浅谈水下生产控制系统控制与监测传输模式

刘华建

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

浅谈水下生产控制系统控制与监测传输模式

刘华建

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

在海洋资源的开发应用过程中，国内外对深海油气田的开发与投资力度逐年加大，我国南海深水开发工程设施也逐年增多。水下生产控制系统作为水下生产系统的核心部分，控制与监测传输模式的选择对整个工程的开发成本与安全运行起到了关键作用。 目前国内外开发工程中，水下生产控制系统监控传输模式种类较多，不同的工程公司选用的传输模式也有所不同。该文主要介绍了目前国内外水下生产系统几种常见的监控传输模式，并通过实例详细介绍了这几种传输模式的应用范围和主要特点。

水下生产控制系统;传输模式;调制;电力载波;光纤通信

0 引言

目前，水下生产系统的投资已超过各类平台的投资，截至2009年，墨西哥湾的251个深水油气藏中，有159个采用了水下生产系统开发方案。水下生产系统是相对于水面开采技术的一种水下油气田开发技术，它通过水下井口、部分或全部放置在海底的水下生产设施、海底管道，将采出的油、气、水多相或单相流体回接到附近水面依托设施、岸上终端油气处理厂。

深水油气开发经过多年的发展，已形成了一些成熟的开发模式，其控制类型与方式种类较多，包括全液压控制、电液控制、全电控制等。针对油气田的开发规模以及控制类型，水下生产控制系统发展出了多种形式的控制与监测传输模式。该文主要介绍了目前国内外水下生产控制系统几种常见的监控传输模式，并通过实例详细介绍这几种传输模式的应用范围和主要特点，以及国外各个工程公司的使用特点。

1 水下生产控制系统控制与监测传输模式

随着深水油气田勘探与开发力度的不断加大以及现代信息科学的不断发展，水下生产控制系统的控制与监测传输模式也不断的更新与改进，目前国内外的应用较多的传输模式主要包括：(1) 传统信号电缆传输；(2) 电力载波传输；(3) 光网络传输。

1.1 传统信号电缆传输

传统信号电缆传输模式主要是采用传统的信号电缆对水下设备进行监测与控制，最初的模式是通过铜导体直接传送控制信号和监测信号。但这种模式由于铜线存在电阻，监控信号频率低，长距离传输衰减增大，不适合远距离使用。另外，一对铜线只能传送一路信号，不适用于控制规模较大的开发模式。随着载波调制技术的发展，这种点对点式的监控模式已经被多路复用技术取代，新的传输模式是将多个水下控制点的控制信号与监测信号调制在载波中，用高频载波传送，这样就解决了一对线可同时传送多路信号的问题，多路复用技术如图1所示。

图1 多路复用技术

该模式主要包括以下水面与水下设备：水面设备有主控站(MCS)、调整解调器(MODEM)、水上电缆接线箱(EJB)；水下设备有脐带缆(UMBILICAL)、水下分配单元(SDU)、水下电飞线(EFL)。

在实际工程应用中，水下系统可靠性要求非常高，使用年限一般为15年～25年，要求设备最好少维修或者不维修，因此需设置多对电缆，采用冗余设备方式提高传输系统的可靠性。通常采用2×2的备用方式，即在脐带缆中配置两组两对电缆，一组两对电缆中分别传输A系统与B系统信号，而另一组用来传输A系统与B系统。这两组电缆在设计脐带缆端面时，应将两组电缆对称分开布置于脐带缆两侧，以避免脐带缆一侧受损，导致两组电缆全部损坏的情况发生，尽可能调高整个系统的可靠性。

此模式的优点是：(1) 采用独立电缆传输信号；(2) 专线专用；(3) 调制解调设备简单；(4)易调试。

此模式的缺点是：(1) 传输距离较短，极限距离为15 km；(2) 脐带缆端面直径增加，制造成本升高；(3) 与动力电缆成束，存在干扰源。

1.2 电力载波传输

电力线载波通信(技术)PLC是采用电力线传送数据的一种通信方式，出现于二十世纪二十年代初期,它以电力线作为传输媒体,利用载波方式将模拟或数字信号变成高频信号,通过电力线实现远距离传输。电力载波技术早已应用于国外深水油气田开发的工程实践中，尽管在国外已有成功的应用，但该技术仍处于发展时期，目前基于OFDM的下一代电力载波通信系统已经成为研究的热点，能更有效地利用频谱资源，提高抗噪声干扰能力，电力载波系统组成如图2所示。

在水下生产控制系统的实际应用中是将脐带缆中动力线作为传输介质，采用多路载波调制技术传输水下生产控制系统的监测与控制信号。此技术减少了脐带缆中信号电缆部分，在同种控制需求的情况下，使得脐带缆的直径减小，制造成本降低。

该模式主要包括以下水面与水下设备：水面设备有主控站(MCS)、电力猫(MODEM)、供电单元(EPU) 、水上电缆接线箱(EJB)；水下设备有脐带缆(UMBILICAL)、水下电力接线箱(SDU)、水下电飞线(EFL)。

此模式的优点是：(1) 传输信号与电力共用一条传输介质；(2) 脐带缆减少信号电缆单元，直径减少，制造成本降低；(3) 调制解调设备简单。

此模式的缺点是：(1) 传输距离受调制方式限制，极限距离为25 km(取决于调制方式)；(2) 电力信道高衰减,在电源线上噪声复杂,信道失真，传输速率慢；(3) 对电缆施工与接头制作要求高；(4) 调试困难。

图2 电力载波系统组成

1.3 光网络传输

随着水下生产系统开发规模不断扩大以及回接距离的不断增长，传统通信电缆以及电力载波技术随着传输距离的增长以及各种干扰源的影响，其衰减已不能满足水下生产控制系统监测的需求。国外深水油气田开发的工程实践中，逐步将光网络传输系统应用于水下生产控制系统之中。

光纤是光波传输的介质，是由介质材料构成的圆柱体，分为芯子和包层两部分，光波沿芯子传播。光纤是由预制棒拉制出纤丝经过简单被复后的纤芯，纤芯再经过被复、加强和防护，成为能够适应各种工程应用的光缆。光纤传输的是光信号，因此光发射机完成E/O转换的核心器件是光源，而光接收机完成的是O/E转换，核心器件是探测器，光纤传输系统的三要素为光源、光纤、探测器。

在水下生产控制系统工程应用中，按照控制与监测的需求，将两根或多根成品光缆成束于脐带缆之中，在水上、水下分别设置光收发机(光猫)，实现对上下行数据的传输，光网络传输系统如图3所示。

该模式主要包括以下水面与水下设备：水面设备有主控站(MCS)、水面光收发机(MODEM)、水上光纤接线箱(OJB)；水下设备有脐带缆(UMBILICAL)、水下光纤接线箱(SDU)、水下光飞线(OFL)以及水下光收发机设备。

图3 光网络传输系统

光网络传输系统作为新型的传输手段与铜缆相比有着较大的优势：

(1) 传输损耗低

损耗是传输介质的重要特性，它决定了传输信号所需中继的距离。光纤作为光信号的传输介质具有低损耗的特点，如使用62.5 μm～125 μm的多模光纤，850 nm波长的衰减约为3.0 dB/km、1 300 nm波长更低，约为1.0 ddB/km。如果使用9 μm～25 μm单模光纤，1 300 nm波长的衰减仅为0.4 dB/km，1 550 nm波长衰减为0.3 dB/km，所以一般的LD光源可传输15 km～20 km。

在水下生产控制系统中，选用9 μm～25 μm单模光纤中1 550 nm这一波长作为传输信道，满足50 km以上的传输需求。

(2) 传输频带宽

光纤的频宽可达1 GHz以上，一般图像的带宽为6 MHz左右，所以用一芯光纤传输一个通道的图像绰绰有余。光纤高频宽的好处不仅可以同时传输多通道图像，还可以传输语音、控制信号或接点信号，有的甚至可以用一芯光纤通过特殊的光纤被动元件达到双向传输功能。

(3) 抗干扰性强

光纤传输中的载波是光波，它是频率极高的电磁波，远远高于一般电波通讯所使用的频率，所以不受干扰，尤其是强电干扰，能与高压电缆成束于一根脐带缆中。同时，由于光波受束于光纤之内，因此无辐射、对环境无污染、传送信号无泄露。

(4) 安全性能高

光纤采用的玻璃材质不导电，防雷击。光纤传输不像传统电路因短路或接触不良而产生火花，由于脐带缆水面接线箱往往布置在底层甲板脐带缆悬挂法兰附近，而这一区域一般为危险区，因此光缆在易燃易爆场合下特别适用，不需使用防爆接线箱。

(5) 重量轻，机械性能好

光纤尺寸小，重量轻，即使是多芯光缆，重量也不会因为芯数增加而成倍增长，而电缆的重量一般都与外径成正比。由于光缆成本较低，可以根据监控需求，设置多根光缆，在不改变脐带缆直径的条件下，尽可能的实现传输路径的备用。

2 三种水下生产控制系统控制与监测传输模式的选型分析

前文描述了三种传输的主要功能以及优缺点，在进行传输模式选型时可由表1三种传输模式的主要特点来初步选定传输方案。

表1 三种传输模式的主要特点

水下生产控制系统是水下生产系统的核心，其传输模式的选取，是一个综合的比选过程，需要考虑的因素还应包括：(1) 水下生产系统的总体布置；(2) 油气田生产操作的特点。

在传输方案确定之后，随着总体方案以及详细功能的逐步明确，在进行水下生产系统工程设计的不同阶段，还需进行软件建模计算、链路分析，以验证整个传输系统可实施性与可靠性。

3 总结

随着深水油气开发经过多年的发展，水下生产控制系统已形成了一些成熟的传输模式，该文仅从定性的角度对水下生产控制系统控制与监测传输模式的特点与选型进行分析，用来在概念设计与基本设计阶段对传输模式进行比选。

[1] ISO 13628-1. IDT 石油天然气工业水下开采系统的设计与操作 第1部分： 总体技术要求及推荐做法[S].1999.

[2] ISO 13628-4. IDT 石油天然气工业水下开采系统的设计与操作 第4部分： 水下井口装置和采油树设备[S].1999.

[3] ISO 13628-5. IDT 石油天然气工业水下开采系统的设计与操作 第5部分： 水下脐带缆[S].1999.

[4] ISO 13628-6. IDT 石油天然气工业水下开采系统的设计与操作 第6部分： 水下生产控制系统[S].1999.

Research of Control and Monitor Mode of Subsea Control System

LIU Hua-jian

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

In the process of the application of the Marine resources development, both at home and abroad for deep-sea oil and gas field development and investment increased year by year, Subsea production system, with its characteristics of high efficiency and low cost has become the mainstream of deepwater development project model. and subsea production control system play a core role in the deep development of underwater production system. There are many different monitor transport pattern, different engineering companies choose the transfer mode is also different. In this paper several common monitoring transmission mode are described through the instance in detail, including several transfer mode and the application scope of the main characteristics and the analysis of the selection.

subsea product control system; transfer mode; modulation; PLC; optical fiber communication

2015-03-20

“十二五”国家科技重大专项(2011ZX05056)。

刘华建(1983-)，男，工程师。

1001-4500(2015)05-0005-04

P75

A