深水油气田全电控制式水下分配单元设计

白念涛 崔 岩

(上海工程技术大学机械工程学院)

深水油气田全电控制式水下分配单元设计

白念涛 崔 岩

(上海工程技术大学机械工程学院)

分析全电控制式水下分配单元的基本构成与功能，设计水下分配单元的总体结构，建立以光功率分配器为核心的点对多点光通信系统模型。采用光通信系统模拟软件Optisystem模拟验证设备的可行性，并分析了光信号传输质量的影响因素。

水下分配单元 水下生产控制系统 全电控制式 光功率分配器 Optisystem

随着海洋油气田开发由浅海向深海推进，水下生产控制系统也由最初的全液压控制系统逐步发展为应用广泛的电液复合式控制系统，而目前的全电控制系统是最新一代技术[1]。但是，我国在全电式水下生产控制系统的研究方面还是一片空白。因此，加速研制具有自主知识产权的水下生产分配系统具有重要意义。全电控制系统是电液复合式控制系统的进一步发展，两者最大的区别在于系统动力工作原理[2]。全电控制系统彻底取消了电液复合式控制系统的液压组件，降低了脐带缆的直径，所有的水下生产设备均为电力驱动。全电控制系统得以成熟并被开始应用得益于三大基本问题的解决：水下大功率电动执行器技术；水下湿可插拔连接器；水下配电技术和水下高压直流大功率长距离输电技术[3]。相较于电液复合式控制系统，全电控制系统除了具有响应速度更快、可靠性更高、电气信号传输距离更长及对海洋环境的损害风险更小等优点外，还极大地降低了脐带缆的使用成本。水下分配单元的作用是将岸基站的电力和信号分配并传输给各路水下生产设施，是水下生产控制系统的关键设备。笔者以在建的南海油气田为背景，在分析全电控制式水下分配单元的基本构成与功能的基础上，设计水下分配单元的总体结构，并建立以光功率分配器为核心的点对多点光通信系统模型。

1 全电控制式水下分配单元的工作条件与功能

与陆地石油天然气开采相比，深水油气开采的工况比较恶劣。我国在建的南海油气田开发水深超过1 500m，进行一次海底维护、检修成本较高。基于深海油气田持续生产的需要，水下分配单元的工作寿命应该至少不低于30年。因此，对处于深水的全电控制式水下分配单元的技术性能和可靠性提出了更高的要求。

全电控制式水下分配单元主要包括脐带缆终端组件(UTA)、水下电气分配单元(SEDU)和防沉板。安装在防沉板上的水下分配单元与脐带缆终端组件共同集成为水下控制脐带缆终端组件(SUTA)。脐带缆终端接头同脐带缆相连，进行电气信号的传输和分配。电气分配单元的水下电气飞头固定端通过电气飞线与脐带缆终端的电气飞头相连，并通过设在水下电气分配模块框架内的水下接驳盒分配电气信号，以提供水下多路生产设施正常运转所需的电力和信号[4]。水下大功率电动阀执行器接收到水下电气分配单元分配并传输过来的电力和信号后，驱动闸阀产生位移，从而控制生产通道的开启或关闭。同时，水下控制模块(SCM)上的温度检测、压力检测及多相流量计等传感器得电工作，不间断地将实时水下生产状态信息传送给水下路由模块(SRM)，SRM再将监测信息传输到相应的工作站，然后将处理后的信息传输到岸基站的主控站和生产控制系统。

2 水下电气分配单元的总体结构

笔者设计的全电式水下电气分配单元如图1所示，主要包括水下机器人操作把手、水下路由模块、水下接驳盒、防沉板及单元框架等，其核心部件如下：

a. 水下路由模块。将水下控制模块中的多相流量计、智能完井及井下传感器等监测数据进行收集、处理和传输，SCM只负责与阀门驱动相关的功能，SRM集成安装在水下分配单元框架上。

b. 水下接驳盒模块。包括单板工控机主控模块、以太网光纤通信模块、RS485数据采集模块、外接设备接口模块、高-中压DC/DC转换模块、中-低压DC/DC转换模块、低-低压转换模块。其中高-中压DC/DC转换模块负责将岸基站的高压直流电转换为中压直流电，中-低压DC/DC转换模块负责将中压直流电转换为多种不同电压的低压直流电[5]。直流电压转换腔体通过端盖和腔体壁相结合的方式进行散热[6]。

c. 防沉板。具有结构简单、安装方便和重量轻的优点，是水下生产系统的基础。防沉板尺寸由海底土质和载荷力决定。对于较软的土质，防沉板的尺寸要很大，但过大会影响安装。为了减小外形尺寸、增大防沉板的稳定性，一般要为它增加裙板[7,8]。

3 水下电气分配单元的光信号分配模块

全电控制系统采用先进的数字技术，增强了控制系统的分析、诊断和监控能力，信息数据的采集量大幅增加，传统的电力载波通信方式已不能满足超大容量、超长距离传输和交换的通信要求。光纤传输通信具有传输频带宽、中继距离长、通信容量大和损耗低的特点，而且其抗电磁干扰能力强、保密性也好，越来越多地应用于深海长距离的水下生产控制系统[9]。

根据水下生产控制系统中主控站(MCS)与各SCM的通信特点，设计采用双纤光端机收发光信号。如图2所示，系统的下行控制信号(从MCS到SCM)通信采用一点到多点(P2MP)传输方式，而上行生产状态信号(从SCM到MCS)通信采用点对点(P2P)传输方式[10]。在下行方向，光端机将MCS的控制信号转换为光信号传输到通信电路腔中的光功率分配器，光功率分配器再将光信号传输到水下电子模块(eSCM)，eSCM中的光端机通过识别数据帧前导码再将光信号光电转换为控制信号。水下大功率电动阀执行器根据接收到的控制信号，打开或关闭开采通道的阀门[11]，SCM只负责和闸阀相关的功能。在上行方向，SRM通过采集安装在各水下生产设施上的传感器信号，直接将监控数据传输到上部相对应的工作站，无需经过SCM和MCS的中转，完成水下监控数据的收集、整理和传输[12]。操作人员可以根据监控计算机上的实时监测信息，进行相应的调整。

图2 水下生产控制系统的通信原理框图

4 光纤通信仿真与光传输质量的影响因素

4.1 光纤通信仿真

为了验证SCM中的微电子处理器能否正常接收到从主控站发出的控制信号，采用光通信系统模拟软件Optisystem搭建下行通信系统链路(图3)，对光传输链路进行仿真得到光谱图，对链路传输性能以及Q因子、误码率、眼图等参数进行分析，验证所设计光通信系统的可行性和正确性[13]，进而得出相关结论。光通信仿真链路所用的重要元器件和主要参数见表1。

图3 点对多点光通信系统链路

表1 光通信仿真链路所用元器件和主要参数

为了分析光通信系统的传输性能，一般通过眼图或误码率来分析系统的码间串扰和噪声对系统的影响[14]，仪器观测形成的眼图如图4所示，眼图张开的宽度最大的时间点为最佳的抽样时刻，这是接收波形不受串扰影响而抽样再生的最佳时间间隔[15]。从图4可以看出，最大Q因子9.82802大于7，最小误码率4.25931×10-23远小于1×10-12。表明SCM中的光信号接收端能够成功接收到主控站发出的控制信号，证实了光通信系统的正确性和可行性。

图4 眼图

4.2 光传输质量的影响因素分析

光纤通信链路中元器件的型号和参数对光传输的通信质量有影响，为了找出具体的元器件，选用不同型号的光纤、不同功率的CW连续激光器进行仿真验证。

首先，选用G.654型截止波长位移光纤，波长1 550nm时的衰减系数约0.15，色散系数不超过18ps/(nm·km)，最大色散斜率不大于0.093ps/(nm2·km)，激光器的光源功率不变。仪器观测结果如图5所示。

然后，再选用G.653A级色散位移光纤(系数见表1)，将单模CW连续激光器的光源功率随机设为13dBm进行仿真，得到的最大Q因子为2.828 44，最小误码率为0.002 336 23。仪器观测结果如图6所示，仿真所得数据显然不能满足要求。

为了找到光接收器能接收到MCS所发出控制信号的临界值，将CW连续激光器的光源功率从0～19dBm进行10次迭代，得到满足通信传输性能的临界值：最大Q因子为7.006 46，最小误码率为1.221 62×10-12，此时的临界光源功率值为17.3dBm。同时还得到了如图7所示的光源功率与误码率的最小对数值之间的关系，可以看出，关系曲线中包含3段直线，随着光源功率的不断加大，直线的斜率越来越大，说明误码率越来越小。

图5 眼图和误码率一

图6 眼图和误码率二

图7 光源功率与误码率的最小对数值间的关系

5 结论

5.1 笔者提出的全电控制式水下电气分配单元的总体结构满足实际水下生产要求，以光功率分配器为核心的点对多点光通信系统能够将光信号均匀分配给水下多路生产设施。

5.2 光通信系统的通信质量和光纤型号、光源功率等参数有关。光纤的衰减系数越小、色散系数也越小且光源功率越大，光纤通信系统的通信质量越高。

5.3 光端机中的CW连续激光器的光源功率越大，系统的误码率越小。

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DesignofFullyElectronicallyControlled-subseaDistributionUnitforDeepwaterOilandGasField

BAI Nian-tao, CUI Yan
(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience)

Both basic composition and functions of fully electronically-controlled subsea distribution unit were analyzed and its overall structure was designed; and the optical power splitter-based point to multipoint optical communication system was established, including having Optisystem(optical communication system simulation software) adopted to verify feasibility of the device and to analyze factors which affecting the quality of optical signal transmission.

subsea distribution unit, control system for subsea production, fully electronically controlled, optical power splitter, Optisystem

TH89

A

1000-3932(2017)04-0365-05

2016-06-29,

2017-03-13)

白念涛(1991-)，硕士研究生，主要从事机械设计和深海机电装备技术的研究。

联系人崔岩(1980-)，副教授，主要从事流体机械设计、超细粉体制备和混沌控制理论的研究，cuiyan03201@hotmail.com。