水下控制系統(tǒng)電分配工程應用關鍵技術研究

陳斌 周學軍 蘇鋒 李斌 徐祥娟

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津，300451)

（2.中海油研究總院有限責任公司，北京，100028）

引言

隨著水下生產系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展，水下控制系統(tǒng)監(jiān)測與控制功能的需求與日俱增、控制功能與水下電網拓撲結構越發(fā)復雜，需要對水下控制系統(tǒng)電力進行相關設計，水下控制系統(tǒng)的電力負載也在不斷的發(fā)生變化，供電是水下控制系統(tǒng)中十分重要的組成部分[1]，供電方案與供電距離和供電負載密切相關，不同的供電距離、不同的供電負載，都有可能需要設計不一樣的供電方案。

近年來，隨著國內對于水下生產系統(tǒng)設計技術的掌握，部分設備已經開始國產化研制或者工程示范應用。對于水下控制供電系統(tǒng)，目前還尚未有國產設備研制并進行工程示范，這對于利用水下生產系統(tǒng)技術開發(fā)的油氣田工程而言，不僅開發(fā)成本居高不下，而且相關設備供貨周期成為制約項目開發(fā)的主要瓶頸之一。

基于國家創(chuàng)新示范項目的支持，在我國南海的樂東區(qū)塊進行相關水下生產系統(tǒng)相關設備進行示范應用。文章以樂東區(qū)塊為目標氣田，進行水下控制電力系統(tǒng)的設計、電力分配模塊的集成創(chuàng)新，為后期進一步深度的國產化奠定基礎。

1 目標氣田基本情況

東方1-1東南及樂東22-1南氣田開發(fā)項目包括位于中國南海的東方1-1東南氣田和樂東22-1南氣田。東方1-1氣田東南部氣田水深約為72 m。樂東22-1南氣田水深約94 m。樂東22-1南氣田也將采用水下生產系統(tǒng)技術進行開發(fā)，并通過一條9公里長的海底管道與現(xiàn)有的LD22-1CEP平臺連接。現(xiàn)場總平面圖如圖1所示。

圖1 目標氣田水下生產設施示意圖

2 水下控制系統(tǒng)電力分配設計技術

樂東22-1氣田水下控制系統(tǒng)，由LD22-1CEP平臺的不間斷電源（UPS）為水下控制系統(tǒng)電源單元（EPU）提供電力，經過變壓、濾波和電力載波后，通過臍帶纜上部終端（TUTA），一般是接線箱，將電力及控制信號以電力載波形式連接至臍帶纜傳送至水下臍帶纜終端（UTH），在UTH結構內部通過熔接、硫化等方式，以濕式電接頭形式輸出。然后通過水下電飛線連接至水下分配單元（SDU）的電分配模塊（EDM）實現(xiàn)電力分配，將每1個QUAD電力信號分配成3路，分別為水下路由模塊（SRM）、管匯上水下控制模塊（SCM）和采油樹上控制模塊（SCM）供電。

圖2 水下控制系統(tǒng)電力系統(tǒng)圖

在本項目中，電分配模塊（EDM）由2個水下電分配箱（EDB）組成，構成冗余的分配電網絡，如圖3所示，每個分配箱分別為2個水下控制模塊和1個水下路由模塊供電，水下路由模塊再為水下聲矢量監(jiān)測系統(tǒng)（HPH）和水下閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）供電。2個水下控制模塊和水下路由模塊分別連接至2個電分配箱，均為冗余供電，如果連接其中一條線路上的電分配箱或者電飛線出現(xiàn)故障，水下控制系統(tǒng)仍可以繼續(xù)工作，這樣大大提高了系統(tǒng)供電的可靠性。

圖3 水下電分配箱原理圖

3 水下控制系統(tǒng)電力計算分析

在構成了水下控制電力分配網絡后，需要對水下控制系統(tǒng)電力供應進行分析。該分析決定了水下控制系統(tǒng)電力方案是否合理與臍帶纜選型、電飛線選型和控制設備參數(shù)制定是否準確。

針對以往電力分析中僅考慮單參數(shù)計算而造成結果精度低的問題，首次建立了平行電力線電阻電感雙參數(shù)等效計算模型，確立了一種長距離復雜拓撲結構下的雙變量電力負荷分析方法。保證可靠性前提實現(xiàn)了電力系統(tǒng)設計方案優(yōu)化。表1是基于雙參數(shù)的供電方案計算分析結果。

表1 水下電力系統(tǒng)計算分析結論

分析結果表明，基于本項目的供電方案，電力單元（EPU）的電壓在16mm2電纜截面前提下，供電范圍在352.54V到593.75V之間變化，沿程最大電壓損耗為17.44%，不超過行業(yè)及標準規(guī)范要求的30%。

考慮到不同的電纜供應商電纜參數(shù)可能會存在微小變化，從而會導致不同的計算結果，建議主臍帶纜尺寸為16mm2?？紤]到本項目的水下路由模塊及其負載較大的特點，建議將4芯纜中的其中2芯作為獨立使用，為其供電，夠滿足SRM及其負載在LD22-1區(qū)塊的電力需求。

由于電力單元（EPU）的工作電壓窗口在352.54V至593.75V之間，在產品設計過程中，不同的承包商可能使用不同的功耗和電壓窗口，考慮到項目的特殊性，建議在電力單元（EPU）上為水下控制模塊（SCM）和水下路由模塊（SRM）分別設置一個獨立的電源模塊。

4 水下控制系統(tǒng)電力分配模塊設計

水下電分配箱（EDB）,考慮其需要可回收，設計有水下電分配箱本體、導向外殼和鎖緊銷三大部分組成；其中，水下機器人或者潛水員通過提升把手將水下電分配箱本體安裝在導向外殼上，再用安全鎖緊銷進行固定，通過上述安裝連接構成能夠實現(xiàn)水下機器人（ROV）或者潛水員進行安裝或者回收的水下電分配箱本體。水下電分配箱體積小，節(jié)省材料和水下結構物上的空間，在海上安裝或者方便且容易實施，提高了海上工作效率，降低了施工成本。

在電分配箱內部安裝有電分配箱元器件集合體，由一個輸入的插座（Pin）、三個輸出插座（Socket）和電分配盒構成，插座形式的選取主要保證在帶電操作情況下導體不與海水接觸而造成短路。插座均通過螺釘固定在電分配箱的本體面板上，電分配盒固定在電分配箱本體的底板上通過螺栓，之間的電纜需要固定在箱體上。

圖4 水下電分配箱外殼圖 圖5 水下電分配箱本體圖

圖6 水下電分配箱內部元器件構成圖

5 水下控制系統(tǒng)電力分配模塊結構計算分析

對水下電分配箱的本體結構需要進行有限元分析，確保結構強度設計滿足工程工況需求。按照項目實際情況，對吊繩吊裝工況、ROV上提工況，ROV撞擊工況和模塊的對接撞擊工況進行有限元分析，分析結果均滿足設計要求，如圖7-10所示。

圖7 吊繩吊裝工況

圖8 ROV上提工況

圖9 ROV撞擊工況

圖10 電分配模塊的對接撞擊工況

6 水下控制系統(tǒng)電力分配模塊測試

對完成制造及集成的水下電分配箱進行測試，確保其性能和功能滿足項目需求。測試主要參考標準ISO 13628-1，ISO13628-6，ISO 13628-8，測試的主要內容包括：外觀檢查、吊耳測試、重量、重心測試、安裝，回收模擬測試、短路測試、絕緣測試、模擬電插拔測試和電連續(xù)性測試。

7 結論

水下控制系統(tǒng)電分配工程應用技術是一個任重道遠的課題，因為電分配元器件技術還需要進一步研發(fā)，在集成創(chuàng)新后，我們進一部借助結合產學研的方式，將承壓式水下電分配本體作為研究攻關的方向。