南海深水氣田水下控制系統(tǒng)通信鏈路分析與應(yīng)用

郭　駿，林影煉，郝偉修，劉太元，胡夏琦

(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519050)

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南海深水氣田水下控制系統(tǒng)通信鏈路分析與應(yīng)用

郭駿，林影煉，郝偉修，劉太元，胡夏琦

(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519050)

以南海深水氣田開發(fā)工程為背景，介紹了光纖通信系統(tǒng)在水下油氣田開發(fā)中的應(yīng)用，并以該項目的模擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際應(yīng)用效果為依據(jù)，對光纖鏈路傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)與連接方式進(jìn)行了詳細(xì)分析，為今后同類工程中使用光纖作為通信方式的水下油氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)提供了實(shí)踐參考。

水下路由模塊；水下生產(chǎn)系統(tǒng)；水下控制模塊；南海深水氣田；光纖

由中海油與國外合作者合作開發(fā)的南海深水氣田，是中國第1個投入開發(fā)的深水氣田。其位于中國南海珠江口盆地，區(qū)塊面積約為4 000 km2。該氣田距香港約320 km，海域水深1 350～1 500 m。氣田開發(fā)模式為長距離水下回接開發(fā)模式，位于1 350～1 500 m水深處的水下井口產(chǎn)出的油氣，由海底管道匯集到管道終端管匯(PLEM)后，通過約76 km深水海底管道輸送至位于200 m水深處的固定平臺，并分離、脫水、處理和增壓后，經(jīng)約270 km淺水外輸海底管道，送往陸地終端氣體處理廠，實(shí)現(xiàn)向用戶供氣[1]。南海深水氣田開發(fā)模式如圖1所示。

圖1　南海深水氣田開發(fā)模式

1　南海深水氣田水下控制系統(tǒng)

南海深水氣田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)電液復(fù)合控制方式，由安裝在中心平臺的上部控制系統(tǒng)和水下控制系統(tǒng)兩部分組成。水上控制系統(tǒng)主要包括主控站(MCS)、供電單元(EPU)、電力與通信單元(SPCU)、液壓動力單元(HPU)和不間斷電源(UPS)等；水下控制系統(tǒng)主要包括水下控制模塊(SCM)、水下監(jiān)控模塊(SMM)、水下路由模塊(SRM)、水下分配單元(SDH)、位于水下采油樹、管匯和水下管道終端管匯(PLEM)的傳感器及閥門等。整個控制系統(tǒng)的上部子系統(tǒng)與水下子系統(tǒng)通過臍帶纜連接，完成整個系統(tǒng)的整合，從而實(shí)現(xiàn)對整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，保障深水油氣田的安全運(yùn)行[2]。

南海深水氣田采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)長距離回接至淺水平臺的開發(fā)模式，3個水下生產(chǎn)系統(tǒng)是叢式開發(fā)模式，即西部管匯、東部管匯和管道終端管匯(PLEM)接受井流，最后通過管道終端管匯(PLEM)輸送至中心平臺。南海深水氣田主干臍帶纜首先由中心平臺直接連接到深水區(qū)域的水下分配單元(SDH)，然后通過支干臍帶纜分別連接到西部管匯和管道終端管匯(PLEM)，而采油樹均通過飛纜與管匯連接。南海深水氣田水下控制系統(tǒng)連接總圖如圖2所示。

圖2　南海深水氣田水下控制系統(tǒng)連接總圖

控制和電力信號通過臍帶纜從中心平臺到達(dá)水下控制模塊(SCM)和水下監(jiān)控模塊(SMM)，水下控制模塊(SCM)安裝于水下采油樹和管匯上，用于液壓控制和調(diào)節(jié)井口開度，同時井下溫度、壓力和第三方儀表數(shù)據(jù)(如乙二醇、防垢劑、甲醇注入閥、測沙儀、腐蝕監(jiān)測和濕氣流量計等)也將通過水下控制模塊(SCM)進(jìn)行讀取。3套水下監(jiān)控模塊(SMM)安裝位于東部管匯、西部管匯和流花34-2結(jié)構(gòu)物中，用于海管的腐蝕監(jiān)測。

中心平臺水下控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化通信接口，通過工業(yè)以太網(wǎng)的組網(wǎng)形式連接3個不同層級的控制網(wǎng)，其中包括中心平臺工藝生產(chǎn)過程(PCS)控制網(wǎng)絡(luò)、OPC網(wǎng)絡(luò)和水下生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口有利于第三方設(shè)備的接入，使得整個水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性大大增強(qiáng)[3]。南海深水氣田水下系統(tǒng)組網(wǎng)形式如圖3所示。

圖3　南海深水氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)組網(wǎng)形式

2　電力載波與光纖通信對比分析

電力線載波通信是一種采用電力線傳輸數(shù)據(jù)的通信方式，它將載有信息的高頻信號加載到電力線上，利用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過專用的電力線調(diào)制/解調(diào)器將高頻信號從電力線上分離出來，傳送到終端設(shè)備[4]。其特點(diǎn)是不需要增加控制電纜， 只要有電線， 就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， 這樣可以節(jié)約臍帶纜的成本，但是該技術(shù)在電力線上傳輸信號衰減大，傳輸速率慢；因此，該技術(shù)只適用于規(guī)模較小以及井口分布較近的開發(fā)工程[5]。

隨著光纖技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖開始逐步應(yīng)用到深水油氣田的控制系統(tǒng)中，其特點(diǎn)是長傳輸距離、高帶寬、實(shí)時監(jiān)控、低衰減及受電磁干擾小等，適用于長距離、大規(guī)模的井口開發(fā)工程。對于南海深水氣田這種開發(fā)規(guī)模大，臍帶纜長度達(dá)到約100 km，涉及20多口井的監(jiān)測與控制的開發(fā)工程，宜采用光纖傳輸系統(tǒng)。通過類似水下油氣田控制系統(tǒng)通信鏈路的對比(見表1)，更能體現(xiàn)出光纖系統(tǒng)在水下遠(yuǎn)距離通信的優(yōu)勢，特別是在傳輸速率方面，光纖傳輸速率是傳統(tǒng)電力載波的千倍以上。

表1　電力載波和光纖方式對比表

3　南海深水氣田水下控制系統(tǒng)光纖鏈路分析

南海深水氣田主干臍帶纜路由分為2個部分：第1部分為由平臺到水下分配節(jié)點(diǎn)(Subsea Distribution Assembly，SDA)，其中水下分配節(jié)點(diǎn)(SDA)預(yù)留了LH29-1的臍帶纜接口；第2部分為下分配節(jié)點(diǎn)(SDA)到水下分配單元(Subsea Distribution Hub，SDH)。主干臍帶纜光纖采用4束，每束為16根光芯的結(jié)構(gòu)。其中水下分配單元(SDH)為關(guān)鍵分配節(jié)點(diǎn)，從水下分配單元(SDH)到水下管道終端管匯(PLEM)、東/西部管匯及LH34-2采用了支干臍帶纜的路由形式，分別從水下分配單元(SDH)2束光纖中分配8根光纖，并通過光飛纜(OFL)跳接到管匯、水下管道終端管匯(PLEM)及LH34-2。臍帶纜光纖分配如圖4所示。

圖4　南海深水氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)光纖分配圖

開放式架構(gòu)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)使用光纖作為通信介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)和透明的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議和數(shù)據(jù)管理模型很好地解決了通信帶寬和傳輸?shù)钠款i，將主控站(MCS)和水下控制模塊(SCM)從繁重的數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)中解放出來，完全用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制，大大提高了整個控制系統(tǒng)性能。南海深水水下系統(tǒng)采用水下路由模塊(Subsea Router Module, SRM)作為傳輸核心節(jié)點(diǎn)，該模塊是集合了供電、光信號交換、數(shù)字用戶線路(DSL)通信調(diào)制解調(diào)和分配控制信息處理于一體的控制模塊，并用于連接水下控制模塊(SCM)與主控站(MCS)間的數(shù)據(jù)傳輸。由此可見，整個控制系統(tǒng)傳輸以水下路由器模塊(SRM)為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)核心，每個水下控制模塊(SCM)均配置單獨(dú)IP地址，通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，組成了一個開放式的局域網(wǎng)。

圖5　SRM外觀圖

路由器模塊(SRM)與水下控制模塊(SCM)間的連接采用電力載波形式，通信采用了數(shù)字用戶線路技術(shù)(Digital Subscriber Line， DSL)。該技術(shù)可以在普通雙絞線上提供對稱的上下行傳輸速率最高可達(dá)192 kb/s的數(shù)據(jù)流；水下路由器模塊(SRM)與主控站(MCS)間的通信通過光纖以太網(wǎng)傳輸，傳輸速率可達(dá)100 Mb/s。水下路由器模塊(SRM)外觀圖如圖5所示。

4　光纖鏈路模擬仿真分析

本次鏈路模擬分析采用MATLAB/Simulink R2006b，并選取最具有代表性的LH34-2進(jìn)行。從臍帶纜列表可知，中心平臺主控站(MCS)到LH34-2水下路由器模塊(SRM)的距離為105 km。光纖鏈路的計算基于光纖接頭的最大及最小衰減，臍帶纜中光纖的衰減系數(shù)與光交換接口可接受的光損耗相結(jié)合。據(jù)統(tǒng)計，光纖鏈路共有15個光接頭，9個接合點(diǎn)，光交換設(shè)備可接受最低電平為38 dB，采用了單模1 550 nm波長的光纖進(jìn)行模擬分析。從模擬仿真結(jié)果可以見證，最大光衰減為31.84 dB，小于設(shè)備可接受的38 dB，整個系統(tǒng)設(shè)計完全滿足工況需要。隨著項目于2014年初投產(chǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中也證明了該控制鏈路完全符合生產(chǎn)控制需求，可為今后類似項目提供實(shí)踐參考。衰減情況分析及模擬仿真結(jié)果分別見表2和表3。

表2　衰減情況表

表3　模擬仿真結(jié)果　(dB)

5　結(jié)語

開放式架構(gòu)水下控制系統(tǒng)是水下控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的體現(xiàn)，它的應(yīng)用加速了水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展。光纖的加入極大地提升了水下開放式控制系統(tǒng)的傳輸速率。水下系統(tǒng)可以回接的距離更長，系統(tǒng)可以采用高帶寬的儀表設(shè)備，如分布式溫度檢測系統(tǒng)及水下攝像機(jī)等。許多新型的水下儀表不再因?yàn)楫a(chǎn)生的數(shù)據(jù)量過大和要求高帶寬而無法得到應(yīng)用。在水下生產(chǎn)系統(tǒng)功能得到極大提升的同時，整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)的功能性與可靠性也得到了增強(qiáng)?；诠饫w的開放式水下控制系統(tǒng)將在未來海洋深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用[6]。

[1] 曹靜．荔灣3-1氣田水下設(shè)施布置設(shè)計中的一些考慮[J]．中國造船，2010，51(2)：246-254．

[2] 楊洪慶，周斌，邵奎志，等．水下控制系統(tǒng)設(shè)計研究[J]．中國造船，2012，53(1)：97-100．

[3] 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)研究及應(yīng)用[J]．化工自動化及儀表，2011，39(2)：209-211．

[4] 蘇鋒，劉鴻雁，王強(qiáng)． 電力/信號傳輸技術(shù)在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用[J]． 石油化工自動化，2008(5)：29-31．

[5] 周美珍，張維慶，程寒生．水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的比較與選擇[J]．中國海洋平臺，2007，22(6)：47-48．

[6] 劉太元，霍成索，李清平，等．水下生產(chǎn)系統(tǒng)在我國南海深水油氣田開發(fā)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)[J]．中國工程科學(xué)，2015，17(1)：51-55．

責(zé)任編輯鄭練

Design and Application of Subsea Control System Communication Link in South China Sea Gas Field

GUO Jun, LIN Yinglian, HAO Weixiu, LIU Taiyuan, HU Xiaqi

(CNOOC Deepwater Development Co. Ltd., Zhuhai 519050, China)

Base on the South China Sea project , introduce the application of fiber optic system in subsea production development. Base on the simulation results and first gas results, give a detail analysis to the principle, composition and control mode of the fiber optic system. This work will also help build a practice for new projects in fiber optic for subsea production system.

subsea router module, subsea production system, subsea control module, South China Sea gas field, fiber optic

TE95

B

郭駿(1978-)，男，大學(xué)本科，主要從事海洋工程開發(fā)信息化等方面的研究。

2015-12-18