水下生产控制系统电源及通信分析

梁 斌

(美钻能源科技(上海)有限公司，上海 200941)



水下生产控制系统电源及通信分析

梁 斌

(美钻能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

为验证包含冗余电力载波通信的脐带缆中的电源是否符合要求，以复合电液水下生产控制系统为研究对象，针对8棵水下采油树、1个水下生产终端管汇、1个水下生产中心管汇、1个水下脐带缆终端单元、1条15 km主脐带缆、2条油田内部脐带缆和8根60 m的电飞缆组成的水下复合电液式水下控制系统进行了水下控制模块功率计算，BPSK通信计算以及电源、通信分析，并且通过Matlab/Simulink模型进行了仿真，仿真结果满足设计要求。为采用复合电液水下生产控制系统的水下油气田国产化开发积累了经验。

水下生产系统；复合电液控制；电力载波通信；脐带缆；仿真

0 引言

在海洋油气资源的开采中，从水面生产平台到水下采油系统涉及到很多技术领域。在海洋油气田 ( 特别是深水油气田) 的勘探开发中，油、气的产出、处理和输送等均通过水下生产系统完成。水下生产系统[1]是深水油气田的重要开发模式之一，是海洋油气资源开发的一种新技术。水下生产控制系统的发展[2-4]经历了直接液压控制、先导液压控制、顺序液压控制、直接电液控制和复合电液控制等几个重要阶段。其中，复合电液控制是目前的主流控制方式，尤其适用于深水、大型油气田的开发。

复合电液控制系统构成的最大特点[5]是具备电力单元和水下微处理电子模块(Subsea Electronic Mo-dule，SEM)，将主控中心(Master Control Station，MCS)发出的指令通过电源动力单元(Electric Power Unit，EPU)中的调制解调器进行编码、压制并加载到脐带缆中的动力电缆中进行电力载波传输，水下控制模块(Subsea Control Module，SCM)内部SEM的调制解调器对MCS命令的解码、运算、传达和执行，对采油树阀门进行控制，同时SCM对水下设备的监测仪表数据进行采集、分析和上传。这就意味着复合电液系统将会更多地涉及供配电和电源消耗方面的问题。当水下油气井为气井或自喷井时，在油气田生产初期只有水下生产控制系统需要供电[6]。本文通过对复合电液水下生产控制系统电功率和通信系统的常规分析，验证包含冗余电力载波通信的脐带缆中的电源是否符合要求。

1 复合电液水下生产控制系统组成

复合电液控制包括水上和水下2个组成部分，其中水上部分有：MCS，不间断电源(Uninterrupted Power Supply，UPS)，EPU，液压动力单元(Hydraulic Power Unit，HPU)，化学药剂单元(Chemical Injection Unit，CIU)，脐带缆上部终端总成(Topside Umbilical Termination Assembly，TUTA)和应急关断系统(Emergency Shut Down，ESD)等；水下部分[7-9]有：水下脐带缆终端单元(Subsea Umbilical Termination Unit，SUTU)，水下脐带缆终端接头(Umbilical Termination Head，UTH)，液压分配单元(Hydraulic Distribution Unit，HDU)，电气分配单元(Electrical Distribution Unit，EDU)和水下控制模块(SCM)等。图1为复合电液水下控制系统框图。 从图1可以看出：EPU提供了MCS和SCM之间的通信接口和电力供应，为每个SCM提供双电力供应和通信通道；EPU将信号加载在动力线路上与SCM进行通信，在平台上由UPS供电，然后通过脐带缆向包括SEM，电磁换向阀和压力温度传感器等水下设备提供动力电源。

图1 复合电液水下控制系统图

EPU不仅能为水面的MCS，HPU，CIU和水下的SCM等设备提供双通道电源，并且可以通过其内部设置的调制解调器，实现MCS和SCM的电力载波通信。EPU内部的冗余模块(A/B)单独连接到单相交流220 V，频率50/60 Hz的UPS电源。EPU设计为一个全封闭的标准19英寸含有机架隔间的机柜，输出电路包括主电源电路、水线以上部分输出模块和水下输出模块。EPU内部放置升压隔离变压器、线路绝缘监测仪表、电压和电流监测仪表、短路保护和相关的控制和仪表。

2 目标油田基本参数设定

假设目标油田主要水下设备包括：8棵水下采油树，1个水下生产终端管汇(Pipe Line End Manifold，PLEM)，1个水下生产中心管汇，1个SUTU，1条15 km主脐带缆，2条油田内部脐带缆，8根60 m的电飞缆(Electrical Flying Lead，EFL)，1条约30 km的海底管线。系统采用690 V交流电源(50 Hz)供电，SCM与MCS通信通过电力载波(二进制相移键控BPSK，波特率9 600)实现，在频率为4～30 kHz范围内，最大允许的通信信号衰减为35 dB。BPSK(Binary Phase Shift Keying)通信在 SCM和MCS 2个方向上均可成功运行，误差小于0.2%。目标油田主要水下设备布置图如图2所示。

图2 目标油田主要水下设备布置图

2.1 电缆线

主脐带缆选用16 mm2双绞屏蔽线，其主要技术指标见表1。

表1 脐带缆主要技术指标

图3为16 mm2双绞屏蔽线线最大信号衰减仿真结果。实际应用中上电缆线的信号衰减情况不会比模拟的情况更差。

电飞缆选用AWG 14电缆，其主要技术指标见表2。

图3 脐带缆最大信号衰减仿真

表2 电飞缆主要技术指标

图4为AWG 14电缆线最大信号衰减的仿真结果。实际应用中电缆线的信号衰减情况会优于模拟的结果。

图4 电飞缆最大信号衰减仿真

从图3和图4的模拟结果可以看出：载波信号最大衰减值在30 kHz处，安全余量将超过频率范围的上限(26～30 kHz)，但通信系统仍能正常工作。因此，在项目中实际使用的脐带电缆、电飞缆应等于或优于上述规定的脐带电缆。

2.2 SCM功率消耗

设定单个SCM内部安装24个各类传感器、14个电磁换向阀(最多控制14路阀门输出管路)、采油树上安装2套压力传感器、2套SEM，其中电磁换向阀通过SCM指令脉冲控制，只有瞬间功耗(标准功耗12 W)，持续时间可调(一般不超过5 s)。单棵采油树功耗见表3(Moden发送，电磁阀动作Moden接收，电磁阀不动作)。

表3 单颗采油树功耗表

复合电液水下生产控制系统中，功率和信号通信传输均在同一个物理线上进行，因此功率和通信线的计算是相互关联的。

3 电源及通信分析

3.1 功率计算

图5 脐带缆等效电路图

脐带缆可等效为1个欧姆电阻、1个电感和2个电容，并可计算相关量值。脐带缆等效电路如图5所示。

对于60 m的EFL(截面大小为2.08 mm2)，其总的电阻值为：0.06 km×17.8 Ω/km=1.07 Ω。因此，当EFL与1个SEM串联时，EFL的电阻可以忽略不计。

SEM可以认为是可控电流源，其电流源独立于输入电压，能调整功耗和功率因子满足要求值。EPU认为是恒压源，其内阻为2 Ω。如果SCM的电压大于300 V交流,电力传输则在额定范围内，SCM最大输出功率为135 W，其中包含24 V DC，±15 V DC，5 V DC输出电压。如果SEM的输入电压在保护范围内，SEM电源能在其过压或欠压情况下自动恢复。SCM在电磁阀开/关过程中会产生200 ms的电涌功率，在此期间将会增加130 W的额外功率，使SCM的最大功率增加到201 W。

3.1 BPSK通信计算

针对水下电力系统电路特点，脐带缆或EFL可采用二端口网络法[10]进行分析建模,如图6所示。

图6 EFL二端口网络建模

(1)

式中：Z为阻抗；R′为单位长度电阻载荷；G′为单位长度电导率；L′为单位长度感应系数；C′为单位长度电容。

式中：ω=2πf；g为电导系数。

式(1)和式(2)可转化为

式中：U1为 输入电压；U2为输出电压；I1为输入电流；I2为输出电流。

式(3)和式(4)为导纳矩阵乘以包含U2和I2的向量，得到输出向量U1和I1。波响应量取决于终端电阻,可表示为R2=U2/I2。如果EFL与SCM/SEM串联,那么在通信计算时,SCM中的60 mEFL可以忽略不计,因为其对系统的影响可以忽略，而与R'，L'，C'和G'相关。与主脐带缆相比，不用考虑SDU/SUTU内部布线。如果放大大于-35 dB或者衰减小于35 dB，信号能够充分传输。

4 分析结果

4.1 信号分析结果

通信分析的基本结果如图7和图8所示。由图7和图8可知：在4～30 kHz频率范围内，信号能够正常的传输。

图7 MCS到SCM的通信分析结果

图8 MCS到SCM的通信分析结果

4.2 电源分析结果

16 mm2双绞屏蔽线功率分析的基本结果如图9所示。由图9可以看出：在0～0.5 s内，电源能够稳定输出。

图9 电源分析结果

5 结论

复合电液控制是目前水下生产控制系统的主流控制方式，尤其适用于深水、大型油气田的开发，在平台距离水下生产系统30 km的范围内，电源动力模块输出电压690 V AC的条件下，采用4～30 kHz频率的载波信号能够叠加在动力电源上进行传输，并且在0.5 s的时间内达到稳定输出。

[1] 高原,魏会东,姜瑛,等.深水水下生产系统及工艺设备技术现状与发展趋势[J].中国海上油气,2014,26(4):84-90.

[2] 范亚民.水下生产控制系统的发展[J].石油机械,2012(7):45-49.

[3] Petroleum and Natural Gas Industries.Design and Operation of Subsea Production Systems-Part 6:Subsea Production Control Systems :ISO 13628-6 [S].2006.

[4] 范玉杨,苏峰.水下系统液压控制与复合电液控制分析比较[J].中国石油和化工标准与质量,2014,34(8):34-35.

[5] 郭宏.水下生产控制系统供电电压降落分析及方案设计[J].中国海上油气,2015,27(3):150-153.

[6] 曾溥阳,范赞,郭骏,等.水下生产系统主控站系统设计及应用[J].科技广场,2016(5):40-44.

[7] 陈炽彬.崖城13-4气田水下控制系统设计及应用[J].中国海上油气,2015,27(4):126-130.

[8] 胡意茹,魏澈,李强,等.长距离水下生产复合电液控制系统电力分析与设计[J].中国海上油气,2016,28(1):139-145.

[9] 邱关源．电路[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

工业和信息化部科研项目[2014]509号文“水下控制系统对接盘、锁紧机构研制”

梁 斌 (1975-)，男，高级工程师

1001-4500(2017)03-0074-07

TE953

A