基于RBD的水下控制系統(tǒng)控制功能可靠性分析

尹 豐 文雨欣 陳 迪 牟雨言 岳元龍

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

0 引言

深水油氣田環(huán)境復(fù)雜，操作風(fēng)險高，開發(fā)難度極大。在生產(chǎn)過程中，一旦發(fā)生事故，將造成巨大損失。因此，在深水開發(fā)中，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的長期可靠運行逐漸成為人們關(guān)注的焦點[1]，如何保證水下生產(chǎn)設(shè)施的安全性、可靠性顯得尤為突出。而水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)控制各類水下設(shè)備操作的關(guān)鍵任務(wù)，一旦發(fā)生故障，將嚴重影響油氣開采進度，造成重大經(jīng)濟損失。國內(nèi)目前對水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的可靠性研究主要集中在單個設(shè)備上，對其完整的控制功能的可靠性尚未有深入研究。因此，研究水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)控制功能的可靠性具有現(xiàn)實意義?？煽啃钥驁D（Reliability Block Diagram，RBD）是一種研究系統(tǒng)可靠性的重要方法，該方法用框圖的形式表示大型復(fù)雜系統(tǒng)中各個組成部分的可靠性邏輯關(guān)系，常見的可靠性邏輯有串聯(lián)連接、并聯(lián)連接、混合連接以及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。該文以某實際油氣田為研究對象，創(chuàng)新性地以開啟PMV和CIV為例對其水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的控制功能進行鏈路劃分，根據(jù)鏈路劃分形成的可靠性框圖進行可靠性分析。

1 水下控制功能鏈路

為了對水下控制模塊、水下儀表以及液壓動力單元等單體設(shè)備的集成功能進行可靠性分析，驗證控制系統(tǒng)能否安全執(zhí)行控制功能，該文提出“功能鏈路”概念，對控制信號經(jīng)過的設(shè)備進行劃分，形成功能鏈路。并以功能鏈路為基礎(chǔ)，對由各條鏈路所組成的控制系統(tǒng)整體的可靠性進行分析。

復(fù)合電液控制是目前水下控制系統(tǒng)的主流控制方式，該系統(tǒng)執(zhí)行控制功能時需要的設(shè)備包括主控站（MCS）、電力單元（EPU）、液壓動力單元（HPU）、水上臍帶纜終端（TUTA）、靜態(tài)臍帶纜、水下臍帶纜終端（SUTA）、水下分配單元（SDU）和水下控制模塊（SCM）[2]?？刂乒δ軐崿F(xiàn)的原理如下：由MCS將控制信號發(fā)給EPU，在EPU內(nèi)的調(diào)制解調(diào)器里將控制信號疊加在電力波上，控制信號以電力載波的形式進行信號傳輸。將電力載波信號和HPU發(fā)出的液壓信號線路共同送至TUTA，從TUTA出發(fā)，通過1根臍帶纜輸送至SDU。SDU將控制信號、電力信號、液壓信號以及化學(xué)藥劑信號分別輸送至水下采油樹上的SCM里，最終實現(xiàn)控制水下設(shè)備的功能。

其中，SCM作為水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，根據(jù)水上主控站的控制指令控制水下生產(chǎn)設(shè)備上各種執(zhí)行器的開啟和關(guān)閉。因此，當(dāng)劃分控制功能鏈路時，要單獨將SCM鏈路細化到板卡級別。

繪制水下控制系統(tǒng)控制功能鏈路，如圖1所示。其中，PMV控制功能鏈路只由控制信號鏈路和液壓供油鏈路組成，共同控制PMV閥門開啟或關(guān)閉；CIV控制功能鏈路由控制信號鏈路、液壓供油鏈路和化學(xué)藥劑鏈路組成，共同控制CIV閥門開啟或關(guān)閉。

2 功能鏈路可靠性計算方法

可靠性框圖可以通過框圖將系統(tǒng)內(nèi)元件功能層面的邏輯關(guān)系表現(xiàn)出來[3]，說明組件的可靠性如何影響復(fù)雜系統(tǒng)的成功和失效，一般用于大型復(fù)雜系統(tǒng)，是一種效果非常好的可靠性分析工具。該文介紹的鏈路存在串、并聯(lián)特點，采用可靠性框圖法根據(jù)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)開啟PMV和CIV的邏輯關(guān)系建立可靠性模型。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)備的可靠度計算方法如公式（1）所示。

式中：Ri（t）為某設(shè)備的可靠度；λi為設(shè)備的失效率；t為工作時間。

通過可靠性框圖的方法建立控制PMV和CIV開啟鏈路上各部件的相互關(guān)系，即串聯(lián)或并聯(lián)，從而計算系統(tǒng)的可靠度。

當(dāng)部件串聯(lián)時，系統(tǒng)中任一單元出現(xiàn)故障都會影響系統(tǒng)的正常運行，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度如公式（2）所示。

當(dāng)部件并聯(lián)且系統(tǒng)所有單元都故障時，才會影響系統(tǒng)的正常運行，并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度如公式（3）所示。

當(dāng)部件交叉連接時，難以分割為串聯(lián)或并聯(lián)形式，可以采用下面的方法進行可靠性建模分析，交叉連接形式如圖2所示。

當(dāng)對復(fù)雜系統(tǒng)進行可靠性計算時，采用最小路集法。最小路集是指當(dāng)系統(tǒng)能正常工作時，從輸入端到輸出端連接的所有弧的集合，如果刪去其中任何一個弧就不是路集?？梢酝ㄟ^輸入端到輸出端的最小路集綜合運算得到復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性，如公式（4）所示。

式中：m為路集個數(shù)；P（Li）為路集的可靠性參數(shù)。

在系統(tǒng)模型（圖2）中，最小路集共4個：L4為AB，L2為AD，L3為CB，L4為CD。由公式（4）可以求得系統(tǒng)的可靠性。

圖2 交叉系統(tǒng)模型

3 水下控制功能鏈路的可靠性建模

3.1 PMV控制功能鏈路可靠性建模

根據(jù)功能鏈路劃分結(jié)果可知，當(dāng)水下控制系統(tǒng)控制PMV時，需要控制信號和液壓油的共用作用，只有這2條鏈路同時可靠，才能開啟閥門。因此，當(dāng)用可靠性框圖進行建模時，這2條鏈路之間是串聯(lián)的邏輯關(guān)系，需要分開計算后再求得整個PMV控制功能鏈路的可靠度。

3.1.1 控制信號鏈路可靠性框圖建模

控制信號鏈路可靠性框圖如圖3所示。首先，根據(jù)公式（4）計算圖3中SCM內(nèi)交叉冗余部分的可靠度。其次，根據(jù)串并聯(lián)邏輯算法計算控制信號鏈路的可靠度。采用MATLAB繪制可靠度曲線，時間t=10 a 。

圖3 控制信號鏈路可靠性框圖

在MATLAB中繪制交叉冗余部分可靠度隨時間變化，如圖4（a）所示。由曲線可知，交叉冗余結(jié)構(gòu)的可靠度很高，系統(tǒng)運行10 a后的可靠度還能保持在99.97%。在交叉冗余部分可靠度已知的情況下，根據(jù)可靠性框圖串并聯(lián)算法計算控制信號鏈路的可靠度?？煽慷惹€如圖4（b）所示，系統(tǒng)運行10 a后控制信號鏈路的可靠度大約降至98%。

圖4 可靠度曲線

3.1.2 液壓供油鏈路可靠性框圖建模

液壓鏈路可靠性框圖為串聯(lián)邏輯關(guān)系，根據(jù)功能鏈路里液壓供油傳遞路徑建立可靠性框圖模型如圖5所示。

根據(jù)圖5用串聯(lián)算法計算液壓鏈路可靠度后，串聯(lián)液壓鏈路與控制信號鏈路求得控制PMV控制功能鏈路的可靠度，繪制控制PMV的整條功能鏈路可靠度曲線，如圖6所示。

圖5 液壓鏈路可靠性框圖

由圖6可知，采用劃分功能鏈路的方法可以對水下控制系統(tǒng)功能進行可靠性分析。隨著時間的增長，水下控制系統(tǒng)對PMV的控制功能可靠度隨之降低，實際工程應(yīng)用中要求水下控制系統(tǒng)的可靠度大于或等于98%，建模結(jié)果顯示系統(tǒng)運行10 a后，控制功能可靠度大約降至97%，因此可以在可靠度降低至98%時進行檢修和維護工作，以維持可靠性。

圖6 PMV控制功能鏈路可靠度

3.2 CIV控制功能鏈路可靠性建模

根據(jù)功能鏈路劃分結(jié)果可知，當(dāng)控制CIV時，需要控制信號、液壓油和化學(xué)藥劑的共同作用，只有這3條鏈路同時可靠，才能開啟閥門。因此，當(dāng)用可靠性框圖建模時，這3條鏈路之間是串聯(lián)的邏輯關(guān)系，需要分開計算后再求得整個控制功能鏈路的可靠度。

其中，控制信號鏈路和液壓供油鏈路已在3.1中計算過，只需要對化學(xué)藥劑鏈路進行建模，再與上述2條鏈路串聯(lián)即可得到CIV控制功能鏈路可靠度曲線，化學(xué)藥劑鏈路可靠性框圖如圖7所示。

圖7 化學(xué)藥劑鏈路可靠性框圖

繪制CIV控制功能功能鏈路可靠度曲線，如圖8所示。由圖8可知，采用劃分功能鏈路的方法可以對水下控制系統(tǒng)功能進行可靠性分析。隨著時間的增長，水下控制系統(tǒng)針對CIV的控制功能的可靠度隨之降低，實際工程應(yīng)用中要求水下控制系統(tǒng)可靠度大于或等于98%，CIV控制功能鏈路在系統(tǒng)運行5 a后的可靠性就大約降至98%，因此，應(yīng)在此時進行檢修和維護，以維護可靠度保持在要求的范圍內(nèi)。

圖8 CIV控制功能鏈路可靠度

4 結(jié)語

針對2種不同類型的水下控制系統(tǒng)控制功能，以功能鏈路為基礎(chǔ)，利用可靠性框圖建立相應(yīng)的可靠性模型，根據(jù)鏈路中設(shè)備及部件的串聯(lián)、并聯(lián)或交叉連接結(jié)構(gòu)對水下控制系統(tǒng)的控制功能進行可靠性分析，得到以下3條結(jié)論與建議：1） 根據(jù)對交叉冗余結(jié)構(gòu)、控制信號鏈路、液壓供油鏈路和化學(xué)藥劑鏈路可靠性建模分析結(jié)果可知，交叉冗余結(jié)構(gòu)和并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的可靠度，而串聯(lián)結(jié)構(gòu)越多，系統(tǒng)可靠性會越低。在運行期間需要縮短系統(tǒng)檢修和維護周期，以達到系統(tǒng)的可靠度要求。2） 采用繪制功能鏈路圖的方法可以更清晰、有效地對水下控制系統(tǒng)某控制功能進行可靠性計算和分析，以衡量該功能的可靠度。3） 采用可靠性框圖法對功能鏈路進行建模，可以高效地計算鏈路的可靠度，還可以通過改變PMV和CIV控制功能鏈路的配置、增加交叉冗余結(jié)構(gòu)對鏈路進行修改，用可靠性較高的組件替換可靠性較低的組件，實現(xiàn)優(yōu)化功能鏈路的目標。重新計算鏈路可靠度，對比優(yōu)化前后的計算結(jié)果，為水下控制系統(tǒng)設(shè)計決策提供參考。