淺談電滑環在海洋油氣田中的應用

丁洪霞 李璇 陳亮 劉建申 代華偉

摘要：介紹了滑環的種類及其在FPSO單點系泊系統中的應用，分析了電滑環的故障類型和故障原因，并在此基礎上提出了相應的改進措施。

關鍵詞：FPSO;電滑環;單點系泊系統

0 引言

某海上油氣項目新建一套浮式生產儲油外輸裝置（FPSO），水下生產系統開采的油氣在水下管匯匯集并通過海底管道輸送到新建的FPSO儲存、外輸，水下生產系統的電力和控制電源均通過新建的FPSO單點系泊系統中的電滑環經海底電纜提供。隨著電滑環在FPSO中的廣泛應用，其可靠性得到了人們的關注。

1 滑環的結構和原理

滑環是FPSO單點系泊系統中的關鍵器件、連接固定部分和旋轉部分的連接件以及輸送電能與信號的電氣部件。滑環包括旋轉和靜止兩個部件，旋轉部件也稱為轉子，用于連接設備的旋轉部分并與之一起轉動;靜止部件也稱為定子，用于連接設備的固定部分。轉子部件和定子部件按照精密疊加的單通路結構設計，將轉子與定子的通路一一搭接，形成定子與轉子之間的回路。各通路之間的電氣特性彼此獨立，互不干涉。而定子與轉子之間通路的形成，則必須存在兩者間的接觸，它們的觸點是整個滑環的功能部位，是整個滑環各種性能體現的載體。因此，通過合理選擇接觸件材質，保證各部件之間配合的精密度，合理設計結構等，可以組成可靠、穩定的旋轉連通系統。在旋轉設備上裝設滑環，通過滑環的兩端引線，在旋轉的狀態下，即可傳輸所需的各類信號。

電滑環亦被稱作導電滑環、集電環、電刷、換向器等，是實現兩個相對旋轉設備間電流、數據或圖像信號及動力傳遞的精密傳輸裝置。其常用于360°無限連續旋轉，要求從固定設備到旋轉設備傳輸電能、數據信號等的機電系統領域。

2 電滑環在單點系泊系統中的應用

單點系泊系統的功能是系泊FPSO，使FPSO如同風向標一樣處于環境力最小的方向上，通過旋轉接頭達到輸送電力、運送井流和水下生產系統必需的化學藥劑等目的，并通過專用的旋轉接頭為海底管線提供通球能力。

根據油田開發總體工程方案對單點系泊系統的功能要求，確定配置滑環組的方案，自下而上依次是液滑環、中壓電滑環、低壓電滑環和光滑環。

2.1? ? 液滑環

液滑環連接生產立管和FPSO生產系統，用于接收水下生產系統來液并輸往FPSO生產系統做下一步分離處理。通球液滑環將海管通球所需的驅動清管球的液體由FPSO傳送至水下管匯。液滑環在生產流程中的作用如圖1所示。

由于不同油田生產系統需要不同的生產操作壓力，為保證生產操作，目前此項目采用每個油田各配備一個生產液滑環，幾個相鄰油田共用一個通球滑環的方案。

2.2? ? 中壓電滑環

中壓電滑環主要是把FPSO發出的電輸送到水下生產系統的電潛泵中，實現水下配電。高壓電引自FPSO，經過升高塔跨接電纜，連接至單點旋轉系統的旋轉部件（電刷）上;高壓電再經由銅棒直接接到旋轉系統的固定部件（銅環）與海纜連接。通過電刷與銅環的接觸實現了電源與用電設備的連接。電刷背部裝有彈簧壓緊裝置，保證與銅環之間接觸良好。電刷始終圍繞銅環轉動，不論FPSO在哪個位置變動，電刷與銅環之間一直保持良好接觸，從而保證電能的穩定傳輸。

水下配電系統如圖2所示。

綜合考慮對油田操作需求的滿足性、可靠性、經濟性等，要求每個中壓電滑環設置一個備用回路，滿足一口井的電潛泵供電需求。

2.3? ? 低壓電滑環

低壓電滑環用于水下生產系統的控制供電以及FPSO與水下生產系統的通信。低壓電滑環的電壓等級小于1 kV。單點系泊系統通過低壓電滑環傳輸用電設備的動力電源、照明電源、設備的控制信號、儀表火氣和關斷信號、通信CCTV和單點系統狀態監測信號等，傳輸電壓等級分別為380 V、220 V和24 V。

2.4? ? 光滑環

光滑環通過連接各路光纖實現FPSO至各油田群的數據通信和傳輸功能，主要傳輸EMS系統（電能管理系統）的電能監控、穩控卸載信號以及網絡通信和電視電話信號。

3 電滑環的故障分析和改進措施

3.1? ? 電滑環異常問題及其原因分析

電滑環在運行中最常見的故障為發熱、產生火花，嚴重損壞電刷和集電環，具體原因如下：

（1）通風不良導致的發熱;

（2）接觸電阻過大或分布不均勻而產生的發熱;

（3）機械摩擦等原因導致的發熱;

（4）電壓過高擊穿產生火花;

（5）產品內部存在導電雜質引起短路或打火花;

（6）絕緣層磨損失效發生短路。

電滑環在運行中還經常出現信號丟包、失真、不穩定、不清晰等問題，具體原因如下：

（1）信號不匹配，設計與實際使用的信號類型不一致;

（2）信號受到外界或者產品內部其他強電及信號干擾;

（3）電阻過大導致信號衰減過大，無法傳輸;

（4）電阻變化過大導致信號不穩定;

（5）電流、電壓、功率不穩定。

3.2? ? 電滑環故障改進措施

以往項目通常加裝復雜單點在線監測系統監測滑環的異常狀態，根據反饋，加裝了復雜單點在線監測系統的水下傳感器部分故障率較高，使用壽命很短，難以實現設計初衷。借鑒以前項目的經驗和教訓，本項目增置單點狀態監控系統用以監測電滑環狀態。單點狀態監控系統主要具備以下幾方面功能：監測高壓電滑環內部溫度，監測高壓電滑環實時電流，監測外部環境溫度，監測單點振動情況。

全部測量數據均被中控ICS系統采集，可實現在線實時監控。通過設置電流、溫度和振動的限值，最終實現聲光報警功能。

監測信息匯總于中控室中，并可通過現有TCP/IP網絡或海事衛星通信系統傳輸到陸地客戶端或其他FPSO，臺風停產期間該套裝置應連續工作，實時監測。所有監測數據均可在FPSO中控室和陸地終端進行回放、查詢，以便對滑環系統的安全性理論計算提供輔助評估。

4 結語

本文分析了電滑環在FPSO單點系泊系統應用中出現的故障類型和故障原因，并提出了相應的改進措施，從而確保了電滑環的穩定運行，提高了供電可靠性。

收稿日期：2020-12-25

作者簡介：丁洪霞（1977—），女，四川人，工學碩士，高級工程師，主要從事海上油氣電力系統研究及設計方面的工作。