浅谈电滑环在海洋油气田中的应用

丁洪霞 李璇 陈亮 刘建申 代华伟

摘要：介绍了滑环的种类及其在FPSO单点系泊系统中的应用，分析了电滑环的故障类型和故障原因，并在此基础上提出了相应的改进措施。

关键词：FPSO;电滑环;单点系泊系统

0 引言

某海上油气项目新建一套浮式生产储油外输装置（FPSO），水下生产系统开采的油气在水下管汇汇集并通过海底管道输送到新建的FPSO储存、外输，水下生产系统的电力和控制电源均通过新建的FPSO单点系泊系统中的电滑环经海底电缆提供。随着电滑环在FPSO中的广泛应用，其可靠性得到了人们的关注。

1 滑环的结构和原理

滑环是FPSO单点系泊系统中的关键器件、连接固定部分和旋转部分的连接件以及输送电能与信号的电气部件。滑环包括旋转和静止两个部件，旋转部件也称为转子，用于连接设备的旋转部分并与之一起转动;静止部件也称为定子，用于连接设备的固定部分。转子部件和定子部件按照精密叠加的单通路结构设计，将转子与定子的通路一一搭接，形成定子与转子之间的回路。各通路之间的电气特性彼此独立，互不干涉。而定子与转子之间通路的形成，则必须存在两者间的接触，它们的触点是整个滑环的功能部位，是整个滑环各种性能体现的载体。因此，通过合理选择接触件材质，保证各部件之间配合的精密度，合理设计结构等，可以组成可靠、稳定的旋转连通系统。在旋转设备上装设滑环，通过滑环的两端引线，在旋转的状态下，即可传输所需的各类信号。

电滑环亦被称作导电滑环、集电环、电刷、换向器等，是实现两个相对旋转设备间电流、数据或图像信号及动力传递的精密传输装置。其常用于360°无限连续旋转，要求从固定设备到旋转设备传输电能、数据信号等的机电系统领域。

2 电滑环在单点系泊系统中的应用

单点系泊系统的功能是系泊FPSO，使FPSO如同风向标一样处于环境力最小的方向上，通过旋转接头达到输送电力、运送井流和水下生产系统必需的化学药剂等目的，并通过专用的旋转接头为海底管线提供通球能力。

根据油田开发总体工程方案对单点系泊系统的功能要求，确定配置滑环组的方案，自下而上依次是液滑环、中压电滑环、低压电滑环和光滑环。

2.1    液滑环

液滑环连接生产立管和FPSO生产系统，用于接收水下生产系统来液并输往FPSO生产系统做下一步分离处理。通球液滑环将海管通球所需的驱动清管球的液体由FPSO传送至水下管汇。液滑环在生产流程中的作用如图1所示。

由于不同油田生产系统需要不同的生产操作压力，为保证生产操作，目前此项目采用每个油田各配备一个生产液滑环，几个相邻油田共用一个通球滑环的方案。

2.2    中压电滑环

中压电滑环主要是把FPSO发出的电输送到水下生产系统的电潜泵中，实现水下配电。高压电引自FPSO，经过升高塔跨接电缆，连接至单点旋转系统的旋转部件（电刷）上;高压电再经由铜棒直接接到旋转系統的固定部件（铜环）与海缆连接。通过电刷与铜环的接触实现了电源与用电设备的连接。电刷背部装有弹簧压紧装置，保证与铜环之间接触良好。电刷始终围绕铜环转动，不论FPSO在哪个位置变动，电刷与铜环之间一直保持良好接触，从而保证电能的稳定传输。

水下配电系统如图2所示。

综合考虑对油田操作需求的满足性、可靠性、经济性等，要求每个中压电滑环设置一个备用回路，满足一口井的电潜泵供电需求。

2.3    低压电滑环

低压电滑环用于水下生产系统的控制供电以及FPSO与水下生产系统的通信。低压电滑环的电压等级小于1 kV。单点系泊系统通过低压电滑环传输用电设备的动力电源、照明电源、设备的控制信号、仪表火气和关断信号、通信CCTV和单点系统状态监测信号等，传输电压等级分别为380 V、220 V和24 V。

2.4    光滑环

光滑环通过连接各路光纤实现FPSO至各油田群的数据通信和传输功能，主要传输EMS系统（电能管理系统）的电能监控、稳控卸载信号以及网络通信和电视电话信号。

3 电滑环的故障分析和改进措施

3.1    电滑环异常问题及其原因分析

电滑环在运行中最常见的故障为发热、产生火花，严重损坏电刷和集电环，具体原因如下：

（1）通风不良导致的发热;

（2）接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热;

（3）机械摩擦等原因导致的发热;

（4）电压过高击穿产生火花;

（5）产品内部存在导电杂质引起短路或打火花;

（6）绝缘层磨损失效发生短路。

电滑环在运行中还经常出现信号丢包、失真、不稳定、不清晰等问题，具体原因如下：

（1）信号不匹配，设计与实际使用的信号类型不一致;

（2）信号受到外界或者产品内部其他强电及信号干扰;

（3）电阻过大导致信号衰减过大，无法传输;

（4）电阻变化过大导致信号不稳定;

（5）电流、电压、功率不稳定。

3.2    电滑环故障改进措施

以往项目通常加装复杂单点在线监测系统监测滑环的异常状态，根据反馈，加装了复杂单点在线监测系统的水下传感器部分故障率较高，使用寿命很短，难以实现设计初衷。借鉴以前项目的经验和教训，本项目增置单点状态监控系统用以监测电滑环状态。单点状态监控系统主要具备以下几方面功能：监测高压电滑环内部温度，监测高压电滑环实时电流，监测外部环境温度，监测单点振动情况。

全部测量数据均被中控ICS系统采集，可实现在线实时监控。通过设置电流、温度和振动的限值，最终实现声光报警功能。

监测信息汇总于中控室中，并可通过现有TCP/IP网络或海事卫星通信系统传输到陆地客户端或其他FPSO，台风停产期间该套装置应连续工作，实时监测。所有监测数据均可在FPSO中控室和陆地终端进行回放、查询，以便对滑环系统的安全性理论计算提供辅助评估。

4 结语

本文分析了电滑环在FPSO单点系泊系统应用中出现的故障类型和故障原因，并提出了相应的改进措施，从而确保了电滑环的稳定运行，提高了供电可靠性。

收稿日期：2020-12-25

作者简介：丁洪霞（1977—），女，四川人，工学硕士，高级工程师，主要从事海上油气电力系统研究及设计方面的工作。