深水油氣田電液復合式水下分配單元設計

方 樂 崔 巖

(上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620)

深水油氣田電液復合式水下分配單元設計

方 樂 崔 巖

(上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620)

分析了電液復合式水下分配單元的基本構成與功能。為提供多個水下設備的閥門執行器同時動作所需的液壓動力，提出液壓分配單元的管路結構優化設計方案，并對其流動情況進行了模擬仿真驗證。提出以光功率分配器為核心的電氣分配單元設計方案，建立基于光功率分配器的下行控制信號傳輸模型，并采用Optisystem軟件模擬驗證了其可行性。

電液復合式 水下分配單元 液壓結構 光功率分配器

隨著海洋油氣田開發不斷向深海推進，復合電液控制技術作為現階段具有明顯優勢的成熟技術在深海油氣田水下生產系統中得到廣泛應用。電液復合式水下分配單元作為電液復合水下控制系統的樞紐，其研發、制造的核心技術由國外FMC、GE及PROTEC等公司掌握，目前國內尚無這方面的成熟產品。因此電液復合式水下分配單元的研制對加快我國深海油氣田生產設備自主開發具有重要意義[1,2]。

1 電液復合式水下分配單元的基本構成與功能

電液復合式水下分配系統包括臍帶纜終端頭和水下分配單元兩部分，其中水下分配單元由液壓分配單元和電氣分配單元組成[3]。臍帶纜終端頭與臍帶纜相連，實現將液壓和電氣管線從水面到水下的分配傳輸。液壓分配單元通過液壓飛線與臍帶纜終端頭相連，在內部金屬管路上將輸入端的高、低壓液壓液和各類化學藥劑分配輸送到液壓分配單元的輸出端，以實現為控制設備提供液壓動力和為水下生產設備提供化學藥劑的功能。電氣分配單元也采用電氣飛線和臍帶纜終端頭相連的方式，電氣分配單元通過分線盒對輸入的光(電)信號、電力實現分支輸出，以實現為各水下控制模塊提供控制信號和電力的功能，且電氣分配系統必須設置有電氣線路隔離裝置以實現隔離故障電路的功能[4]。

海水高靜壓、海水腐蝕等惡劣條件都對處于深海的電液復合式水下分配單元的性能提出更高的要求。筆者以荔灣3-1深水油氣田為例，分析并設計電液復合式分配單元的結構。

2 液壓分配單元

2.1液壓分配單元結構分析

液壓分配單元主要由結構框架、內部液壓管路、水下多路快速接頭固定端、網紋板及水下機器人操作把手等組件構成，其中結構框架起著保護、支撐內部液壓管路結構和其他液壓分配組件的作用[5]。水下多路快速接頭通常由相互配合的兩子組件構成，其固定端安裝在水下設備(如臍帶纜終端頭、水下分配器及采油樹等)上，活動端與液壓飛線末端連接組成活動連接頭。網紋板用于保護液壓管路同時便于水下機器人對結構內部情況進行觀察。水下機器人把手則為水下機器人作業提供支撐。

液壓分配單元設計的主要難點是內部液壓管路的設計，液壓管路設計方案的優劣直接影響控制系統的性能。因此需優化液壓分配管路以滿足水下生產系統的多種復雜工況。

2.2液壓管路設計和數值模擬計算

根據結構框架和輸入、輸出端布置情況，設計的液壓分配單元中的某一條液壓管路結構如圖1所示。設計的液壓控制管路總體為對稱布置的六支管結構，輸入、輸出端口設置有液壓連接器，采用三通結構實現分支。液壓液通常從輸入端1輸入，由三通分支結構3實現流體分支分配，再經由支管4輸出。每根支管上均可設置一個隔離球閥實現故障液壓管路的隔離，通常由水下機器人操作。

圖1 液壓分配單元某一管路結構1——液壓連接器(輸入端)； 2——液壓管路；3——三通分支結構； 4——液壓連接器(輸出端)

水下控制模塊接收來自主控站的控制信號后，按照預先設置的動作順序啟閉電磁先導閥，液壓系統則為之提供足夠的液壓動力。但多個采油樹上的執行器同時工作時，液壓系統經水下分配單元分支后也應確保提供的液壓液足夠使采油樹的閥正常啟閉，因此液壓分配單元的管道設計關鍵之一是確保液壓分配管路具有一定的均勻性。

液壓管路流體分配屬于多支管分配問題，通常采用質量守恒和動量守恒對流體進行總體衡算[6]。針對多個水下生產設備閥門同時動作的工況，筆者采用ANSYS14.0中的Flunt模塊分析液壓分配管路，優化管路結構以保證各水下設備的正常工作。

根據荔灣3-1油氣田實際生產情況并結合上述設計的液壓分配管路，仿真分析方案采用保持進口管直徑和支管直徑為1/2″不變而改變總管直徑的方法來分析管路優化結構。主管直徑分別選取5/4″、1″、3/4″和1/2″，支管直徑1/2″，支管間距10″，支管和主管垂直相交，并對支管從左至右按1～5編號。主管左邊為高水基液壓油的進口，進口流量為8L/min。水下生產系統液壓油選用高水基液壓油，高水基液壓油密度為999.1kg/m3，運動粘度為8.49235×10-4kg/(m·s)。

根據分配管流動理論，易知液壓分配管路的支管背側渦流尺寸對支管流量均分影響很大，因此為保證液壓分配管路分配均衡性需減小支管渦流尺寸。因支管數目較多而支管1的渦流尺寸最大，選擇支管1的流速矢量放大圖分析液壓管路結構的優劣。圖2為在不同總管直徑下，支管1管道流速矢量放大圖。比較圖2b、c、d速度矢量圖，易知在總管直徑為1″時，支管1中渦流的尺寸最小，即隨著總管管徑增大，管路結構流量分配均勻性提高。由圖2a可知在總管直徑為5/4″時，支管1的渦流尺寸較總管直徑為1″的渦流尺寸略小。

由以上研究表明，在進口流量不變的情況下，隨著總管直徑的增大，支管1內部的漩渦尺寸減小，支管流量均勻程度變好。總管直徑為1″的管路雖較總管直徑為5/4″均勻性略有不如，但總管與支管直徑比小，因此選擇總管直徑為1″的液壓管路結構更為合適。

臍帶纜輸送低壓液壓油的管路直徑選1/2″。目前常見的液壓分配單元的液壓分配管路總管直徑和支管直徑保持相同，由Fluent仿真模擬得到管道流速云圖，如圖3a所示。由圖3易知，總管沿路由于分流作用速度逐漸減小，前三根支管的分流作用有限而最后兩根支管流量急劇增加，即支管管徑為1/2″時，液壓分配均勻性較差。而圖3b為總管尺寸為1″時的速度云圖，主管沿路的流體經支管分流后，流速下降，各支管流速都比較均勻，基本達到優化管路分配結構的目的。

通過以上分析可知，在支管尺寸為1/2″時，選擇主管與支管的直徑比為2∶1，流量分配的均勻程度較好。這種管道結構中總管直徑較大從而降低了總管流速，支管渦流尺寸也減小，流量均勻程度提高，可滿足多個水下生產設備執行器同時動作所需的液壓動力。

3 電氣分配單元結構

3.1電氣分配單元結構分析

電氣分配單元不僅要實現控制電纜的分支和光纖的分光，還要對輸出電纜和光纖進行編組，以保證同一水下控制模塊的冗余電氣飛線的光纖和電纜具有不同路徑[7,8]。電氣分配單元主要包括結構框架、電氣分線盒、網紋板及水下機器人操作把手等部件，其關鍵部件電氣分線盒由電力分配模塊、光信號分配模塊和機械模塊3部分組成。現有的電氣分配單元結構根據安裝位置可分為內置式和外置式兩類。

圖2 不同總管直徑尺寸下支管1的流速矢量圖

圖3 不同總管直徑下的液壓分配管路速度云圖

3.2電氣分配單元的光信號分配模塊設計

隨著水下生產控制系統的數據采集量不斷增加，傳統電力載波的通信方式無法滿足大數據量的傳輸要求，光纖通信系統因其傳輸距離長、帶寬高、衰減低及受電磁干擾小等特點，在深海長距離水下生產控制系統中得到越來越多的應用。

根據水下生產控制系統中主控站與各水下控制模塊的通信特點，光纖通信系統設計方案采用雙纖光端機接發光信號，系統的下行控制信號(從主控站到水下控制模塊)通信采用點對多點(P2MP)傳輸方式，而上行生產狀態信息(從水下控制模塊到主控站)通信采用點對點(P2P)傳輸方式。水下電氣分配單元采用光功率分配器實現下行控制信號由一條光纖均勻分配給多條光纖，控制信號以廣播方式傳輸到各水下控制模塊。水下電子模塊通過數據幀前導碼的標識來識別發送給自己的控制信號，從而通過電子模塊里的微處理器及電磁閥驅動器等元器件驅動電磁閥線圈，進而控制電磁閥的換位達到啟閉閥門的控制目的[9]。在上行方向，各水下控制模塊通過各自獨立的光纖向主控站傳輸水下生產設備的生產狀態及水下控制模塊的運行狀況等信息。

以荔灣3-1油氣田西區為例，由于西區有5口井，因此電氣分配單元至少要提供10個光電混合輸出。從水下分配中心到西區的內部臍帶纜有兩根8芯光纜，兩根光纜一用一備且分配結構和編組采用相同的方式，共同組成12個光電混合連接器[10]。水下電氣分配單元的光信號分配模塊以1×6光功率分配器為核心，將下行信號分配給6個輸出端傳輸給水下控制模塊。為確保水下控制模塊按主控站發出的控制命令驅動電磁先導閥控制相應的閥門和油嘴，采用Optisystem模擬仿真基于光分配器的下行控制信號光纖通信線路，并驗證以光功率分配器為核心的電氣分配單元的可行性和光分配單元對光信號傳輸質量的影響[11]。

通信系統傳輸速率設定為1.25GHz，激光器光源功率為15dBm，使用G.563型光纖，其部分性能參數如下：

參考波長 1550nm

損耗系數 0.25dB/km

色散系數 3.5ps/(nm·km)

色散斜率 0.085ps/(nm2·km)

仿真模型中光信號發射裝置位于水上主控制臺，光功率分配器位于電氣分配模塊內，而水下控制模塊中的通信模塊用仿真模型光接收器元件表示，對相關元件設置參數后進行模擬仿真計算。下行控制信號通信線路仿真模型和接收端的眼圖如圖4、5所示。

圖4 下行控制信號通信路線仿真模型

仿真結果表明：無源光功率分配器對光信號分發起著不可或缺的作用，分光器將下行控制信息以廣播方式傳輸至各個水下控制模塊。并且分光器的插入損耗越小，光信號接收機接收到的光信號質量越好，傳輸距離越遠。眼圖在張口最大處的Q值為62.9，遠大于7，信號的誤碼率為0，這表明在以光功率分配器為核心的電氣分配單元可順利實現下行控制信號分配，各水下控制模塊均能順利接收到主控站發出的控制命令。

圖5 通信系統眼圖

4 結論

4.1液壓分配單元的總管和支管直徑比例對油液分配均勻性方面有較大影響，模擬仿真結果顯示，當臍帶纜液壓管路為1/2″，液壓分配單元內部管路采用總管與支管直徑比為2∶1的結構，流體分配均勻性較好。

4.2基于光功率分配器的下行控制信號光纖傳輸方案能夠實現面對多口油井的信號分配功能，仿真運行結果表明控制信號傳輸模型的通信質量良好，以光功率分配器為核心的電氣分配單元可實現光信號的順利分配，水下控制模塊接收到光信號的誤碼率為0。

4.3筆者提出的電液復合式水下分配單元設計方案滿足生產要求，能夠實現深水油氣田水下生產系統的電液動力供應功能。

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DesignofElectro-HydraulicMultiplexedSubseaDistributionUnitforDeepwaterOilandGasFieldDevelopment

FANG Le, CUI Yan

(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China)

Both basic components and functions of electro-hydraulic multiplexed subsea distribution unit were analyzed. In order to provide the hydraulic pressure needed for valve actuator, the optimized design scheme for the pipeline structure of the hydraulic distribution unit was proposed and verified through simulating flow condition in the hydraulic pipeline. The optical power splitter-cored design scheme for the electrical distribution unit was presented and the downlink control signal transmission model based on the optical power splitter was established and the Optisystem software adopted verifies its feasibility.

electro-hydraulic multiplexed, subsea distribution unit, hydraulic structure, optical power splitter

TH86

A

1000-3932(2016)03-0280-05

2016-01-19(修改稿)