水下混輸增壓泵檢測控制技術應用研究

沈 丹，王 磊，鄭 鵬，韓 俊

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

隨著海洋油田開發形勢的變化，降低原油的生產成本成為提高效益的一種有效途徑。采用常規技術開發深海油氣田可能不經濟，甚至難以對高氣油比的油田進行開發。水下混輸增壓系統可作為水下生產系統的前置關鍵增壓設備，具有油氣混輸能力強、建設周期短和投資少等特點，采用該系統可盡量少地建造海上生產平臺，使深海油氣田得到有效開發[1]。水下混輸增壓泵是水下混輸增壓系統中的關鍵裝備。

國外對水下混輸增壓系統技術研究已有30多年歷史，其相關產品的開發和應用已比較成熟。1985年，阿吉普（AGIP）、Snamprogetti和新比隆開始開發水下增壓系統（Submarine Booster Station，SBS），第一代SBS在意大利阿吉普公司所屬的Prezioso海上油田通過試驗，運行狀況良好[2]；德國Leistritz公司和巴西石油、Curtiss-Wright合作開發的SBMS-500海底混輸增壓系統經過陸地上一連串壓差超過6MPa的測試之后，于2006年上半年應用于水深超過500m的巴西海域[3]；美國Flowserve公司和殼牌石油公司2010年3月合作完成1臺壓差17.2MPa、位于水深3000m處的雙螺桿混輸增壓泵的測試，在壓差和水深方面都具有里程碑式意義，隨后Flowserve公司對其進行全方位的系統測試，取得良好的效果[4]。

當前國內對該領域裝備的研制還處于空白狀態，雖然以中國海洋石油公司、中國石油海洋工程公司和中國石油大學等為代表的研究機構研究過海上鉆采設備及各項技術，但對海底多相增壓設備的研究很少，已開發的淺水油田采用的水下混輸增壓系統均為采購的國外產品。中國石油大學[1]已開發出最高含氣率達85%、流量達150m3/h、5級葉輪總增壓1.5MPa的高性能多相泵樣機系統，但在多相泵的整體性能方面還有待繼續研究，同時仍需繼續開展對整個水下增壓系統的研究。

因此，開展水下混輸增壓泵研制，實現混輸增壓系統設備的國產化，降低對國外產品的依賴，打破國外技術壁壘，對我國海洋石油工業的發展具有重大意義。水下混輸增壓系統示意見圖1。

水下混輸增壓泵檢測控制技術是水下混輸增壓泵系統的重要組成部分，主要包括水下信號的檢測、數據融合處理、混輸泵及電機控制和水下閥門控制等。水下混輸增壓泵檢測控制系統功能結構見圖2。

圖1 水下混輸增壓系統示意

圖2 水下混輸增壓泵檢測控制系統功能結構

1 控制系統軟硬件設計

水下混輸增壓泵檢測控制系統可按照空間結構劃分為水面主控制站和水下從控制站2部分（見圖2）。從功能上看，2個控制站分別響應該區域的電氣控制需求。

具體而言，水面主控制站硬件主要由水面綜合顯控計算機、綜合控制臺、不間斷電源（UPS）、串口通信模塊和變頻器等組成，既是整個混輸泵檢測控制系統的操作輸入和綜合信息顯示人機接口，也是遠程遙控的終端。水面主控制站與水下從控制站之間通過 1550m的通信纜連接，利用屏蔽雙絞線傳輸控制指令和狀態參數。

水下混輸增壓泵檢測控制系統軟件設計主要分為水面顯控軟件設計和水下數據采集軟件設計2部分，并通過RS485串口通信實現數據的傳輸和設備的控制。

1.1 水面顯控軟件設計

水面顯控軟件工作流程見圖 3。系統開機之后先對系統進行初始化，包括串口設置、PCI板卡設置、用戶設置及數據設置等。在初始化完成之后，單擊“串口連接”按鈕，打開通信串口，開啟數據通信通道，同時開始3個定時器，分別用于實時檢測操作面板上的控制指令、與水下和變頻器端進行數據傳輸及記錄數據。水下數據和變頻器端數據的接收方式為事件觸發，當有數據傳送至水面顯控軟件時，自動觸發數據接收函數，接收數據并處理之后在水面顯控界面上顯示。

軟件界面由Borland Delphi編程工具開發，水面顯控軟件界面見圖4。

圖3 水面顯控軟件工作流程

圖4 水面顯控軟件界面

1.2 水下數據采集軟件設計

水下數據采集軟件主要實現水下傳感器信號的數據采集和數據傳輸，運行在Vxworks操作系統上，具有實時性強和可靠性高等特點[5]。水下數據采集軟件工作流程見圖5。系統初始化主要包括串口設置、AD設置和數據設置等。在初始化完成之后，打開串口，啟動水下數據采集任務和數據發送任務，水下計算機開始采集傳感器數據，并對采集的數據進行簡單的數據處理，處理完之后打包發送給水面顯控軟件。

圖5 水下數據采集軟件工作流程

2 水下傳感器檢測系統設計

水下傳感器檢測系統主要實現水下各傳感器信號的檢測，采用模塊化的設計方法，根據不同的檢測信號搭載不同的傳感器模塊。傳感器模塊及檢測的信號見表1。

表1 傳感器模塊及檢測的信號

3 混輸泵及電機控制

混輸增壓泵轉速控制分為手動控制和自動控制2部分。手動控制通過監測泵入口壓力數據，手動修改變頻器頻率來實現。實現過程為：若壓力低于設定閾值，則手動降低變頻器頻率使電機轉速降低，從而使增壓泵入口壓力升高；若壓力高于設定閾值，則手動提高變頻器頻率使泵流量增加，從而使增壓泵入口壓力降低。

轉速自動控制由增量式PID控制策略[6]實現。實現過程為：檢測增壓泵的出口流量，并將流量信號反饋給PID控制器，控制器通過對采集的信號和設定的目標值進行比較運算，將結果作為頻率指令輸送給變頻器，改變增壓泵電動機的轉速，使增壓泵的出口流量始終保持在設定的流量范圍之內。即當出口流量低于設定值時，控制器使變頻器輸出頻率增大，電動機轉速增大，增壓泵排量增加，直至達到設定值；反之，當出口流量高于設定值時，控制器使變頻器輸出頻率降低，電動機轉速降低，增壓泵排量減少，直至達到設定值。圖6為轉速閉環控制系統框圖。

圖6 轉速閉環控制系統框圖

轉速自動控制中給定的流量由手動控制的結果來設定。增量式PID控制模型[7]為

式(1)中： ()kU 為當前時刻測量值； ( 1)k-U 為前一時刻測量值； ()e k為當前時刻誤差； ( 1)e k- 為前一時刻誤差； ( 2)e k- 為前前時刻誤差；A、B和C中的PK 為比例系數；T為采樣周期；IT為I控制器的采樣周期；DT為D控制器的采樣周期。

4 混輸管線閥門控制

混輸管線共設計有入口閥門、出口閥門和回收控制閥等3個閥門。入口閥門和出口閥門均為開關型閥門，只有開和關2種工作狀態；而回收控制閥為調節型閥門，可通過控制電壓的大小調節閥門的開度，從而起到控制管線內液體流量的作用。入口閥門和出口閥門分別位于混輸管線入口及出口處，為非承壓閥門；回收控制閥位于回收管線中，需承受 19MPa的壓力。對回收控制閥的控制操作也是在承壓的條件下進行的。因此，對回收控制閥進行19MPa的充油耐壓試驗。

在整個加壓和減壓過程中，分別對回收控制閥進行控制，閥門控制正常，滿足使用要求。

5 試驗驗證

為驗證水下混輸增壓泵檢測控制系統的穩定性，先后對該系統進行壓力筒試驗和水池試驗（見圖7和圖8）。壓力筒試驗主要檢驗在0～18.75MPa加壓、保壓和卸壓流程下，混輸泵總體系統的密封性能和功能考核。水池試驗主要檢驗混輸泵系統在水下的各項功能，進一步檢查混輸泵、電機和均化器等設備在水下的運行情況及總體集成效果，確認任務流程的可行性，考核信息流和控制流的正確性及可靠性。

圖7 壓力筒試驗

圖8 水池試驗

水下混輸增壓泵檢測控制系統驗證試驗結果見表2。

試驗驗證結果表明：水下混輸增壓泵檢測控制系統設計合理，工作穩定、可靠，能實現信號檢測、電機控制和閥門控制功能，滿足設計要求和使用要求。

6 結 語

本文針對1500m級水下混輸增壓系統，開發了一套水下檢測控制系統。該系統可通過檢測水下各傳感器信號，實現對水下電機和水下閥門的控制。試驗驗證結果表明，該檢測控制系統具有良好的可靠性、安全性和穩定性。該水下混輸增壓泵檢測控制技術研究可為今后水下混輸增壓系統的設計和研究提供一定的參考。