電驅動水下閘閥執行器研究進展及問題探討

摘" 要：全電式水下控制系統是未來的發展方向已是業內的共識。電驅動水下閘閥執行器作為系統的核心裝備，控制全電式水下采油樹、管匯閘閥的開啟與關閉，是全電式水下控制系統的最終執行單元，對于油氣資源的安全開采起著至關重要的作用。近年來電驅動水下閘閥執行器受到國內外油氣裝備企業和研究學者的廣泛關注，已逐漸成為水下控制系統領域的研究熱點。該文介紹電驅動水下閘閥執行器的研究進展，并綜合技術發展現狀對現有相關研究中存在的待解決問題做簡要探討，為未來電驅動水下閘閥執行器的發展提供基礎。

關鍵詞：電驅動水下閘閥執行器；全電式水下控制系統；油氣資源；研究進展；油氣開采

中圖分類號：TE54" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0019-06

Abstract： It is a consensus in the industry that the all-electric underwater control system is the future development direction. As the core equipment of the system， the electrically-driven underwater gate valve actuator controls the opening and closing of the all-electric underwater production tree and manifold gate valve， which is the final execution unit of the all-electric underwater control system. It plays a vital role in the safe exploitation of oil and gas resources. In recent years， electrically-driven underwater gate valve actuator has been widely concerned by oil and gas equipment enterprises and research scholars at home and abroad， and has gradually become a research hotspot in the field of underwater control system. This paper introduces the research progress of electrically-driven underwater gate valve actuators， and briefly discusses the problems to be solved in the existing research based on the development of technology， so as to provide a basis for the development of electrically-driven underwater gate valve actuators in the future.

Keywords： electrically-driven underwater gate valve actuator; all-electric underwater control system; oil and gas resources; research progress; oil and gas production

水下生產系統由于其自身優勢使得其十分適用于開發深水油氣資源[1]。其中水下控制系統作為水下生產系統的核心，是確保水下采油樹、水下管匯等水下生產設施高效安全運行的關鍵[2]。目前電液復合式水下控制系統是應用最為廣泛、技術十分成熟的開發模式，但隨著海洋油氣資源開發逐漸向著更深、更偏遠的地區發展，油氣資源的勘探和開采出現了超深水、超長回接距離和開發環境惡劣的特點，電液復合式水下控制系統由于其固有的性能局限已經無法滿足此類油氣田的開發要求[3]，并且隨著近年的油價暴跌，深水油氣產業面臨著巨大挑戰，如何在保持有效開發業績的同時降低資本支出和運營成本成為了各油氣田承包商關注的重點[4]。正是在上述大背景下，水下裝備供應商于20世紀末提出了水下全電控制技術，2008年Cameron公司在荷蘭K5F氣田項目中研制并示范性應用了世界上第一套全電式水下控制系統[5]，使得水下控制系統技術步入了新時代。

在全電式水下控制系統中，電驅動水下閘閥執行器安裝在全電式水下生產設施上，用于控制石油、天然氣和化學藥劑等生產介質的通斷、流量和壓力控制[6]，從而完成油氣資源的開采。電驅動水下閘閥執行器是一個機電一體化高度集成的裝備，作為全電式水下生產系統的核心裝備，其性能優劣直接關系到系統的可靠性和安全性[7]。目前國外對于電驅動水下閘閥執行器的研發尚處于試用階段，關鍵技術尚未完全成熟；國內對于深水油氣資源的開采起步較晚，關鍵裝備和技術被歐美發達國家長期壟斷，當前國內陵水、番禺、荔灣和流花等項目所使用的仍是傳統的電液復合式水下控制系統相關裝備，并且基本從國外購買，對于全電式水下控制系統相關設備的研發更是處于初期探索階段。

1" 電驅動水下閘閥執行器國內外發展現狀

作為全電式水下控制系統核心裝備的電驅動水下閘閥執行器，因其具有技術難度大、科技含量高和應用前景廣等特點，現已成為水下全電控制體系核心技術的主要爭奪點。本節將對電驅動水下閘閥執行器的國內外發展現狀進行介紹。

1.1" 電驅動水下閘閥執行器國外發展現狀

電驅動水下閘閥執行器伴隨著新型水下控制系統的出現得以發展，國外對其研發較早，目前已經處于試用階段；并且隨著水下全電控制技術越來越受到認可，國外Cameron、Aker Solutions、FMC Technologies、Rexroth Bosch Group和OneSubsea等大型深水裝備供應商正在競相研發電驅動水下閘閥執行器產品，均已形成具備知識產權的特色裝備。

1.1.1" Cameron公司

Cameron公司[8]從1999年就開始關注水下全電控制技術，已先后研制了2套全電式水下控制系統并應用于荷蘭北海K5F氣田。該公司對于電驅動水下閘閥執行器的相關研究處于世界領先，目前已先后將所研發的電驅動水下閘閥執行器應用于全電式水下控制系統當中。

該公司的電驅動水下閘閥執行器如圖1所示，其動力機構由一個“驅動”電機和一個“離合”電機組成，并采用復位彈簧實現失效-安全關斷閥門；在水下閘閥的開啟過程中，首先驅動電機通過壓縮復位彈簧迫使水下閘閥打開，然后當閥門完全開啟后，驅動電機停止工作并完全卸載，此時離合電機開始工作，離合電機能夠通過使用基于摩擦機制的機械結構來確保水下閘閥保持開啟狀態，從而實現只需少量功率即可維持閥門開啟狀態的功能；如果系統出現故障電力供應中斷，那么執行器將通過復位彈簧來保證水下閘閥能夠返回到安全關斷位置。

1.1.2" Aker Solutions公司

Aker Solutions公司[9-10]于2013年開始對電驅動水下閘閥執行器進行研究。該公司研發的電驅動水下閘閥執行器在滿足結構強度和可靠性要求的同時，在商業性上與同類產品相比有所提高。Aker Solutions公司的電驅動水下閘閥執行器如圖2所示。該公司產品的整體結構設計非常緊湊，更易于在水下施工安裝；安裝方式可以根據現場要求進行選擇，豎式和臥式安裝均能實現；采用模塊化、標準化設計，方便替換和更新換代，極大地降低了成本；具有先進的狀態監測功能，能夠對閥門和執行器進行監測；以通用的合格構件為基礎，采用高質量的生產方法構建可配置的電動執行器。

此外Aker Solutions公司根據實際應用環境的不同需求，設計了高負荷和低負荷2種類型的電驅動水下閘閥執行器，其中低負荷類型的電驅動水下閘閥執行器由電池模塊、低壓供電模塊、通信與內部微處理器、電機控制微處理器和驅動電機組成；而高負荷類型的電驅動水下閘閥執行器由動態制動器、高壓供電模塊、通信與內部微處理器、電機控制微處理器和驅動電機所組成，并且上述各組成部分均為雙冗余設計；該公司的電驅動水下閘閥執行器均設置有標準的ROV操作接口以及多級齒輪傳動機構，使其能夠適用于多種尺寸的水下閘閥。

1.1.3" TechnipFMC公司

TechnipFMC公司[11-13]最早于2001年在挪威Statoil公司的Statfjord海上油氣開發平臺項目中就已經實現了對16臺全電式水下節流閥的控制，截至2015年，該公司在各大油氣田項目中共計應用了數百臺全電式水下控制系統的相關設備，積累了大量的研發經驗。TechnipFMC公司先后研發了4代電驅動水下閘閥執行器，如圖3所示，該公司的執行器可以獨立于水下閘閥進行回收操作，并提供高扭矩版本和高速版本2類產品。

TechnipFMC公司電驅動水下閘閥執行器包含控制電子設備，用于與水面監控系統進行通信，以及對執行器進行內部控制和監控。執行器通過水下可充電電池（涓流充電方式）和電容器中的本地存儲電源來為內置的運動控制系統供電，該系統能夠將接收的電力進行變送從而向驅動機構供電；同時配有電池管理系統，當系統同時操控多個閥門時也不影響執行器的電力供應；該執行器考慮到了執行機構/系統的低功率要求，具有閥門位置和扭矩的精確控制、振動監測、ROV安裝、最大扭矩和速度范圍可變等特點，并且可以在不需要對上部動力或通信系統進行新設計的情況下實現。此外，該執行器不需要復位彈簧將閥門移動到安全關斷位置，因此體積更小、重量更輕。

1.1.4" Rexroth Bosch Group公司

Rexroth Bosch Group公司[14-15]針對現有電驅動水下閘閥執行器尺寸較大、無法適配現有生產設施的問題，于2021年設計了世界上首款在不占用額外空間情況下能夠替代液動式水下閘閥執行器的電驅動水下閘閥執行器，如圖4所示，并獲得赫耳墨斯技術革新獎提名。

Rexroth Bosch Group公司的執行器主要由電力驅動裝置、運動控制系統、失效安全裝置和壓力補償容器等組成，其中運動控制系統采用集成電子控制器，兼容工業4.0技術，能夠實現精確的運動控制和狀態監測，而失效安全裝置則采用緊湊設計的機械彈簧；該執行器僅需要一根電纜即可實現供電和通信功能，并配有ROV標準操作接口，利用數字孿生和標準化接口技術加快現場安裝和調試速度，能夠按照1∶1比例替換已使用的液動式水下閘閥執行器，可以與現有水下生產設施無縫銜接。

1.1.5" OneSubsea公司

OneSubsea公司[16-17]為海底油氣市場提供綜合解決方案、產品、系統和服務，主要針對海底油田開發、水下生產系統、水下處理系統、水下控制系統、旋轉和船用系統及海底服務等6大專業技術領域。該公司針對傳統液動式水下閘閥執行器重量大、操作邏輯復雜、環境風險大、成本高等問題，先后研發了2款能夠適用于不同尺寸水下閘閥的電驅動水下閘閥執行器（低扭矩版本和高扭矩版本），如圖5所示。

OneSubsea公司的電驅動水下閘閥執行器的驅動和傳動結構最大程度簡化，使得設備的結構復雜程度降低、可靠性高。執行器主要由電機控制單元、驅動電機和變速箱3個部分組成，其中電機控制單元通過調整電機的電流和頻率，使得執行器能夠根據實際轉矩調整電機轉速，從而保證執行器始終在最佳的可實現性能水平上運行，該公司的執行器輸出軸控制精度高、作業速度在同類競品中最快；另外通過采用無刷直流伺服電機和行星齒輪箱的組合，可以根據水下閘閥的特性來配置不同的輸出扭矩；此外執行器配有標準的ROV操作接口以及一個彈簧安裝軸，滿足水下儀器接口標準（SIIS）的接口要求，可以同時適配已開發油氣田和待開發油氣田的水下閘閥，能夠在忽視水下閘閥位置的情況下快速、精確地安裝。

除了上述提到的深水裝備供應商，國外研究人員也對于電驅動水下閘閥執行器的構型技術開展過相關研究。White[18]提出在執行器主軸處布置具有交替極性的間隔繞組，無需驅動電機僅利用電磁力開啟水下閘閥的構型設想。Marco等[19]提出一種利用離合器與制動器相配合使復位彈簧保持在壓縮位置、并集成監測系統的電驅動水下閘閥執行器構型設想。Phielipeit等[20]設計一種電驅動水下閘閥執行器對接裝置的構型設想，通過位于執行器前端面的導向機構及異型槽口實現執行器與水下生產設備本體的精確對接。Eriksen[21]提出一種雙電機冗余驅動的電驅動水下閘閥執行器構型設想，并通過多級齒輪傳動的構型設計從而將驅動電機布置在傳動機構兩側，降低了執行器高度。

1.2" 電驅動水下閘閥執行器國內發展現狀

國內對于水下控制系統的研發起步較晚，相關技術和裝備長期嚴重依賴進口。近年來，我國在電液復合式水下控制系統領域相關方面的技術水平不斷提高，已基本具備500～1 500 m水深級相關裝備的自主研發及測試能力[22]。然而對于全電式水下控制系統相關設備的研發，我國仍處于初期階段。

為保證海洋生態安全，對于海洋油氣資源的開采需要其作業裝備具有極高的可靠性和安全性。因此對于全電式水下控制系統相關裝備，特別是其核心裝備電驅動水下閘閥執行器這類技術難度大、應用風險高的裝備的研究，國內的技術企業極少涉及，只有哈爾濱工程大學、中國船舶重工集團公司第七一九研究所和中國石油大學（華東）等少數幾家高校和研究單位對其開展過相關設計和研究，如圖6所示[23]。

目前國內對于電驅動水下閘閥執行器相關的研究不夠深入，關鍵技術尚不成熟，所采用的研發路徑仍然多是通過借鑒國外電驅動水下閘閥執行器產品進行逆向工程開發，缺少自主知識產權，并且絕大多數的研究成果尚處于理論研究或者方案研究階段。蔡寶平等[24]提出一種采用直線電機驅動執行器的主軸和水下閘閥的閘板，進而省去齒輪箱等傳動結構減小執行器尺寸的構型設想。賈鵬等[25]提出一種電驅動水下閘閥執行器的構型設想，利用杠桿原理和壓縮彈簧達到了低功耗保持閥門開啟和緊急安全關斷的目的。王向宇等[26-27]提出采用多電機并聯冗余的方式驅動水下閘閥，并給出了相應的電驅動水下閘閥執行器設計方案；同年又提出一種球鎖磁力式的電驅動水下閘閥執行器低功耗保持機構的構型設想。肖茵等[28]設計了具備電力驅動和失效復位功能的水下全電采油樹閥門及執行機構，并對密封過程進行了分析。Liu等[29]針對楔式閘閥，提出了一種新式壓力補償型電驅動水下閘閥執行器結構，通過將水下閘閥與執行機構一體化設計，從而顯著降低了閥門關閉時的高壓液壓阻力。

2 電驅動水下閘閥執行器研究問題探討

隨著水下控制系統技術的不斷發展，目前主流的電液復合式水下控制系統存在著開發距離短、建設成本高和響應速度慢等問題，而全電式水下控制系統是目前公認的發展方向，能夠有效地解決上述問題。然而對于全電式水下控制系統的核心裝備——電驅動水下閘閥執行器來說，雖然國內外的研究機構及學者對其關鍵技術開展了相關研究工作，取得了一些進展，但尚未進行過深入系統的研究。目前電驅動水下閘閥執行器的相關研究仍存在以下幾個待解決的問題。

2.1" 電驅動水下閘閥執行器構型研究

目前國內外油氣裝備企業由于技術保密原因，其相關文獻均只簡單介紹了所研發執行器的功能和工作過程，缺少關于執行器具體構型和工作原理的描述；而相關學者所提出的電驅動水下閘閥執行器構型，大多只關注于因執行器驅動方式轉變所帶來的驅動機構和傳動機構形式的變化，忽略了電驅動水下閘閥執行器其他功能的實現，特別是低功耗保持閥門長期開啟的功能。因此為保證電驅動水下閘閥執行器節能性、安全性和可靠性功能的實現，開展電驅動水下閘閥執行器構型研究是十分重要的。

2.2" 電驅動水下閘閥執行器控制方案研究

全電式水下控制系統擺脫了液壓流體的控制模式，水下設備的控制與監測全部采用電力進行控制，屬于最新一代的水下控制系統形式，與傳統的電液復合式水下控制系統有著本質的區別。而對于其核心裝備電驅動水下閘閥執行器而言，傳統的控制方案已經完全不適合，控制系統的電力和通信性能要求與布置方案都發生了根本性的變化。目前對于電驅動水下閘閥執行器電氣控制系統方案的研究較少，且國外油氣裝備企業的試用方案處于技術保密狀態，因此為使電驅動水下閘閥執行器，乃至新型水下控制系統在我國未來深海油氣田開發中能夠成熟應用，有必要對電驅動水下閘閥執行器的控制方案進行研究。

2.3" 電驅動水下閘閥執行器測試技術研究

目前國內外對于傳統的液動式水下閘閥執行器的研究已經十分成熟，相配套的試驗設備也已有工程產品，并開展了大量的示范應用。然而對于電驅動水下閘閥執行器而言，目前國外的研發尚處于試用階段，沒有相應的設計及測試標準；國內更是處于初期探索階段。電驅動水下閘閥執行器作為全電式水下控制系統關鍵設備之一，具有功能復雜、造價昂貴、維修困難的特點。因此為了保證裝備在功能和性能上滿足使用要求，驗證裝備的功能性、可靠性及可用性，需要對電驅動水下閘閥執行器的測試方法、測試標準和測試條件開展系統研究。

2.4" 電驅動水下閘閥執行器適配優化技術研究

雖然全電式水下控制系統是未來的發展趨勢，但是從深海油氣田開發實際的角度出發，將現有電液復合式水下控制系統進行升級改造，更加符合工程開發中對于成本、工期和產能的要求，因此，電驅動水下閘閥執行器需要能夠適配現有水下控制系統。然而全電式水下閥門執行器采用電力驅動，不同于現有電液復合式的液壓驅動，功能的提高會影響結構的進化，所以要求在兼顧結構與功能的基礎上，根據現有水下生產設施中對于執行器性能和尺寸空間的要求，對電驅動水下閘閥執行器與水下生產設施的適配優化技術開展研究。但是對于這項研究工作目前國內外學者相關研究較少，尚待加強。

參考文獻：

[1] ZHANG X， DUAN M， MAO D， et al. A mathematical model of virtual simulation for deepwater installation of subsea production facilities[J].Ships and Offshore Structures， 2017，12（2）：182-195.

[2] WANG L， WANG X， LI Z H， et al. Design and reliability analysis of the electrical control system of the subsea control module[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part I： Journal of Systems and Control Engineering， 2019，233（6）：720-733.

[3] 左信，岳元龍，段英堯，等.水下生產控制系統綜述[J].海洋工程裝備與技術，2016，3（1）：58-66.

[4] YI W， QI W， AIXIA Z， et al. A new optimization algorithm for the layout design of a subsea production system[J]. Ocean Engineering，2021，232：109072.

[5] WINTHER LARSSEN E，MASSIE D， ERIKSSON K G. Subsea all electric technology： enabling next generation field developments[C].Offshore Technology Conference， Houston， Texas，U.S.A，2-5 May 2016：1-16.

[6] SOTOODEH K. Actuator selection and sizing for valves[J]. SN Applied Sciences， 2019，1（10）：1207.

[7] WANG C， LIU Y， HOU W， et al. Reliability and availability modeling of Subsea Xmas tree system using Dynamic Bayesian network with different maintenance methods[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2020， 64： 104066.

[8] ABICHT D， Akker J. The 2nd generation DC all-electric subsea production control system[C].Offshore Technology Conference， Houston， Texas， U.S.A， 2-5 May 2011： 1-8.

[9] WINTHER LARSSEN E. All-electric building blocks for new projects and brownfield applications[EB/OL].（2015-03-04） [2021-09-06].https：//mcedd.com/wp-content/uploads/2014/04/Einar-Winther-Larssen.pdf.

[10] MICALI S. Subsea all-electric technology now available for the future field developments[EB/OL].（2016-10-20） [2021-09-06].https：//www.sut.org/wp-content/uploads/2015/09/Salvatore-Micali-v3-Aker-Solutions-Subsea-All-Electric-Technology-without-notes.pdf.

[11] HASAN Z， KAPETANIC N， VAUGHAN J， et al. Subsea field development optimization using all electric controls as an alternative to conventional electro-hydraulic[C].SPE/IATMI Asia Pacific Oil amp; Gas Conference and Exhibition， Nusa Dua， Bali， Indonesia，2015（9）：1-10.

[12] OH J， KANG S. Merits of all-electric subsea production control system[J].Journal of the Korean Society of Marine Engineering，2014，38（2）：162-168.

[13] ROKNE，？覫yvind.Deepwater developments can benefits from all-electric controls[J].Offshore，2013，73（11）：108-109.

[14] Rexroth Bosch Group. SVA R2- The world' s first subsea electric actuator with safety spring， as compact as hydraulic cylinders[EB/OL].（2021-05-03）[2021-09-06].https：//www.boschrexroth.com/en/xc/sustainable-subsea-operations/.

[15] Offshore Network. Bosch Rexroth to present world's smallest electric subsea valve actuator at Hannover Messe[EB/OL].（2021-04-16）[2021-09-06].https：//offsnet.com/content/north-sea/bosch-rexroth-to-present-world-s-smallest-electric-subsea-valve-actuator-at-hannover-messe.

[16] OneSubsea. Electric high-power rotary actuator[EB/OL].（2018-06-24）[2021-09-06].https：//www.onesubsea.slb.com/-/media/onesubsea/files/product-sheet/oss-high-power-rotary-actuator-ps.ashx.

[17] OneSubsea. Electric low-power rotary actuator[EB/OL].（2018-06-24）[2021-09-06].https：//www.onesubsea.slb.com/-/media/onesubsea/files/product-sheet/oss-low-power-rotary-actuator-ps.ashx.

[18] WHITE P W. Subsea electric actuator using linear motor： 8286935[P].2012-10-16.

[19] MARCO G， IVAN A， TIZIANO C. Subsea electric actuator： 9920852[P].2018-03-20.

[20] PHIELIPEIT SPIESS V， MAHLER C， GLASER M. Subsea electric actuator system：10808485[P].2020-10-20.

[21] ERIKSEN E. Electro mechanical power actuator：2020340562[P].2020-10-29.

[22] 韓云峰，安維崢，洪毅.我國水下生產系統測試技術進展[J].中國造船，2021，62（1）：245-253.

[23] CAI B， ZHAO Y， LIU H， et al. A data-driven fault diagnosis methodology in three-phase inverters for PMSM drive systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics， 2017，32（7）：5590-5600.

[24] 蔡寶平，劉永紅，馬云鵬，等.水下全電采油樹系統一體式電動執行器：105422045[P].2016-03-23.

[25] 賈鵬，王立權，沈照月，等.一種水下閘閥執行器的低功耗保持及失效安全關斷機構：106151666[P].2016-11-23.

[26] 王向宇，劉培林，賈鵬，等.全電式水下閥門執行器設計及多電機同步控制策略研究[J].中國海上油氣，2017，29（5）：149-156.

[27] 王立權，王向宇，賈鵬，等.一種球鎖磁力式水下閥門執行器低功率保持及失效安全關斷機構：106704687[P].2017-05-24.

[28] 肖茵，毋迪，向超，等.水下全電采油樹生產閥門及執行機構設計研究[J].石油機械，2018，46（5）：60-64.

[29] LIU P， LIU Y， WEI X， et al. Performance analysis and optimal design based on dynamic characteristics for pressure compensated subsea all-electric valve actuator[J].Ocean Engineering， 2019， 191： 106568.

基金項目：廣州市教育局高校科研項目（202235301）；廣州番禺職業技術學院校級科研項目（2023KJ19）

第一作者簡介：王洪海（1992-），男，博士，講師。研究方向為機械工程、車輛工程和海洋工程。