沈 丹，王 磊，鄭 鵬，韓 俊

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082）

0 引 言

隨著海洋油田開(kāi)發(fā)形勢(shì)的變化，降低原油的生產(chǎn)成本成為提高效益的一種有效途徑。采用常規(guī)技術(shù)開(kāi)發(fā)深海油氣田可能不經(jīng)濟(jì)，甚至難以對(duì)高氣油比的油田進(jìn)行開(kāi)發(fā)。水下混輸增壓系統(tǒng)可作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的前置關(guān)鍵增壓設(shè)備，具有油氣混輸能力強(qiáng)、建設(shè)周期短和投資少等特點(diǎn)，采用該系統(tǒng)可盡量少地建造海上生產(chǎn)平臺(tái)，使深海油氣田得到有效開(kāi)發(fā)[1]。水下混輸增壓泵是水下混輸增壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝備。

國(guó)外對(duì)水下混輸增壓系統(tǒng)技術(shù)研究已有30多年歷史，其相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已比較成熟。1985年，阿吉普（AGIP）、Snamprogetti和新比隆開(kāi)始開(kāi)發(fā)水下增壓系統(tǒng)（Submarine Booster Station，SBS），第一代SBS在意大利阿吉普公司所屬的Prezioso海上油田通過(guò)試驗(yàn)，運(yùn)行狀況良好[2]；德國(guó)Leistritz公司和巴西石油、Curtiss-Wright合作開(kāi)發(fā)的SBMS-500海底混輸增壓系統(tǒng)經(jīng)過(guò)陸地上一連串壓差超過(guò)6MPa的測(cè)試之后，于2006年上半年應(yīng)用于水深超過(guò)500m的巴西海域[3]；美國(guó)Flowserve公司和殼牌石油公司2010年3月合作完成1臺(tái)壓差17.2MPa、位于水深3000m處的雙螺桿混輸增壓泵的測(cè)試，在壓差和水深方面都具有里程碑式意義，隨后Flowserve公司對(duì)其進(jìn)行全方位的系統(tǒng)測(cè)試，取得良好的效果[4]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)該領(lǐng)域裝備的研制還處于空白狀態(tài)，雖然以中國(guó)海洋石油公司、中國(guó)石油海洋工程公司和中國(guó)石油大學(xué)等為代表的研究機(jī)構(gòu)研究過(guò)海上鉆采設(shè)備及各項(xiàng)技術(shù)，但對(duì)海底多相增壓設(shè)備的研究很少，已開(kāi)發(fā)的淺水油田采用的水下混輸增壓系統(tǒng)均為采購(gòu)的國(guó)外產(chǎn)品。中國(guó)石油大學(xué)[1]已開(kāi)發(fā)出最高含氣率達(dá)85%、流量達(dá)150m3/h、5級(jí)葉輪總增壓1.5MPa的高性能多相泵樣機(jī)系統(tǒng)，但在多相泵的整體性能方面還有待繼續(xù)研究，同時(shí)仍需繼續(xù)開(kāi)展對(duì)整個(gè)水下增壓系統(tǒng)的研究。

因此，開(kāi)展水下混輸增壓泵研制，實(shí)現(xiàn)混輸增壓系統(tǒng)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，降低對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴，打破國(guó)外技術(shù)壁壘，對(duì)我國(guó)海洋石油工業(yè)的發(fā)展具有重大意義。水下混輸增壓系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1。

水下混輸增壓泵檢測(cè)控制技術(shù)是水下混輸增壓泵系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括水下信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)融合處理、混輸泵及電機(jī)控制和水下閥門(mén)控制等。水下混輸增壓泵檢測(cè)控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 水下混輸增壓系統(tǒng)示意

圖2 水下混輸增壓泵檢測(cè)控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

水下混輸增壓泵檢測(cè)控制系統(tǒng)可按照空間結(jié)構(gòu)劃分為水面主控制站和水下從控制站2部分（見(jiàn)圖2）。從功能上看，2個(gè)控制站分別響應(yīng)該區(qū)域的電氣控制需求。

具體而言，水面主控制站硬件主要由水面綜合顯控計(jì)算機(jī)、綜合控制臺(tái)、不間斷電源（UPS）、串口通信模塊和變頻器等組成，既是整個(gè)混輸泵檢測(cè)控制系統(tǒng)的操作輸入和綜合信息顯示人機(jī)接口，也是遠(yuǎn)程遙控的終端。水面主控制站與水下從控制站之間通過(guò) 1550m的通信纜連接，利用屏蔽雙絞線傳輸控制指令和狀態(tài)參數(shù)。

水下混輸增壓泵檢測(cè)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為水面顯控軟件設(shè)計(jì)和水下數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)2部分，并通過(guò)RS485串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和設(shè)備的控制。

1.1 水面顯控軟件設(shè)計(jì)

水面顯控軟件工作流程見(jiàn)圖 3。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)之后先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括串口設(shè)置、PCI板卡設(shè)置、用戶設(shè)置及數(shù)據(jù)設(shè)置等。在初始化完成之后，單擊“串口連接”按鈕，打開(kāi)通信串口，開(kāi)啟數(shù)據(jù)通信通道，同時(shí)開(kāi)始3個(gè)定時(shí)器，分別用于實(shí)時(shí)檢測(cè)操作面板上的控制指令、與水下和變頻器端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及記錄數(shù)據(jù)。水下數(shù)據(jù)和變頻器端數(shù)據(jù)的接收方式為事件觸發(fā)，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送至水面顯控軟件時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)數(shù)據(jù)接收函數(shù)，接收數(shù)據(jù)并處理之后在水面顯控界面上顯示。

軟件界面由Borland Delphi編程工具開(kāi)發(fā)，水面顯控軟件界面見(jiàn)圖4。

圖3 水面顯控軟件工作流程

圖4 水面顯控軟件界面

1.2 水下數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

水下數(shù)據(jù)采集軟件主要實(shí)現(xiàn)水下傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)行在Vxworks操作系統(tǒng)上，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)[5]。水下數(shù)據(jù)采集軟件工作流程見(jiàn)圖5。系統(tǒng)初始化主要包括串口設(shè)置、AD設(shè)置和數(shù)據(jù)設(shè)置等。在初始化完成之后，打開(kāi)串口，啟動(dòng)水下數(shù)據(jù)采集任務(wù)和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，水下計(jì)算機(jī)開(kāi)始采集傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，處理完之后打包發(fā)送給水面顯控軟件。

圖5 水下數(shù)據(jù)采集軟件工作流程

2 水下傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下傳感器檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)水下各傳感器信號(hào)的檢測(cè)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)不同的檢測(cè)信號(hào)搭載不同的傳感器模塊。傳感器模塊及檢測(cè)的信號(hào)見(jiàn)表1。

表1 傳感器模塊及檢測(cè)的信號(hào)

3 混輸泵及電機(jī)控制

混輸增壓泵轉(zhuǎn)速控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2部分。手動(dòng)控制通過(guò)監(jiān)測(cè)泵入口壓力數(shù)據(jù)，手動(dòng)修改變頻器頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：若壓力低于設(shè)定閾值，則手動(dòng)降低變頻器頻率使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，從而使增壓泵入口壓力升高；若壓力高于設(shè)定閾值，則手動(dòng)提高變頻器頻率使泵流量增加，從而使增壓泵入口壓力降低。

轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制由增量式PID控制策略[6]實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：檢測(cè)增壓泵的出口流量，并將流量信號(hào)反饋給PID控制器，控制器通過(guò)對(duì)采集的信號(hào)和設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較運(yùn)算，將結(jié)果作為頻率指令輸送給變頻器，改變?cè)鰤罕秒妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使增壓泵的出口流量始終保持在設(shè)定的流量范圍之內(nèi)。即當(dāng)出口流量低于設(shè)定值時(shí)，控制器使變頻器輸出頻率增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，增壓泵排量增加，直至達(dá)到設(shè)定值；反之，當(dāng)出口流量高于設(shè)定值時(shí)，控制器使變頻器輸出頻率降低，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，增壓泵排量減少，直至達(dá)到設(shè)定值。圖6為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。

圖6 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制中給定的流量由手動(dòng)控制的結(jié)果來(lái)設(shè)定。增量式PID控制模型[7]為

式(1)中： ()kU 為當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量值； ( 1)k-U 為前一時(shí)刻測(cè)量值； ()e k為當(dāng)前時(shí)刻誤差； ( 1)e k- 為前一時(shí)刻誤差； ( 2)e k- 為前前時(shí)刻誤差；A、B和C中的PK 為比例系數(shù)；T為采樣周期；IT為I控制器的采樣周期；DT為D控制器的采樣周期。

4 混輸管線閥門(mén)控制

混輸管線共設(shè)計(jì)有入口閥門(mén)、出口閥門(mén)和回收控制閥等3個(gè)閥門(mén)。入口閥門(mén)和出口閥門(mén)均為開(kāi)關(guān)型閥門(mén)，只有開(kāi)和關(guān)2種工作狀態(tài)；而回收控制閥為調(diào)節(jié)型閥門(mén)，可通過(guò)控制電壓的大小調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，從而起到控制管線內(nèi)液體流量的作用。入口閥門(mén)和出口閥門(mén)分別位于混輸管線入口及出口處，為非承壓閥門(mén)；回收控制閥位于回收管線中，需承受 19MPa的壓力。對(duì)回收控制閥的控制操作也是在承壓的條件下進(jìn)行的。因此，對(duì)回收控制閥進(jìn)行19MPa的充油耐壓試驗(yàn)。

在整個(gè)加壓和減壓過(guò)程中，分別對(duì)回收控制閥進(jìn)行控制，閥門(mén)控制正常，滿足使用要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證水下混輸增壓泵檢測(cè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，先后對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行壓力筒試驗(yàn)和水池試驗(yàn)（見(jiàn)圖7和圖8）。壓力筒試驗(yàn)主要檢驗(yàn)在0～18.75MPa加壓、保壓和卸壓流程下，混輸泵總體系統(tǒng)的密封性能和功能考核。水池試驗(yàn)主要檢驗(yàn)混輸泵系統(tǒng)在水下的各項(xiàng)功能，進(jìn)一步檢查混輸泵、電機(jī)和均化器等設(shè)備在水下的運(yùn)行情況及總體集成效果，確認(rèn)任務(wù)流程的可行性，考核信息流和控制流的正確性及可靠性。

圖7 壓力筒試驗(yàn)

圖8 水池試驗(yàn)

水下混輸增壓泵檢測(cè)控制系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：水下混輸增壓泵檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，工作穩(wěn)定、可靠，能實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)、電機(jī)控制和閥門(mén)控制功能，滿足設(shè)計(jì)要求和使用要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)1500m級(jí)水下混輸增壓系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一套水下檢測(cè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過(guò)檢測(cè)水下各傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下電機(jī)和水下閥門(mén)的控制。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該檢測(cè)控制系統(tǒng)具有良好的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。該水下混輸增壓泵檢測(cè)控制技術(shù)研究可為今后水下混輸增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供一定的參考。