic cabin

信息采集包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、井口信息監(jiān)測(cè)及視頻采集。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括視頻監(jiān)視、下入水深監(jiān)測(cè)、姿態(tài)及艏向監(jiān)測(cè)、離底高度監(jiān)測(cè)、液壓系統(tǒng)壓力監(jiān)測(cè)、液壓鉗油缸位移監(jiān)測(cè)、壓力補(bǔ)償報(bào)警檢測(cè)、供電監(jiān)測(cè)、漏電報(bào)警檢測(cè)、水密電子艙溫升檢測(cè)等。井口信息監(jiān)測(cè)在水密電子艙上預(yù)留有接口，可連接CO2、CH4、H2S等氣體成分監(jiān)測(cè)傳感器，從而實(shí)現(xiàn)井口的擴(kuò)展監(jiān)測(cè)。所有傳感器及檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)接入至水密電子艙的控制器的數(shù)據(jù)采集板，并經(jīng)處理后進(jìn)入控制器的通訊板，最后經(jīng)控制器的通訊端口與光端機(jī)電氣接口相連。視頻采集包括尋址攝像頭和井口攝像頭監(jiān)控圖像實(shí)時(shí)采集，經(jīng)視頻接口接入光端機(jī)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)輸出控制功能主要針對(duì)鉆桿夾持、水下攝像頭云臺(tái)的控制以及水下燈的亮度控制。

海底液壓鉗是由水下測(cè)控單元根據(jù)船上司鉆房中央控制臺(tái)上的操作手柄操作執(zhí)行夾持或松開(kāi)動(dòng)作，水下測(cè)控單元負(fù)責(zé)接收和執(zhí)行。水下攝像頭云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和俯仰動(dòng)作由中央控制臺(tái)操作手柄實(shí)現(xiàn)；水下燈的亮度控制由中央控制臺(tái)操作相應(yīng)亮度調(diào)節(jié)旋鈕實(shí)現(xiàn)[16-21]。

2.3 水下液壓動(dòng)力站

2.3.1 方案目標(biāo)

設(shè)計(jì)一套海底基盤(pán)用水下液壓動(dòng)力站，為海底液壓鉗提供液壓驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)海底基盤(pán)對(duì)鉆桿的夾持或松開(kāi)動(dòng)作。

2.3.2 功能設(shè)計(jì)

(1)泵站。采用一臺(tái)高壓電機(jī)泵站通過(guò)司鉆控制單元可手動(dòng)啟動(dòng)工作。

(2)夾緊鉆桿。液壓動(dòng)力站能夠提供動(dòng)力使海底鉗同時(shí)伸出并夾緊鉆桿，同時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)壓力。

(3)松開(kāi)鉆桿。液壓動(dòng)力站能夠提供動(dòng)力使得海底鉗松開(kāi)鉆桿并復(fù)位，同時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)壓力。

(4)系統(tǒng)保壓。蓄能器壓力達(dá)到系統(tǒng)額定工作壓力時(shí)，在泵停機(jī)后系統(tǒng)壓力在一段時(shí)間內(nèi)不低于額定工作壓力。

(5) 應(yīng)急動(dòng)力。蓄能器作為應(yīng)急動(dòng)力源使用，當(dāng)泵組達(dá)到額定工作壓力后，在沒(méi)有泵補(bǔ)液的情況下提供足夠的液量使得一對(duì)海底鉗松開(kāi)鉆桿。

(6)系統(tǒng)卸壓。當(dāng)電磁溢流閥電磁線圈通電時(shí)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)卸壓，當(dāng)電磁溢流閥電磁線圈失電時(shí)電磁溢流閥起安全閥的作用。

(7)壓力平衡。液壓站在水下時(shí)保持站內(nèi)油液壓力與海水靜壓平衡，即壓力補(bǔ)償功能。

2.3.3 系統(tǒng)原理和組成

如圖5所示，水下液壓動(dòng)力站由高壓電機(jī)、液壓泵、液壓油箱、液壓閥組、蓄能器、壓力補(bǔ)償器、液壓油、液壓附件等組成。

高壓電機(jī)由一臺(tái)3P 3000 VAC/5.5 kW高壓交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)整體浸泡在液壓油中工作，采用充油方式平衡電機(jī)內(nèi)外壓差，電機(jī)工作過(guò)程中可靠密封。

液壓泵選用單向定量泵，額定壓力≥25 MPa、額定工作流量6 L/min的液壓泵，液壓泵浸泡在液壓油環(huán)境下工作。

液壓油箱抗海水腐蝕并密封良好。箱體上預(yù)留有液壓接口、充油口、排氣口。箱體上設(shè)計(jì)吊裝耳板，方便吊裝和運(yùn)輸。液壓站底部有安裝支架，使用螺栓與基盤(pán)連接。

液壓閥組采用液壓集成塊的方式安裝。液壓閥及集成塊浸泡在液壓油中工作，采用充油方式平衡閥組內(nèi)外壓差。

蓄能器布置在油箱外，抗海水腐蝕，在系統(tǒng)起應(yīng)急動(dòng)力源和保壓作用。

1-油缸；2-位移傳感器；3-分流閥；4-壓力傳感器；5-二位四通電磁換向閥；6-溢流閥；7-壓力補(bǔ)償器；8-二位二通電磁開(kāi)關(guān)閥；9-壓力補(bǔ)償器；10-吸油過(guò)濾器；11-液壓泵；12-水下電機(jī)；13-單向閥；14-蓄能器

圖5水下液壓動(dòng)力站液壓原理
Fig.5Hydraulic principle of underwater hydraulic power station

壓力補(bǔ)償器采用外置的方式旁置在液壓站上，選用皮囊式壓力補(bǔ)償器，補(bǔ)償器的材質(zhì)抗海水腐蝕。補(bǔ)償器滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作、油液壓力變化以及溫度變化引起的液壓油體積變化。補(bǔ)償器外加防護(hù)罩保護(hù)，可避免海底泥漿及微生物附著。

46#抗磨液壓油可在海底溫度環(huán)境下正常工作，清潔度等級(jí)不低于8級(jí)NAS1638標(biāo)準(zhǔn)。

液壓附件包括過(guò)濾器、不銹鋼無(wú)縫鋼管、不銹鋼管接頭等。外露于海水中的不銹鋼無(wú)縫鋼管及接頭等抗海水腐蝕，能在海水下長(zhǎng)期工作。

當(dāng)啟動(dòng)水下電機(jī)時(shí)，若二位二通電磁開(kāi)關(guān)閥2DT得電，則液壓泵和蓄能器卸荷；若2DT失電，壓力油經(jīng)過(guò)二位四通電磁換向閥，當(dāng)1DT失電，壓力油進(jìn)入油缸有桿腔，活塞桿縮回，液壓鉗松開(kāi)，蓄能器充壓蓄能，當(dāng)1DT得電，壓力油經(jīng)分流閥等流量分流分別進(jìn)入兩油缸無(wú)桿腔，兩油缸活塞桿等速伸出，確保液壓鉗夾緊；液壓鉗油缸松開(kāi)和夾緊壓力分別由壓力傳感器采集傳輸至測(cè)控系統(tǒng)。

海底液壓鉗夾緊鉆桿時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)故障或斷電情況，1DT、2DT失電，先前蓄能器建立的壓力作為應(yīng)急動(dòng)力源自動(dòng)驅(qū)動(dòng)油缸活塞桿縮回，確保液壓鉗松開(kāi)鉆桿[21-25]。

3 結(jié)語(yǔ)

該方案設(shè)計(jì)涵蓋了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局和功能組成，既考慮了海底基盤(pán)下入過(guò)程水下尋址、定位、姿態(tài)艏向監(jiān)測(cè)的基本功能，同時(shí)具備井口信息監(jiān)測(cè)及圖像采集與傳輸功能，降低了鉆探尋址及作業(yè)難度，提高了作業(yè)過(guò)程直觀、可控性。該海底基盤(pán)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)立足于供電、工業(yè)控制與數(shù)據(jù)通訊、圖像采集與傳輸?shù)阮I(lǐng)域的成熟的工業(yè)技術(shù)，充分考慮了海洋技術(shù)裝備的特點(diǎn)，進(jìn)一步研究以及今后的實(shí)際應(yīng)用中可依此方案細(xì)化各控制單元模塊，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。