水下生產控制系統液壓子系統仿真與優化設計

譚壯壯，曲文星，岳元龍

(1.中國石油集團海洋工程有限公司，北京 100028；2.中國石油大學(北京)信息科學與工程學院，北京 102249)

0 引言

目前，水下生產系統已成為深水和超深水油氣田開發中常用的開發方式[1]，并在淺海區域得到了一定的應用[2]。水下生產系統包括水下布置的采油樹、管匯、控制分配單元、水下處理設施和水下管纜等設施，通常依托浮式儲卸油裝置(floating production storage and offloading，FPSO)、浮式生產單元(floating production unit，FPU)、海上固定平臺或陸地終端等上部設施，完成井口采出物流的輸送[3]。

水下布置的設施通過臍帶纜與上部設施連接，采用復合電液控制系統完成對水下采油樹和管匯的遠程控制。水下生產控制系統的執行設備是水下采油樹、管匯等設備上的遠程控制閥門。這些設備位于水深300～3 000 m的深海海底，控制距離最長可達上百公里，對控制系統的要求極高。為滿足控制距離和響應時間，同時滿足安全、可靠和經濟性的要求，水下生產控制系統通常采用復合電液控制系統[4-6]，即采用液壓作為閥門控制的動力，同時使用電磁閥對液壓執行機構進行控制以縮短控制時間。由于深水設備的制造、安裝、維護成本非常高，因此通常采用復合式設計，即通過一條臍帶纜將液壓、電力、控制信號和化學藥劑輸送至水下油田附近，再將其分配到各個井口群的井口采油樹或管匯。

綜上所述，水下生產控制系統具有控制距離遠、可靠性要求高、響應時間長、系統復雜和人員無法干預等特點。控制系統的性能主要受液壓子系統設計的影響，在設計期間需要對液壓子系統進行建模分析[7-8]。國內外目前已開展了水下生產控制系統液壓分析的標準規范、設計要求等研究[7]，對液壓仿真的思路和流程進行了探索，并采用AMESim和SimulationX軟件建立了閥門操作、充壓和關斷(放空)工況模型[7-8]，但是對系統響應時間長等問題的研究和優化仍較少。

本文對水下生產控制系統液壓子系統進行了仿真分析，并針對緊急關斷工況下系統響應時間長的問題進行了系統優化設計，通過仿真比較了優化效果，為工程項目設計提供參考。

1 水下生產控制系統液壓子系統

水下生產控制系統采集水下儀表和設備的信號，并將控制信號傳送到水下設備，以完成對于水下管匯和井口等設施的控制。水下控制系統由水上設備和水下設備組成，并由臍帶纜連接。水上安裝的設備包括主控站(master control station，MCS)、液壓動力單元(hydraulic power unit，HPU)、電力單元以及上部臍帶纜終端單元(topside umbilical termination unit，TUTU)。水下安裝的設備包括臍帶纜終端總成(umbilical termination assembly，UTA)、水下分配單元(subsea distribution unit，SDU)、水下控制模塊(subsea control module，SCM)、臍帶纜及跨接纜。

本文針對某深水油田設計水下生產控制系統。該項目包括1個井口群。井口群由4座水下采油樹和1座水下管匯構成，通過1條臍帶纜回接到FPSO。FPSO為水下生產系統提供控制信號、電力和控制液壓。

在水下生產控制系統中，水下設備的液壓源來自FPSO上設置的HPU。HPU油液壓泵、液壓油罐、蓄能器、管線和其他設備組成。在水下閥門打開時，液壓液通過HPU中的液壓泵增壓后向水下供給；水下閥門關閉時，液壓液返回至液壓油罐。另外，在液壓管線上設置1臺由FPSO緊急關斷系統(emergency shutdown，ESD)控制的電磁換向閥，用于在緊急情況下將供液管線切換至回液，以達到液壓子系統緊急泄壓的目的。

液壓液通過臍帶纜送至海底的SDU，再通過跨接纜分配至各個采油樹和管匯；各個采油樹、管匯上設置SCM，內部含有水下電子模塊(subsea electronic module，SEM)，通過電纜、光纖或電力載波等通信方式與上部設施通信[9]。SCM控制電磁換向閥(directional control valve，DCV)，進而控制液壓管路的通斷，達到控制水下閥門的作用。①打開閥門：DCV切換至供液管路，在液壓壓力推動下打開閥門。②關閉閥門：DCV切換至回液管路，在閥門彈簧的作用下關閉閥門，使閥腔內的液壓液被推入回液管路，并沿回液管線返回HPU。

某深水油田水下生產控制系統如圖1所示。

圖1 某深水油田水下生產控制系統示意圖Fig.1 Subsea production control system schematic diagram of a deep water oil field

2 液壓子系統模型建立與仿真分析

水下生產控制系統的液壓子系統存在系統充壓、閥門操作以及緊急關斷等多種工況，需要進行各種工況下的仿真分析。

2.1 系統模型的建立

目前，水下生產控制系統液壓建模仿真主要采用AMESim、CS和SimulationX等建模軟件[7,10]。其中：AMESim由比利時軟件公司LMS開發，廣泛應用于液壓仿真領域，但針對水下生產系統的功能有限，需要進行大量的二次開發工作；CS軟件由美國ILS公司開發，應用于多個水下生產系統項目，但只可使用預設模塊，靈活性較差[7]；SimulationX由德國ITI公司開發，是一款多學科建模仿真分析軟件，包含了液壓、信號以及水下生產系統仿真庫，廣泛應用于水下生產系統項目，具有良好的專業性和靈活性。

本例采用SimulationX進行建模。系統參數包括:水深為2 080 m；HPU位置為海面以上30 m；臍帶纜長度為動態段2 400 m、靜態段7 600 m；液壓管線內徑為1英寸(1英寸=25.4 mm)；仿真對象為中壓液壓子系統，設計工作壓力為34.5 MPa；液壓油采用HT2型。

液壓子系統模型的主要實現步驟如下。①根據系統設計壓力確定HPU的泵、蓄能器和調節器的參數。本例中采用雙泵，啟動壓力分別為32.5 MPa和30.5 MPa；②根據初步設計的臍帶纜類型和水下分配系統拓撲，考慮臍帶纜水平和垂直段的長度，建立臍帶纜模型。③根據閥門配置情況，建立采油樹閥門、SCM和蓄能器的模型。④分別將各采油樹和SCM模塊接入系統。由于本例中各采油樹和SCM是相同的，因此采用復用符號代表多個相同的采油樹和SCM。

水下生產控制系統液壓子系統模型如圖2所示。水上部分主要為HPU，通過臍帶纜與SDU連接。臍帶纜包含水平和垂直部分；SDU通過跨接纜連接各采油樹。采油樹上設置液壓閥門5個，其中7英寸閥門2個、2英寸閥門3個；另外，設置SCM、蓄能器和補償器。

圖2 水下生產控制系統液壓子系統模型Fig.2 Hydraulic subsystem model of subsea production control system

2.2 系統充壓仿真分析

系統充壓指液壓子系統啟動時，將系統壓力提升至設計工作壓力的過程。在系統充壓階段，各水下閥門均為關閉狀態，系統只對管路進行充壓。臍帶纜在安裝前，會進行充填，因此液壓子系統有一定初始壓力。通常，將液壓子系統充壓達到設計工作壓力(考慮靜水壓力)95%(即53.82 MPa)的時間，定義為系統充壓時間。

系統充壓仿真結果如圖3所示。

圖3 系統充壓仿真結果Fig.3 Simulation results of system charge-up

圖3中，從第10 s開始啟動充壓操作。由圖3可知，系統充壓時間約為110 s。系統充壓操作啟動后，HPU出口閥門打開，壓力快速下降。在液壓泵啟動并進行一定時間的充壓后，系統壓力開始上升，在調節器的作用下達到設計工作壓力。

2.3 閥門操作仿真分析

閥門操作分析是在操作某個水下閥門時，分析液壓子系統的壓力波動、閥門動作的時間、閥門動作后液壓子系統壓力恢復的時間，以此驗證系統的可行性、穩定性以及響應時間。建立閥門操作模型，對2個7英寸閥門和3個2英寸閥門依次進行開啟操作。閥門操作仿真結果如圖4所示。

圖4 閥門操作仿真結果Fig.4 Simulation results of valve operation

由圖4可知，在閥門打開過程中，系統壓力有下降，最大壓力變化約為6.9 MPa，但是未對其他閥門造成影響，系統運行穩定。7英寸閥門和2英寸閥門的開啟時間分別約為17 s和1.4 s。

2.4 緊急關斷仿真分析

水下生產控制系統的緊急關斷，通常通過上部HPU的ESD電磁換向閥實現。首先，FPSO ESD系統在工藝參數異常或火災等緊急工況下，將HPU內的ESD電磁換向閥轉換為回液狀態；然后，水下生產控制系統中的液壓壓力通過供液管線回到上部液壓罐；最后，水下閥門在彈簧作用下關閉。由于液壓液需要從水下克服遠距離管線的阻力回到上部液壓罐，這種方式的響應時間非常長。對此，建立緊急關斷模型。系統緊急關斷仿真結果如圖5所示。

圖5 系統緊急關斷仿真結果Fig.5 Simulation results of system emergency shutdown

由圖5可知，控制系統在第200 s發出關斷信號，約在530 s完成7英寸閥門的關斷，關斷時間為330 s。關斷信號發出后，通過HPU液壓管線的泄壓，系統壓力開始下降，閥門在彈簧的作用下逐漸關閉，并在閥門開度為0后緊急關斷。由該結果可知，這種關斷方式為被動關斷，關斷時間長，且在液壓管徑較小、控制距離較長時尤為明顯。

3 液壓子系統優化設計分析

前文建立的液壓子系統已能夠實現各項功能，但是不同管徑選擇、緊急關斷系統設計，都對系統性能有較大影響。

3.1 不同管徑分析

通常情況下，液壓管線內徑的增加會加快閥門操作的響應速度，同時也會增加臍帶纜的制造難度和成本。在深水油氣田工程中，臍帶纜的成本和運維費用都十分昂貴，因此應合理選擇液壓管線尺寸[10]。

對比前述1英寸液壓管線系統，將液壓管線尺寸分別設置為3/4英寸和1/2英寸進行分析。以所需時間最長的緊急關斷工況為例，得到如圖6所示的3/4英寸和1/2英寸液壓管線系統緊急關斷仿真結果。

圖6 3/4英寸和1/2英寸液壓管線系統緊急關斷仿真結果Fig.6 Simulation results of system emergency shutdown with 3/4″ and 1/2″ tube

當液壓管線尺寸為3/4英寸時，系統緊急關斷的時間為512 s；當液壓管線尺寸為1/2英寸時，系統緊急關斷的時間為1 224 s，與2.4節中采用1英寸管線進行仿真時所需的330 s相比，時間均較長。由對比分析可看出，管徑越大則緊急關斷所需的時間越少。但是，管徑越大，臍帶纜的設計、制造、運輸、安裝的難度和費用也越高，實際設計中應綜合考慮系統性能和費用成本，再決定液壓管線尺寸。根據目前的常規臍帶纜規格，宜選用3/4英寸到1英寸管線。

3.2 緊急關斷分析

水下生產控制系統的水下控制模塊通常用作過程控制，且存在長距離通信，不是滿足IEC 61508要求的安全儀表系統。另外，受臍帶纜尺寸限制，水下設備的用電負荷不會太大(通常單個采油樹負荷為200～250 W)，電液系統的電磁換向閥通常為脈沖激勵型，而不是持續激勵型，不具備故障安全功能，即失去電力時保持原位。

由于以上原因，在設計中，水下生產系統的緊急關斷主要通過上部設施HPU的電磁換向閥將供液管路切換至回液罐，實現管線泄壓。但是這種方式存在響應時間過長的問題。為解決這個問題，可采用鎖型電磁換向閥和增加緊急關斷換向閥這2種方式。2種方案緊急關斷仿真結果如圖7所示。

圖7 2種方案的系統緊急關斷仿真結果Fig.7 Simulation results of system emergency shutdown of two schemes

①采用鎖型電磁換向閥。當電磁換向閥的供液和回液兩個接口的壓力差低于設定值時，電磁換向閥切換至預先設置的安全位置(回液)。在緊急關斷工況時，不需要供液管線壓力完全泄壓，只需供液與回液的壓差低于設定值，即可解鎖電磁換向閥，加快關斷過程。但是采用該方案需要考慮閥門動作時的液壓子系統的壓力波動不可過高，以避免電磁換向閥意外解鎖。通常，系統壓力不應低于解鎖壓力的1.5倍。圖7即選擇7 MPa為電磁換向閥解鎖壓力，并進行緊急關斷仿真。

由圖7所示的仿真結果可以看出，采用解鎖壓力為7 MPa的電磁換向閥后，緊急關斷時間縮短了46 s。這種方式是目前采用的主要方案。

②在水下控制模塊的液壓總管線上增加用于緊急關斷的持續激勵型電磁換向閥。這種方案中，當系統斷電時，持續激勵型電磁換向閥切換至預先設置的安全位置(回液)，使閥門關斷。為提高可用性、減少誤動作，可采用2oo2表決形式，每個水下控制模塊約需增加40 W用電負荷，約占總負荷的15%～20%。

從圖7所示的仿真結果可以看出，液壓主回路采用持續激勵型電磁換向閥后，緊急關斷時間縮短了150 s，效果明顯。

本例中針對的油田項目液壓子系統仿真由某國外公司進行了獨立的分析，主要性能指標對比如下:7英寸閥門開啟時間約為16.2 s(本文設計為17 s)；系統充壓時間為128 s(本文設計為110 s)；關斷時間為310 s(本文設計為330 s)。從對比中可以看出，結果基本一致。

4 結論

液壓子系統是水下生產控制系統的重要組成部分，決定了水下生產控制系統的性能和可靠性。為了研究液壓子系統的性能及設計優化，建立了液壓子系統的模型，通過對系統充壓、閥門操作及緊急關斷等工況仿真分析，可得到以下結論。

①液壓系統壓力在閥門操作等過程中存在一定波動，但未對閥門造成影響，系統運行穩定。

②系統緊急關斷所需時間較長，當管徑縮小時關斷時間會延長。

③通過建模仿真和對比分析，在采用鎖型電磁閥后或設置緊急關斷持續激勵型電磁閥后，本系統顯著縮短了緊急關斷工況下的系統響應時間，優化了系統性能，可作為水下生產控制系統設計的參考。在實際設計中應綜合考慮系統性能、費用成本和制造安裝等因素，優化設計方案。