全電式水下控制系統關鍵技術分析

中圖分類號：TE54 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）23-0161-05

Abstract：Thesubseacontrol systemisthecoreof thesubseaproductionsystem.Withthedevelopmentofofshoreoiland gasresourcestowardsultra-deepwaterandultra-distantoilandgasfields，theallelectricsubseacontrolsystemhasben introducedanddeveloped，whichhasemergedasthedevelopmentdirectionof dep-seapetroleuresourceacquisitionsystems duetoitsbenefitsintersofonstructionandoperationcosts，controlefectiveness，andenvironmentalfriendliness.Tispaper summarizestheadvantagesofsubseaall-electriccontroltechnologybycomparingmultipleelectric-hydraulicandall-electric subseacontrolsystems，andreviewsthecurentdevelopmentstatusathomeandabroad.Onthisbasis，abriefanalysisismade onthekeytechnologiesoftheall-electricsubseacontrolsystemfromseveralaspectssuchasoveralldesign，coreequipent，and systemtestingprovidingreferenceforthedesign，researchanddevelopment，andengineeringapplicationofthenewgenerationof underwater control systems.

Keywords：subseaproductionsystem;all-electricsubseacontrolsystem;deep-seapetroleumresource;subseaall-electric control; key technologies

海洋油氣業已成為當前世界海洋開發的主體產業，產值已占海洋開發總值的一半以上。隨著近岸淺水海洋油氣資源開發的日趨飽和，海洋油氣業正加速向深海進軍，而在深海油氣資源采集系統中，使用的主流模式是水下生產系統。水下生產系統是由水下采油樹、海底分離與增壓設備、水下控制系統、海底管匯和臍帶纜等組成，該系統可以避免建造昂貴的海上采油平臺，節省大量建設投資，且具有受災害影響較小，可靠性高的特點。

水下控制系統作為水下生產系統的核心，通過安裝在水面和水下的控制設備控制流體，實現水下油氣的生產控制以及工藝參數的實施監測2。隨著水下生產系統從淺水區域到深水區域，再到超深水領域的不斷深入應用，水下控制系統也隨著油氣開發環境的變化而不斷發展3]。從1961年Cameron公司建造第一臺水下采油樹到1985年，全液壓式水下控制系統一直占主流；從1985年至今，電液復合式水下控制系統應用逐漸成熟；為滿足超深水、超遠油氣田開發要求，2008年Cameron建成了世界上第一套全電式水下控制系統，由于水下全電控制技術的優勢，現已成為未來的發展方向[4]。

1全電式水下控制系統

全電式水下控制系統分為水上和水下2個部分。水上部分設備主要為主控站和供電單元，負載發送控制命令、提供設備電力和采集水下運行信號；水下部分設備主要有電力和通信分配單元，以及安裝在水下采油樹、水下管匯等水下生產設施上的全電式水下控制模塊和電驅動水下閥門執行器，全電式水下控制模塊接收來自電力和通信分配單元的通信和電力信號，驅動控制電驅動水下閥門執行器進行深海油氣資源的開采；水上部分設備與水下部分設備通過臍帶纜進行通信和電力傳輸，

電液復合式與全電式水下控制系統的對比圖如圖1所示。與電液復合式水下控制系統相比，全電式水下控制系統擺脫了液壓流體對各種閥門執行器的驅動控制，省去了水上液壓動力單元、水下蓄能器和臍帶纜內的液壓管線，簡化了系統組成并降低了建設和運營成本；通過采用直流電力變送和通信技術，對采油樹、分離器及管匯進行控制，減少了水深和距離造成的能量的損耗，提高了系統的響應速度；此外全電式水下控制系統的良好環保屬性也是電液復合式無法比擬的。可見，全電式水下控制系統在眾多方面都是優于電液復合式的，作為新一代水下控制系統，對其發展現狀進行梳理和關鍵技術進行分析和總結是有必要的。

圖1水下控制系統對比圖

1.1全電式水下控制系統國外發展現狀

國外對于全電式水下控制系統的研發較早，水下全電控制技術目前尚處于工程試驗階段[5，主要有Cameron公司、TechnipFMC公司（以下簡稱“FMC公司\"）和Aker Solutions公司（以下簡稱“Aker公司\"）。

1.1.1 Cameron公司全電式水下控制系統

Cameron公司在全電式水下控制系統開發上一直處于領先位置，該公司于2004年進行了全電式水下控制系統的前期實驗，完成了全電式和電液復合式水下控制系統的可靠性比較。并于2008年在荷蘭北海

K5F氣田建成了世界上第一套全電式水下控制系統，而后在2011年建成了第二套更為成熟的全電式水下控制系統，并于2016年實現全系統的無液壓運行6]。

Cameron公司的2套全電式水下控制系統如圖2所示，通過光纖和同軸電纜混合而成的臍帶纜將水上主控站和電力單元的通信信號和高壓直流電力傳送到水下電力變送和通信分配單元，水下電力變送和通信分配單元一方面將高壓直流電變送為需要的低壓直流電并傳送到水下控制模塊，另一方面將通信信號分配到多個水下控制模塊。全電式水下控制模塊進一步將低壓電力和通信信號進行分配，完成多路電驅動水下閥門執行器的驅動和控制，最終多個設備的協調工作實現全電式水下生產系統的正常運作。

圖2Cameron公司全電式水下控制系統

全電式水下控制系統核心設備主要有電力變送和通信分配單元、全電式水下控制模塊和電驅動水下閥門執行器。Cameron公司相關設備如圖3所示，該公司的電力變送和通信分配單元可以支持多達5個全電式水下控制模塊、將 3kV 高壓直流電變送為 300V 低壓直流電和將基于TCP/IP協議的光纖工業因特網通信轉為銅質雙絞線DSL通信；全電式水下控制模塊支持水下對接和回收、內部集成雙冗余水下電子模塊、支持32路功能/傳感器接口；電驅動水下閥門執行器可以連接標準閥門、具備冗余驅動結構以及開啟狀態保持功能、采用標準彈簧作為失效安全關斷手段。

圖3Cameron公司全電式水下控制系統設備

1.1.2 FMC公司

FMC公司是全球領先的能源工業領域企業，2001年，該公司在全電式水下控制系統領域開始研發，并于2010年在挪威Tyrihans油田首次應用全電式水下控制系統。FMC公司的全電式水下控制技術已經證明在水下生產井可以實現多個水下閥門的控制[8-9]。

FMC公司相關設備如圖4所示，該公司的全電式水下控制模塊采用光纖通信方式，具備 1Gbps+ 的高通信帶寬，通信距離可達 600km ；供電方式采用 10kV 高壓直流電并通過水下變送設備轉換為 375V 交流電供水下設備使用；每一個控制模塊能夠控制多達13個水下閥門執行器的運作。FMC公司的電驅動水下閥門執行器采用鋰電池和電池管理系統來驅動閥門，可適用于任何ROV接口，同時具備閥門位置監測和回收功能。

圖4FMC公司全電式水下控制系統設備

1.1.3 Aker公司

Aker公司在世界范圍內為石油和天然氣行業提供產品、生產系統和綜合服務，是一家全球領先的集成水下生產系統的供應商。該公司研發的全電式水下控制系統產品在滿足深海使用要求的同時，在商業性上與同類產品相比有所提高[10-11]

Aker公司相關設備如圖5所示，該公司的全電式水下控制模塊具有可靠性、開放性和商業可用性等特點，采用標準部件、方便替換和更新換代、成本低，形狀為長條圓柱形，水平和垂直布置皆可，額定水深高達4000m ；其El-driveTM系列電驅動水下閥門執行器結構精巧、高度不超過 85cm 、便于水下施工安裝，布置方式靈活、允許臥式或立式布置，且內部設置物理冗余的齒輪、驅動電機等，設計使用壽命長達25年。

圖5Aker公司全電式水下控制系統設備

1.2全電式水下控制系統國內發展現狀

我國深水海洋油氣資源的開采起步較晚，國外對關鍵設備和技術嚴格封鎖，雖然我國在傳統的電液復合式水下控制系統的技術儲備正在不斷完善和加強，已具備超深水油氣資源開采的技術和能力[。但是對于新型的全電式水下控制系統相關技術仍處于積累培育階段，只有少數高校和研究單位開展過相關研究，關鍵技術尚不成熟且研究成果處于方案研究或原理樣機階段，如圖6所示[13-15]。

2全電式水下控制系統關鍵技術分析

全電式水下控制系統作為新一代水下生產控制領域發展方向，與傳統電液復合式有著本質區別，雖然國內外的研究機構及學者對其關鍵技術開展了相關研究工作，取得了一些進展，但從總體方案到核心裝備研發再到集成測試各個環節仍存在關鍵技術等待突破。

圖6國內單位的全電式水下控制系統設備

2.1全電式水下控制系統總體設計技術

全電式水下控制系統擺脫了對液壓流體的控制，水下設備的控制與監測全部采用電力進行控制，系統核心設備也進行了更新換代，總體設計方法與電液復合式水下控制系統有著本質的區別，對系統的總體布置技術、供電技術、通信技術和可靠性分析技術都提出了新的研發要求，需要根據全電式水下控制系統的回接距離以及設備規格進行分析研究，從而為系統關鍵設備提供設計依據，因此全電式水下控制系統的總體設計技術是關鍵技術之一。

2.2電力變送和通信分配單元關鍵技術

電力變送和通信分配單元作為水上、水下設備的連接樞紐，既需要能夠完成水上高壓直流到水下低壓直流電能的轉換，為多個全電式水下控制模塊提供可靠供電，實現主控站對電力變送和通信分配單元以及全電式水下控制模塊的電能分配控制；也需要適配全電式水下控制模塊的通信接口和通信協議，完成主控站的數據采集與監測任務，實現各水下控制模塊的高速數據采集和通信分配控制。因此高壓直流電力變送技術以及遠距離高速實時通信和分配技術對于電力變送和通信分配單元的研發是十分關鍵的。

2.3全電式水下控制模塊關鍵技術

全電式水下控制模塊作為系統的大腦，電氣功能方面需要負責整個全電式水下控制系統的數據采集和閥門控制，由于無需液壓控制器件，因此相比電液復合式水下控制模塊，集成化、緊湊化、實時性、開放性的要求更高，然而目前常用的標準商業產品作為通用設備無法完全適配全電式水下控制系統的電控要求；在機械功能方面全電式水下控制模塊需要設計成能夠可靠鎖緊回收的設備，由于省掉了液壓回路和液壓接頭，所以安裝時只需克服電連接器的分離力，鎖緊力要求變低，使得對接鎖緊裝置具備輕型化的可能；同時由于電氣接頭的針數更多、數量增加，使得對接難度加大。綜上小型集成開放化技術以及輕型高精度水下對接鎖緊及解脫技術是全電式水下控制模塊研發當中的關鍵技術。

2.4電驅動水下閥門執行器關鍵技術

電驅動水下閥門執行器是全電式水下控制系統的執行單元，其控制方式和機械結構相比傳統液動式有著本質的區別。由于采用電機驅動啟閉水下閥門，而電機本身的可靠性與液壓缸相比較差，因此常采用多電機熱備冗余驅動的形式，這就對執行器的冗余傳動與多電機同步控制提出了設計挑戰；此外當系統出現故障時，為保證安全，執行器需要設置失效-安全關斷機構以能夠在斷電情況下自動關閉閥門，然而水下閥門通常為常開式閥門，這意味著閥門開啟期間執行器驅動系統需要始終抵抗關斷機構的復位力，對于電機驅動方式而言無疑耗能過高，因此如何兼顧失效一安全關斷功能和閥門長期開啟的低功耗保持功能也是電驅動水下閘閥執行器研發的關鍵問題

2.5全電式水下控制系統測試技術

全電式水下控制系統相關設備作為深水特種設備，具有構成復雜、造價昂貴、維修困難的特點，并且要求具有極高的可靠性。然而自前國內外尚沒有針對全電式水下控制系統的設計及測試標準，對于各關鍵設備或系統集成的測試領域研究尚屬探索階段，因此為了推動全電式水下控制系統的工程化應用，需要對系統整體及關鍵設備各研發階段的測試項目、測試方法、測試標準、測試條件和測試系統進行系統性研究，故測試技術是全電式水下控制系統的關鍵技術之一。

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