陳熾彬

(中海石油(中國)有限公司崖城作業(yè)公司 廣東深圳 518067)

崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳熾彬

(中海石油(中國)有限公司崖城作業(yè)公司 廣東深圳 518067)

陳熾彬.崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].中國海上油氣，2015,27(4)：126-130.

Chen Chibin.Design and application of the subsea control system in YC 13-4 gas field[J].China Offshore Oil and Gas,2015,27(4):126-130.

崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)是中國海油首個(gè)自主設(shè)計(jì)與建造的控制系統(tǒng)，其采用冗余控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水下電子模塊的冗余工作模式及井下壓力計(jì)的雙冗余監(jiān)測(cè)功能，采用抗噪聲、抗衰減性能良好的頻移鍵控?cái)?shù)字調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水上主控站與水下電子模塊之間的信號(hào)傳輸，具有液壓冗余、供電冗余、通訊冗余等特點(diǎn)。應(yīng)用效果表明，崖城13-4氣田冗余控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)，水下主控站與水下電子模塊的通訊字節(jié)錯(cuò)誤率可降至0.006 14%以下，通訊的穩(wěn)定性與可靠性均較高，可為今后類似氣田水下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

崖城13-4氣田；水下控制系統(tǒng)；冗余控制；頻移鍵控?cái)?shù)字調(diào)制；水上主控站；水下電子模塊；通訊字節(jié)錯(cuò)誤率

隨著我國海洋石油工業(yè)向深海發(fā)展，利用水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行海上油氣開發(fā)越來越普遍[1-2]。水下生產(chǎn)設(shè)施遠(yuǎn)離所依托的海上平臺(tái)，需要一套性能穩(wěn)定的控制系統(tǒng)對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)(包括井下及水下采油樹生產(chǎn)管道中的壓力、溫度以及閥位、油嘴開度等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以完成水面設(shè)施對(duì)水下生產(chǎn)設(shè)施的自動(dòng)控制或遙控操作[3-5]。崖城13-4氣田依托崖城13-1氣田現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，兩氣田相距22.5 km，面臨遠(yuǎn)距離通訊信號(hào)傳輸不穩(wěn)定的難題。崖城13-4氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)是中國海油首個(gè)自主設(shè)計(jì)與建造的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。為了保障該氣田生產(chǎn)運(yùn)行安全可靠，崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)采用了冗余控制技術(shù)，具有液壓冗余、供電冗余、通訊冗余等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了水下電子模塊SEM的冗余工作模式及井下壓力計(jì)的雙冗余監(jiān)測(cè)功能，其中水上主控站MCS與水下電子模塊SEM之間的信號(hào)傳輸采用了抗噪聲、抗衰減性能好的頻移鍵控?cái)?shù)字調(diào)制技術(shù)。應(yīng)用效果表明，崖城13-4氣田冗余控制系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)先進(jìn)，MCS與SEM的通訊字節(jié)錯(cuò)誤率可降至0.006 14%以下，通訊的穩(wěn)定性與可靠性均較高，可為今后類似氣田水下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 水下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)重要組成部分之一，水下控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)的正常生產(chǎn)和安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[6-7]。崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)是電液復(fù)合冗余控制系統(tǒng)，主要由水面設(shè)施(包括主控站MCS、供電單元EPU、液壓?jiǎn)卧狧PU)、臍帶纜、水下采油樹及水下控制模塊SCM等子系統(tǒng)組成(圖1)。其中，MCS安裝在崖城13-1平臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制、報(bào)警、緊急關(guān)斷等功能；EPU向SCM提供電力，并具有監(jiān)控系統(tǒng)電壓、電流、臍帶纜接地電阻和執(zhí)行緊急斷電的功能；HPU為水下采油樹的液動(dòng)閥門和井下安全閥提供液壓動(dòng)力。臍帶纜為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供電力、通訊信號(hào)、液壓動(dòng)力及化學(xué)藥劑注入的通道。SCM安裝在水下采油樹結(jié)構(gòu)內(nèi)，包含水下電子模塊SEM 、電磁閥模塊、液壓壓力傳感器、液壓儲(chǔ)能器、液壓液過濾器以及水下電氣、液壓快速接頭等，其中SEM則由電力單元、調(diào)制解調(diào)器、主板及CPU、電磁閥驅(qū)動(dòng)卡、RS 485串口卡、模擬量輸入卡等組成[8]，其主要功能是：①執(zhí)行MCS發(fā)出的控制信號(hào)，進(jìn)行采油樹開閥、關(guān)閥、調(diào)節(jié)油嘴開度及調(diào)整SEM內(nèi)各卡件的工作模式等；②采集并向MCS回傳各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括油嘴開度、井下及生產(chǎn)通道上的壓力與溫度和閥門液壓壓力。 崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

圖1 崖城13-4氣田水下電液復(fù)合冗余控制系統(tǒng)示意圖

1) 液壓冗余。HPU的高壓液壓與低壓液壓分別有2套增壓泵及穩(wěn)壓設(shè)備，臍帶纜內(nèi)的高壓及低壓液壓分別有2路通道，利用安裝在SCM內(nèi)的梭閥實(shí)現(xiàn)2路液壓的匯合及液壓冗余供給。

2) 供電冗余。EPU有2套供電設(shè)備，分別通過臍帶纜的電纜A與電纜B向SCM的2個(gè)水下電子模塊SEM A與SEM B供電。EPU將UPS提供的單相50 Hz、220 V交流電升壓成50 Hz、455 V交流電，SEM的電力單元?jiǎng)t分別將50 Hz、455 V交流電轉(zhuǎn)換成24 V、5 V直流電供應(yīng)給SEM內(nèi)的卡件。

3) 通訊冗余。MCS有2臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)和2個(gè)調(diào)制解調(diào)器，分別通過臍帶纜的通訊纜A和通訊纜B與SEM A和SEM B進(jìn)行通訊。

1.2 通訊與監(jiān)控設(shè)計(jì)

通訊的穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，MCS與SEM之間的通訊采用以太網(wǎng)架構(gòu)，應(yīng)用層為Modbus TCP/IP協(xié)議，信號(hào)的調(diào)制是由MCS和SEM內(nèi)的調(diào)制解調(diào)器共同完成。這是一種利用基帶數(shù)字信號(hào)離散取值特點(diǎn)去鍵控載波頻率以傳遞信息的頻移鍵控?cái)?shù)字調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)起來較為容易，抗噪聲與抗衰減性能好，適用于水下控制系統(tǒng)這類長距離、中低速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

SEM的模擬量輸入卡接收SCM內(nèi)液壓壓力、液壓流量等數(shù)據(jù)的4～20 mA信號(hào)。采油樹上壓力溫度傳感器由第三方制造商提供，與串口卡之間的通訊采用抗干擾性能好的RS 485串行標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。井下壓力計(jì)接口卡與串口卡之間也采用RS 485串行標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行通訊。崖城13-4氣田水下井口的井下壓力計(jì)安裝在井下3 000 m左右的位置，為了保證長距離信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定，井下壓力計(jì)與接口卡均采用了頻移鍵控?cái)?shù)字調(diào)制通訊技術(shù)。

工作時(shí)，MCS向SCM發(fā)送的各種指令由SEM接收，經(jīng)調(diào)制解調(diào)器解碼后傳給CPU處理，按照指令的意圖，CPU控制電磁閥驅(qū)動(dòng)卡相應(yīng)的信道輸出持續(xù)2～5 s的控制電流，控制電流激勵(lì)電磁閥中的線圈，導(dǎo)通或關(guān)閉液壓回路。每個(gè)電磁閥對(duì)應(yīng)采油樹上的一個(gè)液壓控制閥門，液壓回路的導(dǎo)通或關(guān)閉將引起液壓的供給和泄放，從而實(shí)現(xiàn)液壓閥門的開關(guān)控制。

1.3 SEM的冗余工作模式

冗余控制模式并不是單路控制模式的簡(jiǎn)單擴(kuò)展，其技術(shù)難點(diǎn)是在不增加水下采油樹壓力溫度傳感器及井下壓力計(jì)數(shù)量的情況下，如何實(shí)現(xiàn)每個(gè)傳感器的信號(hào)同時(shí)向2套監(jiān)控系統(tǒng)有序傳遞。

崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)通過在MCS設(shè)置程序，將一個(gè)SEM定義為工作模式，并具有發(fā)送控制信號(hào)及接收傳感信號(hào)的實(shí)時(shí)控制權(quán)，而另一個(gè)SEM則自動(dòng)默認(rèn)為備用模式。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到處于工作模式的SEM與MCS通訊連續(xù)出現(xiàn)30個(gè)錯(cuò)誤字節(jié)時(shí)，則認(rèn)為該SEM故障，自動(dòng)切換至備用模式，同時(shí)將處于備用模式的SEM喚醒成為工作模式。如果處于備用模式的SEM也處于通訊故障狀態(tài)，那么2個(gè)SEM的工作模式不會(huì)切換，這時(shí)MCS發(fā)出通訊故障報(bào)警，同時(shí)進(jìn)入故障自檢程序。崖城13-4氣田水下控制信號(hào)及傳感器信號(hào)傳遞分配如表1所示，2個(gè)SEM進(jìn)行工作模式轉(zhuǎn)換時(shí)，傳感器信號(hào)的回傳對(duì)象也按照預(yù)定程序進(jìn)行切換。

水下閥門開關(guān)的及時(shí)性關(guān)系到水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。MCS向SCM傳遞閥門開關(guān)信號(hào)時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)送給SEM A與SEM B，最先接收到信號(hào)的SEM會(huì)給電磁閥輸出控制電流執(zhí)行閥門開關(guān)，保證閥門及時(shí)執(zhí)行開關(guān)命令。與電磁閥控制信號(hào)不同，串口卡和模擬量輸入卡與傳感器的接線都是實(shí)時(shí)帶電的，所以不能與2個(gè)SEM同時(shí)通聯(lián)，防止SEM同時(shí)供電造成傳感器過流損壞，只有工作模式的SEM才有權(quán)向傳感器通電并接收其回傳信號(hào)。

表1 崖城13-4氣田水下控制及傳感信號(hào)傳遞分配表

1.4 井下壓力計(jì)的雙冗余監(jiān)測(cè)

崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)的SEM A與SEM B各安裝有1張接口卡。接口卡具有以下功能：①向井下壓力計(jì)提供可調(diào)節(jié)電壓的電源；②獲取壓力計(jì)的遙測(cè)信號(hào)傳遞給RS 485串口卡，并存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。通過水面工程計(jì)算機(jī)可與接口卡直接通訊，進(jìn)行井下壓力計(jì)的關(guān)閉、啟動(dòng)及故障診斷等維修操作。為了提高井下壓力計(jì)的可靠性，便于壓力計(jì)故障排查，專門在接口卡設(shè)置了一個(gè)跳線接口，以實(shí)現(xiàn)井下壓力計(jì)的雙冗余監(jiān)測(cè)功能。

崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)井下壓力計(jì)接口卡與串口卡接線如圖2所示。SEM的RS 485串口卡有4個(gè)信道，即CH A、CH B、CH C、CH D。其中，CH C、CH D分別與采油樹生產(chǎn)通道的壓力溫度傳感器#1、#2連接，CH A、CH B分別與井下壓力計(jì)的接口卡#1、#2連接，形成了能夠讀取井下壓力計(jì)數(shù)據(jù)的4個(gè)通道。當(dāng)某—通道出現(xiàn)問題時(shí)，還有其他3個(gè)通道可以作為備用。但不能同時(shí)開啟接口卡#1、接口卡#2給井下壓力計(jì)供電，防止造成壓力計(jì)過流損壞。

圖2 崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)井下壓力計(jì)接口卡與串口卡接線示意圖

在MCS上向SEM發(fā)送不同的指令代碼可控制串口卡4個(gè)信道的導(dǎo)通或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)井下壓力計(jì)和采油樹壓力溫度傳感器的遠(yuǎn)程關(guān)閉或重啟。由于MCS輸入的十進(jìn)制代碼是在自動(dòng)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼后發(fā)送至SEM，所以串口卡的CH A、CH B、CH C、CH D等4個(gè)信道與二進(jìn)制代碼的各位數(shù)是從低到高一一對(duì)應(yīng)的。

為了防止井下壓力計(jì)過流損壞，在水下控制系統(tǒng)操作維護(hù)中使用代碼的基本規(guī)則如下： ①禁止輸入使單個(gè)RS 485串口卡CH A與CH B信道同時(shí)導(dǎo)通的代碼；②禁止輸入使井下壓力計(jì)接口卡#1與接口卡#2同時(shí)連通的代碼。

2 應(yīng)用效果

試生產(chǎn)初期，崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)每5～7 d就會(huì)出現(xiàn)一次MCS與SEM通訊中斷故障，通訊錯(cuò)誤字節(jié)較多，SEM工作模式切換頻繁，通訊穩(wěn)定性較差。該氣田試生產(chǎn)初期水下控制系統(tǒng)通訊故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 崖城13-4氣田試生產(chǎn)初期水下控制系統(tǒng)通訊故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過多方會(huì)診，查出了通訊中斷的原因：由于SEM應(yīng)用代碼設(shè)置不正確，處于工作模式的SEM出現(xiàn)故障時(shí)不能自動(dòng)切換至備用模式，處于備用狀態(tài)的SEM也不能自動(dòng)喚醒成為工作模式，而原有指令一直要求SEM切換工作模式，造成出現(xiàn)故障的SEM不能自動(dòng)復(fù)位，通訊數(shù)據(jù)不能上傳至MCS，最終出現(xiàn)MCS與SEM通訊完全中斷。重新設(shè)置SEM的應(yīng)用代碼并通過MCS上傳更新，并利用通訊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了為期20 d的Modbus TCP/IP通訊測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)通訊測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表3可以看出，重新設(shè)置SEM應(yīng)用代碼后，3座采油樹的通訊錯(cuò)誤字節(jié)數(shù)都大幅度降低，錯(cuò)誤率已降至0.006 14%以下，SEM工作模式僅切換了1～3次，沒有出現(xiàn)通訊中斷故障，水下控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，表明該氣田水下控制系統(tǒng)采用電液復(fù)合冗余控制系統(tǒng)是安全有效的。

3 結(jié)束語

應(yīng)用效果表明，崖城13-4氣田水下控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)，采用冗余控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水下電子模塊的冗余工作模式及井下壓力力計(jì)的雙冗余監(jiān)測(cè)功能，雖然試生產(chǎn)初期頻繁發(fā)生通訊中斷故障給氣田穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了很大的困擾，但是更新SEM應(yīng)用代碼后通訊的穩(wěn)定性和可靠性較高，MCS與SEM的通訊字節(jié)錯(cuò)誤率降低至0.006 14%以下，水下生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。我國深海未來采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的油氣田越來越多，而水下生產(chǎn)系統(tǒng)是由各個(gè)不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備裝配集成，不同廠家的設(shè)計(jì)及測(cè)試規(guī)范又存在較大的差異，因此，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)出廠驗(yàn)收測(cè)試時(shí)，應(yīng)將控制系統(tǒng)的全部子系統(tǒng)連接起來進(jìn)行聯(lián)合通訊測(cè)試，這樣可使通訊故障這類技術(shù)問題在出廠驗(yàn)收測(cè)試時(shí)就被識(shí)別并得以解決，將有利于油氣田的順利投產(chǎn)。

[1] 張姝妍，劉培林，曾樹兵，等.水下生產(chǎn)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].中國造船，2009,50(增刊1)：143-151. Zhang Shuyan,Liu Peilin,Zeng Shubing,et al.Status and new developments in subsea processing[J].Ship Building of China,2009,50(S1):143-151

[2] 王瑋，孫麗萍，白勇.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)[J].中國海洋平臺(tái)，2009,24(6):41-45. Wang Wei,Sun Liping,Bai Yong.Investigation on subsea production systems[J].China Offshore Platform,2009,24(6):41-45

[3] 范亞民.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].石油機(jī)械，2012,40(7):45-49. Fan Yamin.Development of underwater production control system[J].China Petroleum Machinery,2012,40(7):45-49

[4] 冒家友,陽建軍,王運(yùn).流花 4-1 油田水下復(fù)合電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國海上油氣,2014,26(3):111-114. Mao Jiayou,Yang Jianjun,Wang Yun.Design and application of subsea electro-hydraulic control system for LH4-1 oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2014,26(3):111-114

[5] 陳家慶.海洋油氣開發(fā)中的水下生產(chǎn)系統(tǒng) (一)[J].石油機(jī)械,2007,35(5):54-58. Chen Jiaqing.Subsea production system in offshore oil and gas development (1) [J].China Petroleum Machinery,2007,35(5):54-58

[6] 李長春,連璉.水下生產(chǎn)系統(tǒng)在海洋石油開發(fā)中的應(yīng)用[J].海洋工程，1995,13(4):25-30. Li Changchun,Lian Lian.Subsea production system application in offshore oil development[J].The Ocean Engineering，1995,13(4):25-30

[7] 肖祖騏.水下井口系統(tǒng)[J].中國海上油氣 (工程),1991,3(1):1-8. Xiao Zuqi.Subsea wellhead system[J].China Offshore Oil and Gas(Engineering),1991,3(1):1-8

[8] 柯呂雄.崖城13-4氣田開發(fā)工程技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐[M].東營：中國石油大學(xué)出版社,2013：153-154. Ke Lyuxiong.Yacheng 13-4 gas field development engineering practice and innovation[M].Dong Ying:China University of Petroleum Press,2013:153-154.

(編輯：葉秋敏)

Design and application of the subsea control system in YC 13-4 gas field

Chen Chibin

(YachengOperatingCompanyofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

The subsea control system in YC 13-4 gas field is the first one for subsea production control designed and built by CNOOC, with independent IPR. This system uses redundant control technology to realize the redundant work pattern of subsea electronic modules and the double redundant monitoring function of downhole pressure gauges, and uses digital modulation technology of frequency-shift keying with good resisting performance in noise and decay to realize the signal transmission between the master control station and subsea electronic modules. The system has the characteristics of redundant hydraulic, redundant power and redundant communication. The application result indicates that the structure design of the redundant control system in YC 13-4 gas field is advanced, the byte error rate in the communication between the master control station and subsea electronic modules was reduced to below 0.006 14% and the stability and reliability of communication were higher, which provides reference for subsea control systems in similar gas field development in the future.

YC 13-4 gas field; subsea control system; redundant control; frequency-shift keying digital modulation; master control station; subsea electronic module; byte error rate in communication

陳熾彬，男，工程師，現(xiàn)主要從事氣田生產(chǎn)管理工作。地址：廣東省深圳市南山區(qū)太子路22號(hào)金融中心17樓(郵編：518067)。電話：0755-26671212-6729。E-mail:janbin.chen@cnooc.com.cn。

1673-1506(2015)04-0126-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2015.04.019

TE953

A

2014-11-20 改回日期：2015-01-23