淺談電滑環(huán)在海洋油氣田中的應(yīng)用

丁洪霞 李璇 陳亮 劉建申 代華偉

摘要：介紹了滑環(huán)的種類及其在FPSO單點系泊系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了電滑環(huán)的故障類型和故障原因，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：FPSO;電滑環(huán);單點系泊系統(tǒng)

0 引言

某海上油氣項目新建一套浮式生產(chǎn)儲油外輸裝置（FPSO），水下生產(chǎn)系統(tǒng)開采的油氣在水下管匯匯集并通過海底管道輸送到新建的FPSO儲存、外輸，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的電力和控制電源均通過新建的FPSO單點系泊系統(tǒng)中的電滑環(huán)經(jīng)海底電纜提供。隨著電滑環(huán)在FPSO中的廣泛應(yīng)用，其可靠性得到了人們的關(guān)注。

1 滑環(huán)的結(jié)構(gòu)和原理

滑環(huán)是FPSO單點系泊系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件、連接固定部分和旋轉(zhuǎn)部分的連接件以及輸送電能與信號的電氣部件?；h(huán)包括旋轉(zhuǎn)和靜止兩個部件，旋轉(zhuǎn)部件也稱為轉(zhuǎn)子，用于連接設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部分并與之一起轉(zhuǎn)動;靜止部件也稱為定子，用于連接設(shè)備的固定部分。轉(zhuǎn)子部件和定子部件按照精密疊加的單通路結(jié)構(gòu)設(shè)計，將轉(zhuǎn)子與定子的通路一一搭接，形成定子與轉(zhuǎn)子之間的回路。各通路之間的電氣特性彼此獨立，互不干涉。而定子與轉(zhuǎn)子之間通路的形成，則必須存在兩者間的接觸，它們的觸點是整個滑環(huán)的功能部位，是整個滑環(huán)各種性能體現(xiàn)的載體。因此，通過合理選擇接觸件材質(zhì)，保證各部件之間配合的精密度，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)等，可以組成可靠、穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)連通系統(tǒng)。在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上裝設(shè)滑環(huán)，通過滑環(huán)的兩端引線，在旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，即可傳輸所需的各類信號。

電滑環(huán)亦被稱作導(dǎo)電滑環(huán)、集電環(huán)、電刷、換向器等，是實現(xiàn)兩個相對旋轉(zhuǎn)設(shè)備間電流、數(shù)據(jù)或圖像信號及動力傳遞的精密傳輸裝置。其常用于360°無限連續(xù)旋轉(zhuǎn)，要求從固定設(shè)備到旋轉(zhuǎn)設(shè)備傳輸電能、數(shù)據(jù)信號等的機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域。

2 電滑環(huán)在單點系泊系統(tǒng)中的應(yīng)用

單點系泊系統(tǒng)的功能是系泊FPSO，使FPSO如同風(fēng)向標(biāo)一樣處于環(huán)境力最小的方向上，通過旋轉(zhuǎn)接頭達(dá)到輸送電力、運(yùn)送井流和水下生產(chǎn)系統(tǒng)必需的化學(xué)藥劑等目的，并通過專用的旋轉(zhuǎn)接頭為海底管線提供通球能力。

根據(jù)油田開發(fā)總體工程方案對單點系泊系統(tǒng)的功能要求，確定配置滑環(huán)組的方案，自下而上依次是液滑環(huán)、中壓電滑環(huán)、低壓電滑環(huán)和光滑環(huán)。

2.1? ? 液滑環(huán)

液滑環(huán)連接生產(chǎn)立管和FPSO生產(chǎn)系統(tǒng)，用于接收水下生產(chǎn)系統(tǒng)來液并輸往FPSO生產(chǎn)系統(tǒng)做下一步分離處理。通球液滑環(huán)將海管通球所需的驅(qū)動清管球的液體由FPSO傳送至水下管匯。液滑環(huán)在生產(chǎn)流程中的作用如圖1所示。

由于不同油田生產(chǎn)系統(tǒng)需要不同的生產(chǎn)操作壓力，為保證生產(chǎn)操作，目前此項目采用每個油田各配備一個生產(chǎn)液滑環(huán)，幾個相鄰油田共用一個通球滑環(huán)的方案。

2.2? ? 中壓電滑環(huán)

中壓電滑環(huán)主要是把FPSO發(fā)出的電輸送到水下生產(chǎn)系統(tǒng)的電潛泵中，實現(xiàn)水下配電。高壓電引自FPSO，經(jīng)過升高塔跨接電纜，連接至單點旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部件（電刷）上;高壓電再經(jīng)由銅棒直接接到旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的固定部件（銅環(huán)）與海纜連接。通過電刷與銅環(huán)的接觸實現(xiàn)了電源與用電設(shè)備的連接。電刷背部裝有彈簧壓緊裝置，保證與銅環(huán)之間接觸良好。電刷始終圍繞銅環(huán)轉(zhuǎn)動，不論FPSO在哪個位置變動，電刷與銅環(huán)之間一直保持良好接觸，從而保證電能的穩(wěn)定傳輸。

水下配電系統(tǒng)如圖2所示。

綜合考慮對油田操作需求的滿足性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等，要求每個中壓電滑環(huán)設(shè)置一個備用回路，滿足一口井的電潛泵供電需求。

2.3? ? 低壓電滑環(huán)

低壓電滑環(huán)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制供電以及FPSO與水下生產(chǎn)系統(tǒng)的通信。低壓電滑環(huán)的電壓等級小于1 kV。單點系泊系統(tǒng)通過低壓電滑環(huán)傳輸用電設(shè)備的動力電源、照明電源、設(shè)備的控制信號、儀表火氣和關(guān)斷信號、通信CCTV和單點系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測信號等，傳輸電壓等級分別為380 V、220 V和24 V。

2.4? ? 光滑環(huán)

光滑環(huán)通過連接各路光纖實現(xiàn)FPSO至各油田群的數(shù)據(jù)通信和傳輸功能，主要傳輸EMS系統(tǒng)（電能管理系統(tǒng)）的電能監(jiān)控、穩(wěn)控卸載信號以及網(wǎng)絡(luò)通信和電視電話信號。

3 電滑環(huán)的故障分析和改進(jìn)措施

3.1? ? 電滑環(huán)異常問題及其原因分析

電滑環(huán)在運(yùn)行中最常見的故障為發(fā)熱、產(chǎn)生火花，嚴(yán)重?fù)p壞電刷和集電環(huán)，具體原因如下：

（1）通風(fēng)不良導(dǎo)致的發(fā)熱;

（2）接觸電阻過大或分布不均勻而產(chǎn)生的發(fā)熱;

（3）機(jī)械摩擦等原因?qū)е碌陌l(fā)熱;

（4）電壓過高擊穿產(chǎn)生火花;

（5）產(chǎn)品內(nèi)部存在導(dǎo)電雜質(zhì)引起短路或打火花;

（6）絕緣層磨損失效發(fā)生短路。

電滑環(huán)在運(yùn)行中還經(jīng)常出現(xiàn)信號丟包、失真、不穩(wěn)定、不清晰等問題，具體原因如下：

（1）信號不匹配，設(shè)計與實際使用的信號類型不一致;

（2）信號受到外界或者產(chǎn)品內(nèi)部其他強(qiáng)電及信號干擾;

（3）電阻過大導(dǎo)致信號衰減過大，無法傳輸;

（4）電阻變化過大導(dǎo)致信號不穩(wěn)定;

（5）電流、電壓、功率不穩(wěn)定。

3.2? ? 電滑環(huán)故障改進(jìn)措施

以往項目通常加裝復(fù)雜單點在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測滑環(huán)的異常狀態(tài)，根據(jù)反饋，加裝了復(fù)雜單點在線監(jiān)測系統(tǒng)的水下傳感器部分故障率較高，使用壽命很短，難以實現(xiàn)設(shè)計初衷。借鑒以前項目的經(jīng)驗和教訓(xùn)，本項目增置單點狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)用以監(jiān)測電滑環(huán)狀態(tài)。單點狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要具備以下幾方面功能：監(jiān)測高壓電滑環(huán)內(nèi)部溫度，監(jiān)測高壓電滑環(huán)實時電流，監(jiān)測外部環(huán)境溫度，監(jiān)測單點振動情況。

全部測量數(shù)據(jù)均被中控ICS系統(tǒng)采集，可實現(xiàn)在線實時監(jiān)控。通過設(shè)置電流、溫度和振動的限值，最終實現(xiàn)聲光報警功能。

監(jiān)測信息匯總于中控室中，并可通過現(xiàn)有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)或海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸?shù)疥懙乜蛻舳嘶蚱渌鸉PSO，臺風(fēng)停產(chǎn)期間該套裝置應(yīng)連續(xù)工作，實時監(jiān)測。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均可在FPSO中控室和陸地終端進(jìn)行回放、查詢，以便對滑環(huán)系統(tǒng)的安全性理論計算提供輔助評估。

4 結(jié)語

本文分析了電滑環(huán)在FPSO單點系泊系統(tǒng)應(yīng)用中出現(xiàn)的故障類型和故障原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，從而確保了電滑環(huán)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了供電可靠性。

收稿日期：2020-12-25

作者簡介：丁洪霞（1977—），女，四川人，工學(xué)碩士，高級工程師，主要從事海上油氣電力系統(tǒng)研究及設(shè)計方面的工作。