水下控制系统电分配工程应用关键技术研究

陈斌 周学军 苏锋 李斌 徐祥娟

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津，300451)

（2.中海油研究总院有限责任公司，北京，100028）

引言

随着水下生产系统技术的不断发展，水下控制系统监测与控制功能的需求与日俱增、控制功能与水下电网拓扑结构越发复杂，需要对水下控制系统电力进行相关设计，水下控制系统的电力负载也在不断的发生变化，供电是水下控制系统中十分重要的组成部分[1]，供电方案与供电距离和供电负载密切相关，不同的供电距离、不同的供电负载，都有可能需要设计不一样的供电方案。

近年来，随着国内对于水下生产系统设计技术的掌握，部分设备已经开始国产化研制或者工程示范应用。对于水下控制供电系统，目前还尚未有国产设备研制并进行工程示范，这对于利用水下生产系统技术开发的油气田工程而言，不仅开发成本居高不下，而且相关设备供货周期成为制约项目开发的主要瓶颈之一。

基于国家创新示范项目的支持，在我国南海的乐东区块进行相关水下生产系统相关设备进行示范应用。文章以乐东区块为目标气田，进行水下控制电力系统的设计、电力分配模块的集成创新，为后期进一步深度的国产化奠定基础。

1 目标气田基本情况

东方1-1东南及乐东22-1南气田开发项目包括位于中国南海的东方1-1东南气田和乐东22-1南气田。东方1-1气田东南部气田水深约为72 m。乐东22-1南气田水深约94 m。乐东22-1南气田也将采用水下生产系统技术进行开发，并通过一条9公里长的海底管道与现有的LD22-1CEP平台连接。现场总平面图如图1所示。

图1 目标气田水下生产设施示意图

2 水下控制系统电力分配设计技术

乐东22-1气田水下控制系统，由LD22-1CEP平台的不间断电源（UPS）为水下控制系统电源单元（EPU）提供电力，经过变压、滤波和电力载波后，通过脐带缆上部终端（TUTA），一般是接线箱，将电力及控制信号以电力载波形式连接至脐带缆传送至水下脐带缆终端（UTH），在UTH结构内部通过熔接、硫化等方式，以湿式电接头形式输出。然后通过水下电飞线连接至水下分配单元（SDU）的电分配模块（EDM）实现电力分配，将每1个QUAD电力信号分配成3路，分别为水下路由模块（SRM）、管汇上水下控制模块（SCM）和采油树上控制模块（SCM）供电。

图2 水下控制系统电力系统图

在本项目中，电分配模块（EDM）由2个水下电分配箱（EDB）组成，构成冗余的分配电网络，如图3所示，每个分配箱分别为2个水下控制模块和1个水下路由模块供电，水下路由模块再为水下声矢量监测系统（HPH）和水下闭路电视监控系统（CCTV）供电。2个水下控制模块和水下路由模块分别连接至2个电分配箱，均为冗余供电，如果连接其中一条线路上的电分配箱或者电飞线出现故障，水下控制系统仍可以继续工作，这样大大提高了系统供电的可靠性。

图3 水下电分配箱原理图

3 水下控制系统电力计算分析

在构成了水下控制电力分配网络后，需要对水下控制系统电力供应进行分析。该分析决定了水下控制系统电力方案是否合理与脐带缆选型、电飞线选型和控制设备参数制定是否准确。

针对以往电力分析中仅考虑单参数计算而造成结果精度低的问题，首次建立了平行电力线电阻电感双参数等效计算模型，确立了一种长距离复杂拓扑结构下的双变量电力负荷分析方法。保证可靠性前提实现了电力系统设计方案优化。表1是基于双参数的供电方案计算分析结果。

表1 水下电力系统计算分析结论

分析结果表明，基于本项目的供电方案，电力单元（EPU）的电压在16mm2电缆截面前提下，供电范围在352.54V到593.75V之间变化，沿程最大电压损耗为17.44%，不超过行业及标准规范要求的30%。

考虑到不同的电缆供应商电缆参数可能会存在微小变化，从而会导致不同的计算结果，建议主脐带缆尺寸为16mm2。考虑到本项目的水下路由模块及其负载较大的特点，建议将4芯缆中的其中2芯作为独立使用，为其供电，够满足SRM及其负载在LD22-1区块的电力需求。

由于电力单元（EPU）的工作电压窗口在352.54V至593.75V之间，在产品设计过程中，不同的承包商可能使用不同的功耗和电压窗口，考虑到项目的特殊性，建议在电力单元（EPU）上为水下控制模块（SCM）和水下路由模块（SRM）分别设置一个独立的电源模块。

4 水下控制系统电力分配模块设计

水下电分配箱（EDB）,考虑其需要可回收，设计有水下电分配箱本体、导向外壳和锁紧销三大部分组成；其中，水下机器人或者潜水员通过提升把手将水下电分配箱本体安装在导向外壳上，再用安全锁紧销进行固定，通过上述安装连接构成能够实现水下机器人（ROV）或者潜水员进行安装或者回收的水下电分配箱本体。水下电分配箱体积小，节省材料和水下结构物上的空间，在海上安装或者方便且容易实施，提高了海上工作效率，降低了施工成本。

在电分配箱内部安装有电分配箱元器件集合体，由一个输入的插座（Pin）、三个输出插座（Socket）和电分配盒构成，插座形式的选取主要保证在带电操作情况下导体不与海水接触而造成短路。插座均通过螺钉固定在电分配箱的本体面板上，电分配盒固定在电分配箱本体的底板上通过螺栓，之间的电缆需要固定在箱体上。

图4 水下电分配箱外壳图 图5 水下电分配箱本体图

图6 水下电分配箱内部元器件构成图

5 水下控制系统电力分配模块结构计算分析

对水下电分配箱的本体结构需要进行有限元分析，确保结构强度设计满足工程工况需求。按照项目实际情况，对吊绳吊装工况、ROV上提工况，ROV撞击工况和模块的对接撞击工况进行有限元分析，分析结果均满足设计要求，如图7-10所示。

图7 吊绳吊装工况

图8 ROV上提工况

图9 ROV撞击工况

图10 电分配模块的对接撞击工况

6 水下控制系统电力分配模块测试

对完成制造及集成的水下电分配箱进行测试，确保其性能和功能满足项目需求。测试主要参考标准ISO 13628-1，ISO13628-6，ISO 13628-8，测试的主要内容包括：外观检查、吊耳测试、重量、重心测试、安装，回收模拟测试、短路测试、绝缘测试、模拟电插拔测试和电连续性测试。

7 结论

水下控制系统电分配工程应用技术是一个任重道远的课题，因为电分配元器件技术还需要进一步研发，在集成创新后，我们进一部借助结合产学研的方式，将承压式水下电分配本体作为研究攻关的方向。