電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器研究進(jìn)展及問題探討

摘" 要：全電式水下控制系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向已是業(yè)內(nèi)的共識(shí)。電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器作為系統(tǒng)的核心裝備，控制全電式水下采油樹、管匯閘閥的開啟與關(guān)閉，是全電式水下控制系統(tǒng)的最終執(zhí)行單元，對(duì)于油氣資源的安全開采起著至關(guān)重要的作用。近年來電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器受到國(guó)內(nèi)外油氣裝備企業(yè)和研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，已逐漸成為水下控制系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該文介紹電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器的研究進(jìn)展，并綜合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)現(xiàn)有相關(guān)研究中存在的待解決問題做簡(jiǎn)要探討，為未來電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器的發(fā)展提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器；全電式水下控制系統(tǒng)；油氣資源；研究進(jìn)展；油氣開采

中圖分類號(hào)：TE54" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）19-0019-06

Abstract： It is a consensus in the industry that the all-electric underwater control system is the future development direction. As the core equipment of the system， the electrically-driven underwater gate valve actuator controls the opening and closing of the all-electric underwater production tree and manifold gate valve， which is the final execution unit of the all-electric underwater control system. It plays a vital role in the safe exploitation of oil and gas resources. In recent years， electrically-driven underwater gate valve actuator has been widely concerned by oil and gas equipment enterprises and research scholars at home and abroad， and has gradually become a research hotspot in the field of underwater control system. This paper introduces the research progress of electrically-driven underwater gate valve actuators， and briefly discusses the problems to be solved in the existing research based on the development of technology， so as to provide a basis for the development of electrically-driven underwater gate valve actuators in the future.

Keywords： electrically-driven underwater gate valve actuator; all-electric underwater control system; oil and gas resources; research progress; oil and gas production

水下生產(chǎn)系統(tǒng)由于其自身優(yōu)勢(shì)使得其十分適用于開發(fā)深水油氣資源[1]。其中水下控制系統(tǒng)作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心，是確保水下采油樹、水下管匯等水下生產(chǎn)設(shè)施高效安全運(yùn)行的關(guān)鍵[2]。目前電液復(fù)合式水下控制系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)十分成熟的開發(fā)模式，但隨著海洋油氣資源開發(fā)逐漸向著更深、更偏遠(yuǎn)的地區(qū)發(fā)展，油氣資源的勘探和開采出現(xiàn)了超深水、超長(zhǎng)回接距離和開發(fā)環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，電液復(fù)合式水下控制系統(tǒng)由于其固有的性能局限已經(jīng)無法滿足此類油氣田的開發(fā)要求[3]，并且隨著近年的油價(jià)暴跌，深水油氣產(chǎn)業(yè)面臨著巨大挑戰(zhàn)，如何在保持有效開發(fā)業(yè)績(jī)的同時(shí)降低資本支出和運(yùn)營(yíng)成本成為了各油氣田承包商關(guān)注的重點(diǎn)[4]。正是在上述大背景下，水下裝備供應(yīng)商于20世紀(jì)末提出了水下全電控制技術(shù)，2008年Cameron公司在荷蘭K5F氣田項(xiàng)目中研制并示范性應(yīng)用了世界上第一套全電式水下控制系統(tǒng)[5]，使得水下控制系統(tǒng)技術(shù)步入了新時(shí)代。

在全電式水下控制系統(tǒng)中，電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器安裝在全電式水下生產(chǎn)設(shè)施上，用于控制石油、天然氣和化學(xué)藥劑等生產(chǎn)介質(zhì)的通斷、流量和壓力控制[6]，從而完成油氣資源的開采。電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器是一個(gè)機(jī)電一體化高度集成的裝備，作為全電式水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心裝備，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和安全性[7]。目前國(guó)外對(duì)于電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器的研發(fā)尚處于試用階段，關(guān)鍵技術(shù)尚未完全成熟；國(guó)內(nèi)對(duì)于深水油氣資源的開采起步較晚，關(guān)鍵裝備和技術(shù)被歐美發(fā)達(dá)國(guó)家長(zhǎng)期壟斷，當(dāng)前國(guó)內(nèi)陵水、番禺、荔灣和流花等項(xiàng)目所使用的仍是傳統(tǒng)的電液復(fù)合式水下控制系統(tǒng)相關(guān)裝備，并且基本從國(guó)外購(gòu)買，對(duì)于全電式水下控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的研發(fā)更是處于初期探索階段。

1" 電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

作為全電式水下控制系統(tǒng)核心裝備的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器，因其具有技術(shù)難度大、科技含量高和應(yīng)用前景廣等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為水下全電控制體系核心技術(shù)的主要爭(zhēng)奪點(diǎn)。本節(jié)將對(duì)電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

1.1" 電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器伴隨著新型水下控制系統(tǒng)的出現(xiàn)得以發(fā)展，國(guó)外對(duì)其研發(fā)較早，目前已經(jīng)處于試用階段；并且隨著水下全電控制技術(shù)越來越受到認(rèn)可，國(guó)外Cameron、Aker Solutions、FMC Technologies、Rexroth Bosch Group和OneSubsea等大型深水裝備供應(yīng)商正在競(jìng)相研發(fā)電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器產(chǎn)品，均已形成具備知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特色裝備。

1.1.1" Cameron公司

Cameron公司[8]從1999年就開始關(guān)注水下全電控制技術(shù)，已先后研制了2套全電式水下控制系統(tǒng)并應(yīng)用于荷蘭北海K5F氣田。該公司對(duì)于電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器的相關(guān)研究處于世界領(lǐng)先，目前已先后將所研發(fā)的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器應(yīng)用于全電式水下控制系統(tǒng)當(dāng)中。

該公司的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器如圖1所示，其動(dòng)力機(jī)構(gòu)由一個(gè)“驅(qū)動(dòng)”電機(jī)和一個(gè)“離合”電機(jī)組成，并采用復(fù)位彈簧實(shí)現(xiàn)失效-安全關(guān)斷閥門；在水下閘閥的開啟過程中，首先驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過壓縮復(fù)位彈簧迫使水下閘閥打開，然后當(dāng)閥門完全開啟后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作并完全卸載，此時(shí)離合電機(jī)開始工作，離合電機(jī)能夠通過使用基于摩擦機(jī)制的機(jī)械結(jié)構(gòu)來確保水下閘閥保持開啟狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)只需少量功率即可維持閥門開啟狀態(tài)的功能；如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障電力供應(yīng)中斷，那么執(zhí)行器將通過復(fù)位彈簧來保證水下閘閥能夠返回到安全關(guān)斷位置。

1.1.2" Aker Solutions公司

Aker Solutions公司[9-10]于2013年開始對(duì)電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器進(jìn)行研究。該公司研發(fā)的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性要求的同時(shí)，在商業(yè)性上與同類產(chǎn)品相比有所提高。Aker Solutions公司的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器如圖2所示。該公司產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常緊湊，更易于在水下施工安裝；安裝方式可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求進(jìn)行選擇，豎式和臥式安裝均能實(shí)現(xiàn)；采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，方便替換和更新?lián)Q代，極大地降低了成本；具有先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，能夠?qū)﹂y門和執(zhí)行器進(jìn)行監(jiān)測(cè)；以通用的合格構(gòu)件為基礎(chǔ)，采用高質(zhì)量的生產(chǎn)方法構(gòu)建可配置的電動(dòng)執(zhí)行器。

此外Aker Solutions公司根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的不同需求，設(shè)計(jì)了高負(fù)荷和低負(fù)荷2種類型的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器，其中低負(fù)荷類型的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器由電池模塊、低壓供電模塊、通信與內(nèi)部微處理器、電機(jī)控制微處理器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成；而高負(fù)荷類型的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器由動(dòng)態(tài)制動(dòng)器、高壓供電模塊、通信與內(nèi)部微處理器、電機(jī)控制微處理器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)所組成，并且上述各組成部分均為雙冗余設(shè)計(jì)；該公司的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器均設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)的ROV操作接口以及多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使其能夠適用于多種尺寸的水下閘閥。

1.1.3" TechnipFMC公司

TechnipFMC公司[11-13]最早于2001年在挪威Statoil公司的Statfjord海上油氣開發(fā)平臺(tái)項(xiàng)目中就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)16臺(tái)全電式水下節(jié)流閥的控制，截至2015年，該公司在各大油氣田項(xiàng)目中共計(jì)應(yīng)用了數(shù)百臺(tái)全電式水下控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備，積累了大量的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。TechnipFMC公司先后研發(fā)了4代電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器，如圖3所示，該公司的執(zhí)行器可以獨(dú)立于水下閘閥進(jìn)行回收操作，并提供高扭矩版本和高速版本2類產(chǎn)品。

TechnipFMC公司電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器包含控制電子設(shè)備，用于與水面監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，以及對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行內(nèi)部控制和監(jiān)控。執(zhí)行器通過水下可充電電池（涓流充電方式）和電容器中的本地存儲(chǔ)電源來為內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)供電，該系統(tǒng)能夠?qū)⒔邮盏碾娏M(jìn)行變送從而向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)供電；同時(shí)配有電池管理系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)操控多個(gè)閥門時(shí)也不影響執(zhí)行器的電力供應(yīng)；該執(zhí)行器考慮到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)/系統(tǒng)的低功率要求，具有閥門位置和扭矩的精確控制、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、ROV安裝、最大扭矩和速度范圍可變等特點(diǎn)，并且可以在不需要對(duì)上部動(dòng)力或通信系統(tǒng)進(jìn)行新設(shè)計(jì)的情況下實(shí)現(xiàn)。此外，該執(zhí)行器不需要復(fù)位彈簧將閥門移動(dòng)到安全關(guān)斷位置，因此體積更小、重量更輕。

1.1.4" Rexroth Bosch Group公司

Rexroth Bosch Group公司[14-15]針對(duì)現(xiàn)有電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器尺寸較大、無法適配現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施的問題，于2021年設(shè)計(jì)了世界上首款在不占用額外空間情況下能夠替代液動(dòng)式水下閘閥執(zhí)行器的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器，如圖4所示，并獲得赫耳墨斯技術(shù)革新獎(jiǎng)提名。

Rexroth Bosch Group公司的執(zhí)行器主要由電力驅(qū)動(dòng)裝置、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、失效安全裝置和壓力補(bǔ)償容器等組成，其中運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用集成電子控制器，兼容工業(yè)4.0技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，而失效安全裝置則采用緊湊設(shè)計(jì)的機(jī)械彈簧；該執(zhí)行器僅需要一根電纜即可實(shí)現(xiàn)供電和通信功能，并配有ROV標(biāo)準(zhǔn)操作接口，利用數(shù)字孿生和標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)加快現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試速度，能夠按照1∶1比例替換已使用的液動(dòng)式水下閘閥執(zhí)行器，可以與現(xiàn)有水下生產(chǎn)設(shè)施無縫銜接。

1.1.5" OneSubsea公司

OneSubsea公司[16-17]為海底油氣市場(chǎng)提供綜合解決方案、產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務(wù)，主要針對(duì)海底油田開發(fā)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、水下處理系統(tǒng)、水下控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)和船用系統(tǒng)及海底服務(wù)等6大專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。該公司針對(duì)傳統(tǒng)液動(dòng)式水下閘閥執(zhí)行器重量大、操作邏輯復(fù)雜、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大、成本高等問題，先后研發(fā)了2款能夠適用于不同尺寸水下閘閥的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器（低扭矩版本和高扭矩版本），如圖5所示。

OneSubsea公司的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)最大程度簡(jiǎn)化，使得設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度降低、可靠性高。執(zhí)行器主要由電機(jī)控制單元、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變速箱3個(gè)部分組成，其中電機(jī)控制單元通過調(diào)整電機(jī)的電流和頻率，使得執(zhí)行器能夠根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)矩調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而保證執(zhí)行器始終在最佳的可實(shí)現(xiàn)性能水平上運(yùn)行，該公司的執(zhí)行器輸出軸控制精度高、作業(yè)速度在同類競(jìng)品中最快；另外通過采用無刷直流伺服電機(jī)和行星齒輪箱的組合，可以根據(jù)水下閘閥的特性來配置不同的輸出扭矩；此外執(zhí)行器配有標(biāo)準(zhǔn)的ROV操作接口以及一個(gè)彈簧安裝軸，滿足水下儀器接口標(biāo)準(zhǔn)（SIIS）的接口要求，可以同時(shí)適配已開發(fā)油氣田和待開發(fā)油氣田的水下閘閥，能夠在忽視水下閘閥位置的情況下快速、精確地安裝。

除了上述提到的深水裝備供應(yīng)商，國(guó)外研究人員也對(duì)于電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器的構(gòu)型技術(shù)開展過相關(guān)研究。White[18]提出在執(zhí)行器主軸處布置具有交替極性的間隔繞組，無需驅(qū)動(dòng)電機(jī)僅利用電磁力開啟水下閘閥的構(gòu)型設(shè)想。Marco等[19]提出一種利用離合器與制動(dòng)器相配合使復(fù)位彈簧保持在壓縮位置、并集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器構(gòu)型設(shè)想。Phielipeit等[20]設(shè)計(jì)一種電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器對(duì)接裝置的構(gòu)型設(shè)想，通過位于執(zhí)行器前端面的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及異型槽口實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器與水下生產(chǎn)設(shè)備本體的精確對(duì)接。Eriksen[21]提出一種雙電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器構(gòu)型設(shè)想，并通過多級(jí)齒輪傳動(dòng)的構(gòu)型設(shè)計(jì)從而將驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩側(cè)，降低了執(zhí)行器高度。

1.2" 電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于水下控制系統(tǒng)的研發(fā)起步較晚，相關(guān)技術(shù)和裝備長(zhǎng)期嚴(yán)重依賴進(jìn)口。近年來，我國(guó)在電液復(fù)合式水下控制系統(tǒng)領(lǐng)域相關(guān)方面的技術(shù)水平不斷提高，已基本具備500～1 500 m水深級(jí)相關(guān)裝備的自主研發(fā)及測(cè)試能力[22]。然而對(duì)于全電式水下控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，我國(guó)仍處于初期階段。

為保證海洋生態(tài)安全，對(duì)于海洋油氣資源的開采需要其作業(yè)裝備具有極高的可靠性和安全性。因此對(duì)于全電式水下控制系統(tǒng)相關(guān)裝備，特別是其核心裝備電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器這類技術(shù)難度大、應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)高的裝備的研究，國(guó)內(nèi)的技術(shù)企業(yè)極少涉及，只有哈爾濱工程大學(xué)、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所和中國(guó)石油大學(xué)（華東）等少數(shù)幾家高校和研究單位對(duì)其開展過相關(guān)設(shè)計(jì)和研究，如圖6所示[23]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器相關(guān)的研究不夠深入，關(guān)鍵技術(shù)尚不成熟，所采用的研發(fā)路徑仍然多是通過借鑒國(guó)外電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器產(chǎn)品進(jìn)行逆向工程開發(fā)，缺少自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并且絕大多數(shù)的研究成果尚處于理論研究或者方案研究階段。蔡寶平等[24]提出一種采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的主軸和水下閘閥的閘板，進(jìn)而省去齒輪箱等傳動(dòng)結(jié)構(gòu)減小執(zhí)行器尺寸的構(gòu)型設(shè)想。賈鵬等[25]提出一種電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器的構(gòu)型設(shè)想，利用杠桿原理和壓縮彈簧達(dá)到了低功耗保持閥門開啟和緊急安全關(guān)斷的目的。王向宇等[26-27]提出采用多電機(jī)并聯(lián)冗余的方式驅(qū)動(dòng)水下閘閥，并給出了相應(yīng)的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器設(shè)計(jì)方案；同年又提出一種球鎖磁力式的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器低功耗保持機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)想。肖茵等[28]設(shè)計(jì)了具備電力驅(qū)動(dòng)和失效復(fù)位功能的水下全電采油樹閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并對(duì)密封過程進(jìn)行了分析。Liu等[29]針對(duì)楔式閘閥，提出了一種新式壓力補(bǔ)償型電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，通過將水下閘閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，從而顯著降低了閥門關(guān)閉時(shí)的高壓液壓阻力。

2 電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器研究問題探討

隨著水下控制系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前主流的電液復(fù)合式水下控制系統(tǒng)存在著開發(fā)距離短、建設(shè)成本高和響應(yīng)速度慢等問題，而全電式水下控制系統(tǒng)是目前公認(rèn)的發(fā)展方向，能夠有效地解決上述問題。然而對(duì)于全電式水下控制系統(tǒng)的核心裝備——電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器來說，雖然國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)開展了相關(guān)研究工作，取得了一些進(jìn)展，但尚未進(jìn)行過深入系統(tǒng)的研究。目前電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器的相關(guān)研究仍存在以下幾個(gè)待解決的問題。

2.1" 電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器構(gòu)型研究

目前國(guó)內(nèi)外油氣裝備企業(yè)由于技術(shù)保密原因，其相關(guān)文獻(xiàn)均只簡(jiǎn)單介紹了所研發(fā)執(zhí)行器的功能和工作過程，缺少關(guān)于執(zhí)行器具體構(gòu)型和工作原理的描述；而相關(guān)學(xué)者所提出的電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器構(gòu)型，大多只關(guān)注于因執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)方式轉(zhuǎn)變所帶來的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式的變化，忽略了電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器其他功能的實(shí)現(xiàn)，特別是低功耗保持閥門長(zhǎng)期開啟的功能。因此為保證電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器節(jié)能性、安全性和可靠性功能的實(shí)現(xiàn)，開展電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器構(gòu)型研究是十分重要的。

2.2" 電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器控制方案研究

全電式水下控制系統(tǒng)擺脫了液壓流體的控制模式，水下設(shè)備的控制與監(jiān)測(cè)全部采用電力進(jìn)行控制，屬于最新一代的水下控制系統(tǒng)形式，與傳統(tǒng)的電液復(fù)合式水下控制系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。而對(duì)于其核心裝備電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器而言，傳統(tǒng)的控制方案已經(jīng)完全不適合，控制系統(tǒng)的電力和通信性能要求與布置方案都發(fā)生了根本性的變化。目前對(duì)于電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器電氣控制系統(tǒng)方案的研究較少，且國(guó)外油氣裝備企業(yè)的試用方案處于技術(shù)保密狀態(tài)，因此為使電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器，乃至新型水下控制系統(tǒng)在我國(guó)未來深海油氣田開發(fā)中能夠成熟應(yīng)用，有必要對(duì)電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器的控制方案進(jìn)行研究。

2.3" 電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器測(cè)試技術(shù)研究

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于傳統(tǒng)的液動(dòng)式水下閘閥執(zhí)行器的研究已經(jīng)十分成熟，相配套的試驗(yàn)設(shè)備也已有工程產(chǎn)品，并開展了大量的示范應(yīng)用。然而對(duì)于電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器而言，目前國(guó)外的研發(fā)尚處于試用階段，沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；國(guó)內(nèi)更是處于初期探索階段。電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器作為全電式水下控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，具有功能復(fù)雜、造價(jià)昂貴、維修困難的特點(diǎn)。因此為了保證裝備在功能和性能上滿足使用要求，驗(yàn)證裝備的功能性、可靠性及可用性，需要對(duì)電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器的測(cè)試方法、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試條件開展系統(tǒng)研究。

2.4" 電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器適配優(yōu)化技術(shù)研究

雖然全電式水下控制系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢(shì)，但是從深海油氣田開發(fā)實(shí)際的角度出發(fā)，將現(xiàn)有電液復(fù)合式水下控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，更加符合工程開發(fā)中對(duì)于成本、工期和產(chǎn)能的要求，因此，電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器需要能夠適配現(xiàn)有水下控制系統(tǒng)。然而全電式水下閥門執(zhí)行器采用電力驅(qū)動(dòng)，不同于現(xiàn)有電液復(fù)合式的液壓驅(qū)動(dòng)，功能的提高會(huì)影響結(jié)構(gòu)的進(jìn)化，所以要求在兼顧結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有水下生產(chǎn)設(shè)施中對(duì)于執(zhí)行器性能和尺寸空間的要求，對(duì)電驅(qū)動(dòng)水下閘閥執(zhí)行器與水下生產(chǎn)設(shè)施的適配優(yōu)化技術(shù)開展研究。但是對(duì)于這項(xiàng)研究工作目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究較少，尚待加強(qiáng)。

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第一作者簡(jiǎn)介：王洪海（1992-），男，博士，講師。研究方向?yàn)闄C(jī)械工程、車輛工程和海洋工程。