基于東海邊際氣田水下控制系統集成裝置研制

文/朱曉茵 毛英超

基于東海邊際氣田水下控制系統集成裝置研制

文/朱曉茵 毛英超

通過相關課題研究，依托國內工程設計和加工制造能力，建成我國東海第一套具有自主知識產權、適用于目標氣田的水下控制模塊裝置，完成水下控制模塊的設計和加工制造的技術儲備，初步掌握其設計和制造技術，培養技術隊伍，為東海邊際氣田水下生產系統在中國的推廣奠定基礎。

水下控制模塊

水下控制系統可以分為：直接液壓系統(Direct Hydraulic Control System)、先導液壓系統(Piloted Hydraulic Control System)、順序電液復合式系統(Sequenced Hydraulic Control System)、硬線先導電液壓系統(Hard - wired Electrohydraulic Control System)、電液復合式系統(Multiplexed Electrohydraulic Control System)、全電系統(All-Electric Control System)。目前復合電液控制系統的應用最為廣泛，它以快速的響應速度、高容量的數據反饋以及良好的靈活性和適應性贏得了水下設計公司的一致認可。預計在很長一段時間內，復合電液控制系統仍是水下控制系統的主流方式。

水下控制模塊是復合電液控制系統核心設備之一，負責水下井口生產油氣流的輸送控制。由于各個油氣田的油氣藏開發方案、井口布置方案的不同，相應的水下控制模塊也各不相同，需要根據開發方案、功能要求、技術參數，乃至應用環境等需求與條件單獨設計、制造。尤其在邊際油氣田開發中，不僅要考慮其安全性、可靠性，而且還得從“邊際性”特點出發，實現液壓設施的集成化和輕量化。項目以水下控制模塊作為研究對象，開展設計及樣機研制工作。

總體設計及具體實施

項目水下控制系統包括水下控制系統和水面控制及監視系統。主要參數包括：設計水深350米；設計壓力高壓5000psi、低壓3000psi；設計溫度10～60℃；控制井數1～3口；控制距離3～7km；響應時間≤10min（單井開關）。

建造完畢后，整個水下控制模塊系統固定在管匯上，用于控制水下管匯以及水下采油樹上閥門的開關動作，同時監測各單井的水下壓力及溫度變化；水上部分布置在石油平臺上，通過電液混合纜與水面控制系統連接。

水下控制模塊結構采用316L不銹鋼殼體包裹元器件設計，通過其自鎖裝置集成在水下管匯結構中間，它使用一根電液復合的混合纜，將平臺上部的控制信號通過水下管匯ROV操作面板傳輸至水下控制模塊，同時將海底各井壓力溫度情況反饋回平臺。

液壓系統設計部分，控制原理如下：

1．正常工作：主控制閥1得電，高壓油經過閥1和閥5流向油缸無彈簧腔，推動油缸運動；油缸有彈簧腔的低壓液壓油經閥2后，流回T口。主控制閥1失電，油缸無彈簧腔油壓降低，油缸在彈簧的作用下，活塞向無彈簧腔運動，液壓油經過閥5和閥1流向T口，此時T口油經過閥2流向油缸有彈簧腔。油缸復位至初始位置。

2．閥1長時間得電，失電后不復位：主控制閥1得電，高壓油經過閥1和閥5流向油缸無彈簧腔，推動油缸運動；油缸有彈簧腔的低壓液壓油經閥2后，流回T口。由于長時間電磁閥1處于工作狀態，閥芯由于各種原因卡死，閥1失電，閥芯不歸位，導致油缸沒有辦法復位至初始位。此時開啟閥2，閥2出口得到高壓液壓油，控制閥3關閉，高壓油不在給閥1供油；閥6開啟單向閥。高壓油經過閥3進入油缸有彈簧腔，推動活塞向無彈簧腔運動；無彈簧腔中液壓經過閥6和閥3，流向T口。油缸復位至初始位。如果油缸想向有彈簧腔運動，只需關閉閥2，油缸就可以運動至有彈簧腔。閥2得電，油缸就可以復位。

3．閥1得電或者閥1電磁閥斷路后，閥芯無動作：閥1無法正常工作，此時開啟閥3，閥3出口得到高壓液壓油，控制閥5換向，高壓液壓油經過閥3和閥5、閥6，流向油缸無彈簧腔。推動油缸運動；油缸有彈簧腔的低壓液壓油經閥2后，流回T口。閥3失電，閥5復位，閥5的2口和3口通。油缸無彈簧腔油壓降低，油缸在彈簧的作用下，活塞向無彈簧腔運動，液壓油經過閥5和閥1流向T口，此時T口油經過閥2流向油缸有彈簧腔。油缸復位至初始位置。

水面液壓系統設計部分，水面液壓系統主要為水下控制系統提供壓力源，不做主驅動源，故要滿足系統要求的工作壓力。考慮海上使用需要耐腐蝕的環境，液壓油箱采用全封閉式316不銹鋼制作，避免腐蝕及微粒雜質及水汽進入油箱導致工作油污染。水面液壓泵站外設保護架，避免船舶晃動過程中，碰傷液壓泵站。

水下液壓系統設計部分，整個液壓系統由4組高壓（5000psi）；12組低壓（3000psi）液壓通道組成，每一個液壓通道均有壓力傳感器監測，兩個2.75L的補償器使箱體內外壓平衡處理，解決箱體耐壓及防水問題。

水下控制系統電控設計部分，水下控制系統的電控部分由電源、水面控制計算機、控制面板組成、通訊模塊組成，水下部分由電源模塊、絕緣檢測、漏水檢測、采集板、電磁閥驅動板等組成。整個系統采用一用一備熱冗余形式組成，通過監控，實時切換。

水面控制計算機下發指令，并顯示水下生產系統的整體運行狀況；水下控制部分采集生產系統各處溫度、壓力、流量計等傳感器信號，同時對控制系統本身的工作狀態進行實時監測，如：電壓、電流、電源對地絕緣情況、電磁閥執行指令結果等，并對可能存在的密封艙、充油艙等的漏水進行監測，保證作業人員及時了解系統的工作狀態。

由于系統位于水下，系統的檢測維修都存在若干不便，且故障時耗費時間影響系統整體作業時間和效率。本系統的水下控制部分采用雙機熱備方式，即存在兩路完全相同的控制驅動系統，互相之間隔離，分別采用不同的通訊地址。當一路控制部分系統故障或與上位機通信異常，或者電磁閥驅動板執行結果異常時，上位機將停止與此路控制部分通訊交互，轉而與另一路備用系統建立通訊。另外，電磁閥驅動部分也采用了充分的備用通道，針對電磁閥故障也可切換至備用通道。

電路設計部分，系統采用水面供電，交流220V，傳輸500米至水下部分的電子艙；再經轉換后提供各部分需要的各種低壓直流。

輸入的220VAC先轉換為300VDC，再經DC/ DC轉換為兩路隔離的24VDC，一路24VDC作為傳感器、主控板電源，并轉換為5V供應絕緣檢測板等電路；一路24VDC供應電磁閥驅動板。電源設計中DC/DC均為具為隔離電源，以使相應后級電路完全隔離。

絕緣檢測板對每路電源的電壓、電流和對地絕緣情況進行檢測，并響應上位機查詢；主控板獲取各路壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器信號，執行上位機控制指令，并上傳指令執行結果和各檢測信號；電磁閥驅動板執行主控板轉發的控制指令，并檢測執行結果，再反饋給主控板。

主控板與電磁閥驅動板之間以RS232通信，絕緣檢測板與主控板通過RS485經500米混合纜傳至水面控制臺。

控制電路系統采集兩個溫壓傳感器（共四路電流信號）、7路壓力信號（電壓信號）、2個流量計信號（電流信號）；另外作為水下作業控制電路，有必要對環境進行實時監測以避免密封艙漏水，控制板上設計有4路漏水檢測信號，分別接至不同檢測位置。另外，作為以后可能的擴展，板卡上設計了實時時鐘電路和SD卡存貯電路，設計了備用的4路RS232，以及一路備用的RS485接口。

液壓驅動電路，由于電磁閥驅動在開關瞬間會產生干擾脈沖，為避免驅動輸出對控制部分的影響，前后級采用光耦隔離的控制方式；前端采用大功率MOS管作為驅動輸出。板卡設計了豐富的冗余驅動通道。

控制臺面板電路，為便于操作，控制柜面板上設置5個帶燈按鈕，分別用來控制不同電磁閥。板卡分別采集5路IO量以及輸出5路24V，供驅動面板指示燈。板卡與計算機之間通過RS485通信，與掛接在下位機通信的同一對雙絞線上。

下位機控制系統，考慮到電路功能備份，采用兩套相同的控制板和驅動板，采用的也是互相隔離的電源，通過軟件協調，在一塊電路板發生故障情況下自動切換至另一路控制系統工作。

系統除完成項目需求功能外，還提供豐富的備用數字、模擬接口，以備外接傳感器和其他執行部件。

軟件設計部分：電磁閥驅動板軟件設計，電磁閥驅動板采用STM32F103系列的ARM處理器，采用嵌入式實時操作系統RTX，內建多個工作任務，分別執行接收控制板指令、執行狀態檢測等工作。

串口中斷接收來自控制板的指令，收到完整指令后向主任務發送事件，主任務開始執行，并收集執行結果，最后打開串口發送中斷，講執行結果反饋給控制板并最終在上位機界面得以顯示。

控制板軟件設計，控制軟件基于FreeRTOS實時操作系統編寫，主要分為AD采集、與上位機通信、漏水檢測、驅動板通信四個任務。所有通信收發采用中斷方式，收到完整信息幀后，向相關任務發送事件信號；相關任務收到事件信息后，對信息數據進行處理，并反饋相應信息。

接收指令的中斷程序檢查收到的字符并判斷是否收到完整指令串，若是，則給處理任務發信號量，否則繼續監視數據流，尋找正確的指令數據流。

上位機控制軟件設計，上位機采用C#開發，設立兩個定時器，一個處理下位機回傳數據的解析和顯示，另一個處理各種介面操作和下發控制指令。顯示內容包括六個壓力傳感器數據、2個高精度溫壓傳感器數據以及兩路流量計信號。主控制界面，包含了了豐富的工作狀態信息和控制電路本身及工作環境信息，便于作業人員及時了解工作情況并作出相應處置。

水面控制柜設計部分：配電系統，水面采用380VAC供電，經充油纜傳輸至水下控制部分，再采用Vicor的電源模塊轉換為24VDC，供應水下控制采集部分和驅動部分電源。

水下控制系統，采用32位ARM處理器STM32F4的控制模塊，雙機熱備（此處簡稱A、B），設初始時A為輔機，平時處于偵聽狀態；B為工作主機，采集數據傳輸并執行上位機動作指令。當A收不到B的信號時，A認為B處于異常，將B復位，若仍未得到B信號，則認為B損壞不能工作；此時切換至A負責數據采集和控制。為確保信號執行，每路輸出均設置反饋。

軟件功能包括：圖像顯示各個傳感器數據信息；操控各路電磁閥動作；提示溫度、壓力、漏水、絕緣等報警信息；記錄傳感器數據信息。

水面配電柜的外殼選用NEMA 4X IP65型不銹鋼外殼，能非常好的抵抗外界氣候變化和振動。它的前面板，即供人打開執行操作的地方，有一個不受天氣影響的墊圈，能抵御其他所有外部泄漏。固定在水面控制柜內的部件通過自鎖螺母和密封膠固定。雖然外殼不受氣候干擾，配電柜還是需要在干燥、室溫條件下進行安裝。

邊際氣田水下生產系統將顯現其重要性

項目主要針對邊際氣田而開展，結合東海邊際氣田的實際情況進行研究，國內重點突破了水下控制系統相關關鍵技術，使得儲量5億方以下的邊際氣田具有經濟開發價值。

總體上，隨著水下生產系統在海上油田開發中的逐步應用，水下生產系統，尤其是邊際氣田水下生產系統的重要性將會進一步的顯現出來。通過對水下控制系統研發中的關鍵技術問題開展進一步的攻關，不僅可以帶動國內水下生產系統的研究工作，為我國的油氣田開發工作服務，而且可以進一步為水下生產系統的應用、性能評價、維修和產業化等奠定基礎，同時也必將產生明顯的經濟效益和社會效益。

（作者朱曉茵就職于上海石油天然氣有限公司，作者毛英超就職于上海利策海洋工程技術有限公司）