白念濤 崔 巖

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

深水油氣田全電控制式水下分配單元設(shè)計(jì)

白念濤 崔 巖

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

分析全電控制式水下分配單元的基本構(gòu)成與功能，設(shè)計(jì)水下分配單元的總體結(jié)構(gòu)，建立以光功率分配器為核心的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)光通信系統(tǒng)模型。采用光通信系統(tǒng)模擬軟件Optisystem模擬驗(yàn)證設(shè)備的可行性，并分析了光信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響因素。

水下分配單元 水下生產(chǎn)控制系統(tǒng) 全電控制式 光功率分配器 Optisystem

隨著海洋油氣田開發(fā)由淺海向深海推進(jìn)，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)也由最初的全液壓控制系統(tǒng)逐步發(fā)展為應(yīng)用廣泛的電液復(fù)合式控制系統(tǒng)，而目前的全電控制系統(tǒng)是最新一代技術(shù)[1]。但是，我國(guó)在全電式水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的研究方面還是一片空白。因此，加速研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水下生產(chǎn)分配系統(tǒng)具有重要意義。全電控制系統(tǒng)是電液復(fù)合式控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，兩者最大的區(qū)別在于系統(tǒng)動(dòng)力工作原理[2]。全電控制系統(tǒng)徹底取消了電液復(fù)合式控制系統(tǒng)的液壓組件，降低了臍帶纜的直徑，所有的水下生產(chǎn)設(shè)備均為電力驅(qū)動(dòng)。全電控制系統(tǒng)得以成熟并被開始應(yīng)用得益于三大基本問題的解決：水下大功率電動(dòng)執(zhí)行器技術(shù)；水下濕可插拔連接器；水下配電技術(shù)和水下高壓直流大功率長(zhǎng)距離輸電技術(shù)[3]。相較于電液復(fù)合式控制系統(tǒng)，全電控制系統(tǒng)除了具有響應(yīng)速度更快、可靠性更高、電氣信號(hào)傳輸距離更長(zhǎng)及對(duì)海洋環(huán)境的損害風(fēng)險(xiǎn)更小等優(yōu)點(diǎn)外，還極大地降低了臍帶纜的使用成本。水下分配單元的作用是將岸基站的電力和信號(hào)分配并傳輸給各路水下生產(chǎn)設(shè)施，是水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。筆者以在建的南海油氣田為背景，在分析全電控制式水下分配單元的基本構(gòu)成與功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)水下分配單元的總體結(jié)構(gòu)，并建立以光功率分配器為核心的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)光通信系統(tǒng)模型。

1 全電控制式水下分配單元的工作條件與功能

與陸地石油天然氣開采相比，深水油氣開采的工況比較惡劣。我國(guó)在建的南海油氣田開發(fā)水深超過1 500m，進(jìn)行一次海底維護(hù)、檢修成本較高?；谏詈Ｓ蜌馓锍掷m(xù)生產(chǎn)的需要，水下分配單元的工作壽命應(yīng)該至少不低于30年。因此，對(duì)處于深水的全電控制式水下分配單元的技術(shù)性能和可靠性提出了更高的要求。

全電控制式水下分配單元主要包括臍帶纜終端組件(UTA)、水下電氣分配單元(SEDU)和防沉板。安裝在防沉板上的水下分配單元與臍帶纜終端組件共同集成為水下控制臍帶纜終端組件(SUTA)。臍帶纜終端接頭同臍帶纜相連，進(jìn)行電氣信號(hào)的傳輸和分配。電氣分配單元的水下電氣飛頭固定端通過電氣飛線與臍帶纜終端的電氣飛頭相連，并通過設(shè)在水下電氣分配模塊框架內(nèi)的水下接駁盒分配電氣信號(hào)，以提供水下多路生產(chǎn)設(shè)施正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電力和信號(hào)[4]。水下大功率電動(dòng)閥執(zhí)行器接收到水下電氣分配單元分配并傳輸過來的電力和信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)閘閥產(chǎn)生位移，從而控制生產(chǎn)通道的開啟或關(guān)閉。同時(shí)，水下控制模塊(SCM)上的溫度檢測(cè)、壓力檢測(cè)及多相流量計(jì)等傳感器得電工作，不間斷地將實(shí)時(shí)水下生產(chǎn)狀態(tài)信息傳送給水下路由模塊(SRM)，SRM再將監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)较鄳?yīng)的工作站，然后將處理后的信息傳輸?shù)桨痘镜闹骺卣竞蜕a(chǎn)控制系統(tǒng)。

2 水下電氣分配單元的總體結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計(jì)的全電式水下電氣分配單元如圖1所示，主要包括水下機(jī)器人操作把手、水下路由模塊、水下接駁盒、防沉板及單元框架等，其核心部件如下：

a. 水下路由模塊。將水下控制模塊中的多相流量計(jì)、智能完井及井下傳感器等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和傳輸，SCM只負(fù)責(zé)與閥門驅(qū)動(dòng)相關(guān)的功能，SRM集成安裝在水下分配單元框架上。

b. 水下接駁盒模塊。包括單板工控機(jī)主控模塊、以太網(wǎng)光纖通信模塊、RS485數(shù)據(jù)采集模塊、外接設(shè)備接口模塊、高-中壓DC/DC轉(zhuǎn)換模塊、中-低壓DC/DC轉(zhuǎn)換模塊、低-低壓轉(zhuǎn)換模塊。其中高-中壓DC/DC轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將岸基站的高壓直流電轉(zhuǎn)換為中壓直流電，中-低壓DC/DC轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將中壓直流電轉(zhuǎn)換為多種不同電壓的低壓直流電[5]。直流電壓轉(zhuǎn)換腔體通過端蓋和腔體壁相結(jié)合的方式進(jìn)行散熱[6]。

c. 防沉板。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。防沉板尺寸由海底土質(zhì)和載荷力決定。對(duì)于較軟的土質(zhì)，防沉板的尺寸要很大，但過大會(huì)影響安裝。為了減小外形尺寸、增大防沉板的穩(wěn)定性，一般要為它增加裙板[7,8]。

3 水下電氣分配單元的光信號(hào)分配模塊

全電控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的分析、診斷和監(jiān)控能力，信息數(shù)據(jù)的采集量大幅增加，傳統(tǒng)的電力載波通信方式已不能滿足超大容量、超長(zhǎng)距離傳輸和交換的通信要求。光纖傳輸通信具有傳輸頻帶寬、中繼距離長(zhǎng)、通信容量大和損耗低的特點(diǎn)，而且其抗電磁干擾能力強(qiáng)、保密性也好，越來越多地應(yīng)用于深海長(zhǎng)距離的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)[9]。

根據(jù)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)中主控站(MCS)與各SCM的通信特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用雙纖光端機(jī)收發(fā)光信號(hào)。如圖2所示，系統(tǒng)的下行控制信號(hào)(從MCS到SCM)通信采用一點(diǎn)到多點(diǎn)(P2MP)傳輸方式，而上行生產(chǎn)狀態(tài)信號(hào)(從SCM到MCS)通信采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)傳輸方式[10]。在下行方向，光端機(jī)將MCS的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳輸?shù)酵ㄐ烹娐非恢械墓夤β史峙淦?，光功率分配器再將光信?hào)傳輸?shù)剿码娮幽K(eSCM)，eSCM中的光端機(jī)通過識(shí)別數(shù)據(jù)幀前導(dǎo)碼再將光信號(hào)光電轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)。水下大功率電動(dòng)閥執(zhí)行器根據(jù)接收到的控制信號(hào)，打開或關(guān)閉開采通道的閥門[11]，SCM只負(fù)責(zé)和閘閥相關(guān)的功能。在上行方向，SRM通過采集安裝在各水下生產(chǎn)設(shè)施上的傳感器信號(hào)，直接將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)缴喜肯鄬?duì)應(yīng)的工作站，無需經(jīng)過SCM和MCS的中轉(zhuǎn)，完成水下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的收集、整理和傳輸[12]。操作人員可以根據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

圖2 水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的通信原理框圖

4 光纖通信仿真與光傳輸質(zhì)量的影響因素

4.1 光纖通信仿真

為了驗(yàn)證SCM中的微電子處理器能否正常接收到從主控站發(fā)出的控制信號(hào)，采用光通信系統(tǒng)模擬軟件Optisystem搭建下行通信系統(tǒng)鏈路(圖3)，對(duì)光傳輸鏈路進(jìn)行仿真得到光譜圖，對(duì)鏈路傳輸性能以及Q因子、誤碼率、眼圖等參數(shù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)光通信系統(tǒng)的可行性和正確性[13]，進(jìn)而得出相關(guān)結(jié)論。光通信仿真鏈路所用的重要元器件和主要參數(shù)見表1。

圖3 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)光通信系統(tǒng)鏈路

表1 光通信仿真鏈路所用元器件和主要參數(shù)

為了分析光通信系統(tǒng)的傳輸性能，一般通過眼圖或誤碼率來分析系統(tǒng)的碼間串?dāng)_和噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響[14]，儀器觀測(cè)形成的眼圖如圖4所示，眼圖張開的寬度最大的時(shí)間點(diǎn)為最佳的抽樣時(shí)刻，這是接收波形不受串?dāng)_影響而抽樣再生的最佳時(shí)間間隔[15]。從圖4可以看出，最大Q因子9.82802大于7，最小誤碼率4.25931×10-23遠(yuǎn)小于1×10-12。表明SCM中的光信號(hào)接收端能夠成功接收到主控站發(fā)出的控制信號(hào)，證實(shí)了光通信系統(tǒng)的正確性和可行性。

圖4 眼圖

4.2 光傳輸質(zhì)量的影響因素分析

光纖通信鏈路中元器件的型號(hào)和參數(shù)對(duì)光傳輸?shù)耐ㄐ刨|(zhì)量有影響，為了找出具體的元器件，選用不同型號(hào)的光纖、不同功率的CW連續(xù)激光器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

首先，選用G.654型截止波長(zhǎng)位移光纖，波長(zhǎng)1 550nm時(shí)的衰減系數(shù)約0.15，色散系數(shù)不超過18ps/(nm·km)，最大色散斜率不大于0.093ps/(nm2·km)，激光器的光源功率不變。儀器觀測(cè)結(jié)果如圖5所示。

然后，再選用G.653A級(jí)色散位移光纖(系數(shù)見表1)，將單模CW連續(xù)激光器的光源功率隨機(jī)設(shè)為13dBm進(jìn)行仿真，得到的最大Q因子為2.828 44，最小誤碼率為0.002 336 23。儀器觀測(cè)結(jié)果如圖6所示，仿真所得數(shù)據(jù)顯然不能滿足要求。

為了找到光接收器能接收到MCS所發(fā)出控制信號(hào)的臨界值，將CW連續(xù)激光器的光源功率從0～19dBm進(jìn)行10次迭代，得到滿足通信傳輸性能的臨界值：最大Q因子為7.006 46，最小誤碼率為1.221 62×10-12，此時(shí)的臨界光源功率值為17.3dBm。同時(shí)還得到了如圖7所示的光源功率與誤碼率的最小對(duì)數(shù)值之間的關(guān)系，可以看出，關(guān)系曲線中包含3段直線，隨著光源功率的不斷加大，直線的斜率越來越大，說明誤碼率越來越小。

圖5 眼圖和誤碼率一

圖6 眼圖和誤碼率二

圖7 光源功率與誤碼率的最小對(duì)數(shù)值間的關(guān)系

5 結(jié)論

5.1 筆者提出的全電控制式水下電氣分配單元的總體結(jié)構(gòu)滿足實(shí)際水下生產(chǎn)要求，以光功率分配器為核心的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)光通信系統(tǒng)能夠?qū)⒐庑盘?hào)均勻分配給水下多路生產(chǎn)設(shè)施。

5.2 光通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量和光纖型號(hào)、光源功率等參數(shù)有關(guān)。光纖的衰減系數(shù)越小、色散系數(shù)也越小且光源功率越大，光纖通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量越高。

5.3 光端機(jī)中的CW連續(xù)激光器的光源功率越大，系統(tǒng)的誤碼率越小。

[1] 范亞民.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].石油機(jī)械,2012,40(7):45～49.

[2] Berven J.Subsea Production Control Systems for All-electric Xmas Trees[D].Norway:Stavanger College,2013.

[3] 尹豐.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)在油氣田設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2012,(3):18～20.

[4] 蘇鋒,張磊,劉立新,等.臍帶纜終端冗余式水下分配單元[P].中國(guó):CN201410214028.5,2014-07-30.

[5] 盧漢良.海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)水下接駁盒原型系統(tǒng)技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2011.

[6] 楊燦軍,張鋒,陳燕虎,等.海底觀測(cè)網(wǎng)接駁盒技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015,51(10):172～179.

[7] 譚越,劉明.水下生產(chǎn)系統(tǒng)防塵板基礎(chǔ)分析[J].船海工程,2012,41(4):133～135.

[8] 譚壯壯,李小瑞,張鳳紅.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[J].石油化工自動(dòng)化,2016,52(3):13～17.

[9] 王銳.光纖通信技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)及現(xiàn)狀[J].科技廣場(chǎng),2011,(7):76～78.

[10] Takahashi H,Ohmori Y,Kawachi M.Design and Fabrication of Silica-Based Integrated-Optic 1×128 Power Splitter[J].Electronics Letters,1991,27(23):2131～2133.

[11] 王俊明.測(cè)試用水下采油樹控制模塊研制[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2013.

[12] 劉太元,郭宏,閆嘉鈺.基于光纖的開放式架構(gòu)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(2):209～211.

[13] 畢衛(wèi)紅,張力方,祝亞男.基于Optisystem的波分復(fù)用性能的仿真研究[J].光通信技術(shù),2009,33(1):13～14.

[14] 韓力,李莉,盧杰.基于Optisystem的單模光纖WDM系統(tǒng)性能仿真[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015,28(5):97～101.

[15] 方樂,崔巖.深水油氣田電液復(fù)合式水下分配單元設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2016,43(3):280～284.

DesignofFullyElectronicallyControlled-subseaDistributionUnitforDeepwaterOilandGasField

BAI Nian-tao, CUI Yan
(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience)

Both basic composition and functions of fully electronically-controlled subsea distribution unit were analyzed and its overall structure was designed; and the optical power splitter-based point to multipoint optical communication system was established, including having Optisystem(optical communication system simulation software) adopted to verify feasibility of the device and to analyze factors which affecting the quality of optical signal transmission.

subsea distribution unit, control system for subsea production, fully electronically controlled, optical power splitter, Optisystem

TH89

A

1000-3932(2017)04-0365-05

2016-06-29,

2017-03-13)

白念濤(1991-)，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)和深海機(jī)電裝備技術(shù)的研究。

聯(lián)系人崔巖(1980-)，副教授，主要從事流體機(jī)械設(shè)計(jì)、超細(xì)粉體制備和混沌控制理論的研究，cuiyan03201@hotmail.com。