基于电液复合控制系统功能的浅水测试技术研究

刘立新，苏　锋，肖仕红，陈　斌，梁　政，范玉杨，张汝彬

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.西南石油大学，四川 成都 610500）

基于电液复合控制系统功能的浅水测试技术研究

刘立新1，苏锋1，肖仕红2，陈斌1，梁政2，范玉杨1，张汝彬1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.西南石油大学，四川 成都 610500）

为掌握水下液控系统浅水测试技术，以常用的电液复合控制系统为基础展开研究。分析电液复合控制系统的组成、工作原理和功能要求，结合现有标准要求和国内外测试现状，提出浅水测试场需配置的测试系统及其连接方式，明确测试内容，编制测试流程，并阐述具体的测试方法。研究结果可为国内浅水测试场建设及水下液控系统浅水测试作业提供参考。

浅水测试技术；水下生产装备；电液复合控制系统；测试流程

0　引　言

随着全球能源需求的迅猛增长，陆上及近浅海油气资源已难以满足需求，越来越多的国家把目光转向深海。深海开采对水下生产系统需求逐年增加，2012年，在役水下生产系统约3500多套，到2025年，预计达到7114套[1]。与陆上和浅海油气生产设备相比，深水水下生产装备具有施工风险高、技术要求高、投入成本高、设备维修成本高等特点[2]，并且对水下生产装备的性能和可靠性提出了严格要求。为此，深水水下生产装备在安装前需完成一系列的测试，其中包括浅水测试[3-4]。特别是开发的新产品，通过浅水测试可以验证设备的功能与可靠性，节约开发成本，降低风险。为了掌握水下生产装备的浅水测试技术，需要深入研究浅水测试内容、测试流程和测试方法等技术。鉴于电液复合控制系统是深水水下生产装备常用的控制系统[5]，本文主要针对该系统进行浅水测试技术研究。

1　电液复合控制系统简介及其功能要求

电液复合控制系统[5-6]主要由主控站（MCS）、供电单元（EPU）、调制解调器、不间断电源（UPS）、液压动力单元（HPU）、水面控制缆终端（TUTA）、脐带缆、水下控制缆终端（SUTA）、电液飞线、水下控制模块（SCM）等组成。其控制通过电控系统和液控系统交互实现。电控系统工作原理为：地面MCS发送的控制信号通过EPU/调制解调器进入到TUTA，再通过脐带缆到达SUTA，之后经过SUTA上的电信号分配模块将控制信号分配到各采油树、管汇或其他油气田内的电飞线上，最后到达相应的SCM，SCM将信息解码后采取适当的动作，如开关水下电磁阀或查询水下传感器；而水下传感器采集到温度、压力等数据，再通过原路反馈到MCS。液控系统工作原理为：HPU输出的控制液依次通过TUTA、脐带缆、SUTA、液飞线，进入到SCM的水下蓄能器中。一旦SCM的水下电磁阀打开，则控制液通过水下电磁阀与水下生产装备（如水下采油树、水下管汇）上执行器的液压管线驱动该执行器，从而打开液驱阀；一旦水下电磁阀关闭，则执行器中的液压液与液压回路相通，执行器通过弹簧力复位，从而关闭液驱阀。

为了保证水下油气装备的安全，在ISO 13628-6——2006[7]中，对水下生产装备控制系统提出了相应的功能要求：

1）一般性能要求。为安全操作提供足够的数据回读信息，并对所需的过程关断做出快速响应；确保系统在规定时间内的紧急关断（ESD）功能。

2）操作压力要求。在阀门制造商规格书中所给出的最恶劣工况下，控制系统应能提供足够的压力以打开水下阀门；最小操作压力至少要比阀门制造商规定的最恶劣工况下的最小开启压力大10%；确保一个水下阀门打开时其操作压力不能减少到使其他打开的阀开始关闭。

3）故障安全要求。水下生产系统在失去液压动力时处于故障安全状态。

4）响应时间要求。接到关阀指令，水下控制系统应使用主控模式在不超过10min的响应时间内关闭所有的水下阀，要求单个阀总关闭时间和总开启时间中动作时间都不超过3min。

5）其他要求。满足水下采油树上各阀间的互锁要求；能对水下设备进行所需的诊断和规范所规定的泄漏试验等。

2　电液复合控制系统浅水测试现状

2.1标准要求

水下生产装备控制系统在投入使用前需经历一套完整的测试：单元合格性测试、FAT测试、现场接收检查、陆地测试（子系统测试、系统试验、互换性试验）、浅水测试、深水测试和后期完整性测试。所有功能要求不需在每个阶段都进行重复测试，各阶段的测试目的、测试环境和测试内容不同。

浅水测试是在成功完成陆地测试后进行的测试，在ISO 13628-1——2005[3]中，对浅水测试的必测内容提出了10项要求，其中与控制系统相关的内容为第6项 （使用修井控制系统进行的采油树功能试验）和第7项（使用水下生产控制系统进行的采油树功能试验）。

2.2国外研究现状

早在20世纪60年代美国就开始了水下生产装备的研究[8]，到70年代已实现了水下生产装备的陆上测试和水下测试[8-10]。

20世纪80年代末，挪威Aker Vetco A/S、美国Vetco Gray Inc.和英国Vetco Gray UK Ltd.在开发位于挪威Tommeliten油田的第一个10 000 psi（1 psi=6894.76 Pa）水下采油树系统时，承包商除了进行标准的工厂验收试验外，还进行了其他测试：水下气密测试、扩展的FAT I和II、浅水测试和陆上集成测试[11]。在完成扩展的FAT I和II测试后，两个采油树和控制系统被运送到挪威水下技术中心进行浅水测试（如图1所示），测试水深接近20 m；测试两台水下采油树和控制系统在同时被测试情况下液压控制系统的流速和反应时间以及控制逻辑等。

21世纪初，TEPC和FMC在开发MohoBilondo水下生产系统时，将一台水下采油树和一台水下管汇沉于干船坞进行热测试和浅水测试（见图2）[12]。

2012年，FMC在开发Pazflor SSPS工程时，对水下生产系统和水下分离单元（SSU）进行了详细的水下测试。主要包括TQP、FAT、EFAT、CDT、FT、SIT、SWT和HFT[13]。图3为水下分离器的FT测试，将水下分离器部分浸入水中，测试所用的控制系统为实际工程操作所用的系统，测试平台主要包括缓冲罐、循环泵、供给管线、回路管线、能供给高压电力的高压网站、脐带缆模拟器、100m脐带缆（与交付的脐带缆规格相同）和空气压缩机。

目前，国外水下生产装备的研制、安装和应用技术已趋成熟。由于浅水测试成本较高，国外主要针对水下处理系统等新型水下生产设施进行浅水测试，而很少测试常规水下产品[14]。国内对水下生产装备的研制还处于起步阶段，其测试、安装技术还需要展开深入研究。

图1　水下生产装备浅水测试

图2　水下采油树及管汇浅水测试

图3　SSU部分水下测试

3　电液复合控制系统功能浅水测试技术

3.1测试系统

测试前，需建立完整的测试系统。图4为电液复合控制系统功能浅水测试的典型测试系统，整个测试系统模拟了真实的控制系统，具有与实际生产设备相同的功能。如测试用液压动力单元（THPU）为浅水测试场配置的专用测试设备，包含HPU的功能。图中水上设备可以由测试方提供，相应测试设备固定在测试场中。若被测方只提供采油树或管汇等水下设备，则只需将被测设备在浅水池安装好，再通过脐带缆或高压软管和测试电缆将水下设备与水面控制缆终端连接，从而形成测试系统。若被测方提供了用于油田生产的实际水下生产控制系统（主要指MCS、UPS、EPU、调制解调单元和HPU），则水上相应的设备可进行替换，将实际油田应用设备作为测试系统的一部分。浅水测试中若未提供脐带缆，可通过扩展脐带缆模拟器模拟实际脐带缆的电液性能，以降低测试误差。

图4　电液复合控制系统功能浅水测试系统

3.2测试内容

通过调研分析国外的浅水测试技术，结合标准要求，确定电液复合控制系统功能浅水测试的内容主要有以下3个方面：

1）通信功能测试。测试整个电控系统的通信功能，即测试从地面操作台、MCS到水下SCM、水下传感器之间的通信功能。主要包括操作台启动测试、SCM通信测试和水下传感器读数测试。

2）SCM试运行测试。通过SCM试运行检查THPU在内部管路充压后的油箱液位高度；检查整个高/低压液压系统各自的充压时间及充压后THPU的油箱液位高度；检查系统充压后SCM内部高/低系统的压力值是否达到期望值。

3）阀操作测试。主要测试水下生产装备（如水下采油树、水下管汇）上任一水下阀的开/关性能，以及液压系统的泄露程度；验证整个控制系统的ESD功能。

通过浅水测试，验证被测系统在湿环境下的通信、操作压力、故障安全、响应时间、ESD等功能。

3.3测试流程

整个测试工作需严格按照图5中测试流程进行。主要开展如下工作：

图5　电液复合控制系统功能浅水测试流程

1）测试前准备工作。开始测试前，被测件应已完成了浅水测试之前的相关测试；已按照浅水测试要求安装到位，如被测采油树已安装到浅水池中的假底上；所需测试设备已准备到位；此外，整个地面测试系统（包括电力/通信系统和液压系统）已成功连接到位。

2）测试系统连接。主要完成地面设备与水下设备的连接，即TUTA与SCM的电力/通信和液压连接。若采用脐带缆，可通过单根脐带缆同时实现，否则需采用测试线缆和测试软管分别实现。若设备制造方提供了水下分配单元（SDU），则先进行TUTA与SDU连接，再进行SDU与SCM的连接。此外，若存在无线电通信，则需建立安全和可靠的无线电通信。

3）控制系统启动测试。在完成了测试系统的连接后，启动前需对整个测试系统进行电连接检查、液压系统检查和上部动力及冗余检查。即检查MCS、EPU、HPU（或THPU）等的供给电压/频率，并依次启动MCS、操作台、EPU、HPU（或THPU）等地面控制设备，并建立MCS-EPU、MCS-HPU（或THPU）和MCS-操作台两两间的通信。

检查HPU（或THPU）蓄能器的预充压力及油箱内油液清洁度，及HPU（或THPU）的输出压力；验证THPU、EPU和MCS的冗余功能。

4）最后进行功能测试。即进行被测系统的通信功能、SCM试运行和ESD关闭功能测试。

3.4测试方法

3.4.1通信功能测试

操作方法：启动操作台，安装好被测水下设备配套的控制软件；然后按照SCM规格书检查操作台与SEM A和SEM B的通信，以保证操作台与SEMs的通信正常；再检查水下传感器与SCM的通信，并记录由SEMA和SEMB传送到操作台和MCS显示屏上的水下传感器（主要指生产压力/温度传感器、环空压力/温度传感器和流量传感器）读数。

通过通信功能测试，实现湿环境下电控系统的功能验证。

3.4.2SCM试运行

SCM试运行即为通过MCS操作水下阀。测试步骤为：

1）关闭TUTA截止阀，给地面低压（LP）和高压（HP）管路充压，确保供给油箱和返回油箱的液位处于正常操作范围，记录相应值。

2）通过ESD系统给LP和HP的ESD电磁阀通电。

3）打开TUTA截止阀，为HP和LP系统充压，并记录充压时间和供给油箱液位高度。

4）验证SCM入口的液压等级，并记录相关数据；期望值：LP为静水压+LP的最大工作压力（MWP），HP为静水压+HP的MWP。

5）记录SCM内部传感器LP1、LP2、LP和HP1、HP2、HP的压力。

若测试系统中采用的是测试场提供的THPU，则取消第2步。

通过SCM试运行测试，检查浅水环境下HPU（或THPU）的供液/储液能力和系统充压性能。由于脐带缆和水深原因，整个电液复合控制系统有别于实际系统，所获取的数据难以直接验证被测系统的性能，需借助仿真测试共同验证。

3.4.3阀操作测试

1）阀操作测试总体要求

①在阀操作前，所有液压管线应先连接到位并经过预调试。

②所有阀操作命令均来自MCS，并要求水下设备（如ROV）能记录阀的操作时间。

③包含除了SCSSV外的所有阀的操作。

④建立操作台与ROV之间的实时通信，记录操作台命令开始时间、水下阀打开/关闭时间及水下阀打开/关闭反馈给操作台的时间。

⑤在阀功能测试期间，完成THPU或HPU的完全预充压。

⑥确保阀能由SEM A和SEM B在线操作。

⑦每次只操作一个阀门，禁止多个阀门操作或同时操作。

2）XT阀测试

主要测试阀门的开/关性能和液压线路泄漏程度；在操作前，通过操作台确认水下每个液控阀的液压；对于XT，还需确保隔离措施到位。

①阀门的开/关性能测试。通过水下设备采集和软件采集两种方式验证阀门的开/关性能。

a）水下设备采集方式。利用秒表和ROV实时图片记录阀接受MCS命令后从起点到终点所用时间，即通过ROV实时图片确认阀状态，ROV获取的图片需保存在操作台中。

b）软件采集方式。通过操作台获取阀接受MCS命令后从起点到终点所用时间，所用时间由SCM内对应阀执行器管路上的压力传感器的压力变化规律推导获得，若阀上安装有位置传感器，也可通过在操作台上读取位置传感器信息来获得。

由于脐带缆和水深原因，所获取的数据仍需借助仿真测试共同验证被测系统的性能。

②液压线路泄漏程度测试。通过SCM中的流量传感器来对比水下液控阀打开和关闭过程的累积流量的差异，验证被测设备液压线路的泄漏程度；原则上，打开过程的累积流量等于关闭过程的累积流量。

阀流量=总流量前-总流量后

其中：

阀流量：单个阀打开或关闭时累积流量。

总流量前：阀打开或关闭之前的累积流量。

总流量后：阀打开或关闭之后的累积流量。

3）关闭测试

主要测试采油树的关井功能，需依次测试和验证ESD-4、ESD-3A和ESD1&ESD2情况下紧急关闭的执行，关闭逻辑参照制造商提供的相关文件。

关闭测试需满足以下总要求：

①测试前，将XT设置成操作模式，以允许其他程序的应用。

②阀操作期间，如果PMV的PPTT或AMV的APT压力读数高于静压力，测试必须终止。

③确保THPU或HPU返回油箱有充裕的体积容纳ESD关闭测试所返回的液体。

④要求所有关闭测试在任何时间必须进行隔离配置。

4　结束语

浅水测试是水下生产装备控制系统在投入使用前必需完成的测试，本文通过对深水生产中常用的电液复合控制系统的浅水测试技术研究，确定了电液复合控制系统功能浅水测试的测试系统构成，明确了测试内容、测试流程、测试方法及相关操作程序与要求，可供国内浅水测试场的建设及浅水测试作业参考。

[1]黄培山.海洋石油生产的关键技术——水下生产系统技术和设备[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/link?url=YWGD z2ZvT79SdfGZRMvtkPibKq4lGmz_rhtu87Jhdv6HXHOVt78 fgPmdodNACqgpPLqHllJ8U52q_1osETbKBVCkdFIsxASrh SGA_0cIlpS，2009.

[2]Nelson S G.AKPO：The Subsea Production System[C]∥OTC20993，2010：1-16.

[3]ISO 13628—1 Design and operation of subsea production systems-Part 1：General requirements and recommendations[S].2005.

[4]陈斌，苏锋，周凯，等.水下生产系统测试技术研究[J].海洋工程装备与技术，2014，1（2）：146-150.

[5]胡雪峰，封延松.电液复合式控制系统的组成及分析工况[J].中国造船，2012，53（增刊1）：189-199.

[6]周美珍，张维庆，程寒生，等.水下生产控制系统的比较与选择水下生产控制系统的比较与选择[J].中国海洋平台，2007，22（3）：47-51.

[7]ISO 13628—6 Design and operation of subsea production systems-Part 6:Subsea production control systems[S]. 2006.

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Study on shallow-water test technology based on the function of multiplexed electro-hydraulic control system

LIU Lixin1，SU Feng1，XIAO Shihong2，CHEN Bin1，LIANG Zheng2，FAN Yuyang1，ZHANG Rubin1
（1.COOEC Engineering Company，Tianjin 300451，China；2.Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

Studies have been conducted to master the shallow-water test technology of subsea hydraulic control system based on the multiplexed electrohydraulic control system.The test systems and their connection needed for shallow-water test sites were proposed after the compositions，operating principle and functional requirements of the system were analyzed and the existing standards and the testing state at home and abroad were studied.Testing items were determined，testing procedures established and testing methods elaborated.The testing results can be used as a reference for the construction of shallow-water test sites and shallow-water test operation at home.

shallow-water test technology；subsea production equipment；multiplexed electrohydraulic control system；testing process

A

1674-5124（2015）12-0005-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.002

2015-07-20；

2015-08-18

国家科技重大专项（2011ZX05027-004）

刘立新（1984-），男，河北承德市人，工程师，硕士，主要从事海洋石油水下装备的研发工作。