Новая гибридная концепция привода подводных клапанов

В системах подводной добычи нефти и газа на устье скважины устанавливается подводная «рождественская елка». Каждое дерево контролирует добычу нефти и газа в соответствующей скважине с помощью нескольких технологических клапанов. Каждый технологический клапан приводится в действие подводным приводом клапана (SVA), который должен быть в состоянии безопасно закрыть клапан в любом рабочем состоянии, даже при сбое питания.

Требования к подводным добычным системам чрезвычайно высоки. Эксплуатационная готовность и безопасность особенно важны для подводных систем добычи нефти и газа для защиты людей и окружающей среды. Кроме того, защита моря от загрязнения, вызванного утилизацией гидравлической жидкости, используемой в обычных SVA, теперь также становится ключевым приоритетом.

Новая концепция гибридного SVA сочетает в себе электромеханику и электрогидравлику в компактном блоке для глубоководных применений, таких как управление 2-дюймовыми задвижками (рис. 1). Этот гибридный SVA разработан в соответствии с требованиями безопасности до SIL3, выдерживает внешние давление до 300 бар в морской среде, потребляют на 75 % меньше энергии и работают 24 часа в сутки в течение 25 лет с ограниченными возможностями технического обслуживания.

Автономные оси с гидростатическим приводом

Недавно разработанный SVA представляет собой энергоэффективную и безопасную альтернативу ранее использовавшимся традиционным гидравлическим или электромеханическим приводам, открывающим и закрывающим задвижку (рис. 2). Гибридные SVA представляют собой автономные модули с собственным замкнутым контуром жидкости, содержащим всего несколько литров экологически чистой гидравлической жидкости. Электродвигатель с регулируемой скоростью приводит в действие прочный гидравлический насос, который создает поток, необходимый для приведения в действие гидравлического цилиндра. Шток цилиндра механически соединен со штоком задвижки скважины, чтобы открывать или закрывать его по мере необходимости.

Предохранительный клапан с механической пружиной внутри SVA обеспечивает безопасное втягивание цилиндра в безопасное положение в случае сбоя питания без необходимости использования внешнего источника питания или батарей. Кроме того, цилиндр может управляться извне подводным роботом через блокировку. Все ключевые компоненты трансмиссии установлены с резервированием. В целом, SVA обеспечивают безопасность на разных уровнях благодаря дублирующим элементам управления, отказоустойчивой пружине и возможностям вмешательства извне.

Преимущества гибридного SVA очевидны, если сравнить это решение с текущим состоянием технологии привода. Подавляющее большинство подводных приводов, используемых во всем мире, по-прежнему основаны на традиционной гидравлике. Эта обычная конструкция за последние 50 лет доказала свою прочность и долгосрочную безопасность. Тем не менее, операторы хотят уменьшить усилия, необходимые для управления задвижкой скважины, потому что традиционная гидравлика обычно требует больших центральных гидравлических силовых агрегатов (HPU) на верхней стороне. Они снабжают приводы скважинных клапанов жидкостью по линиям, известным как шлангокабели, и перемычкам, длина которых может достигать нескольких километров. При рабочей глубине 3000 метров только в трубопроводах может скапливаться несколько сотен литров жидкости. Кроме того, эта обычная установка требует дополнительных гидроаккумуляторов и направляющих клапанов для контроля и управления срабатыванием.

В качестве альтернативы поставщики оборудования пытаются разработать чисто электромеханические решения. Их нужно только подавать по силовым кабелям и подключать через линию передачи данных к модулю управления приводом (ACM), расположенному либо наверху, либо на морском дне. Однако из-за отсутствия возможности внешнего механического вмешательства для регулировки электромеханические решения имеют недостатки, связанные с безопасностью. А из-за более низкой удельной мощности по сравнению с гидравлическими системами им также требуются корпуса большего размера и электрические батареи. Конструкция приводит к высокому трению, вызывая механический износ силовой передачи и сокращая требуемый 25-летний срок службы. По этим причинам электромеханические решения имеют критический недостаток для подводных применений, когда требуется отказоустойчивое аварийное закрытие.

До 75% меньше энергопотребления

Гибридный SVA сочетает в себе преимущества как гидравлических, так и электромеханических решений и устраняет существующие недостатки. Децентрализованный автономный гидравлический контур означает, что для подачи жидкости больше не требуются верхний гидроагрегат, подводный гидравлический модуль управления и километровые шлангокабели. Для SVA требуется источник питания и линия передачи данных в соответствии со Стандартизацией интерфейса подводных приборов (SIIS) — аналогично электромеханическим приводам.

Во время работы высокоэффективный гидравлический насос постоянного рабочего объема/регулируемого вращения создает поток для привода цилиндра с низким коэффициентом трения. Гидравлическая система упрощена, так как не требуются пропорциональные клапаны, что значительно повышает энергоэффективность. По сравнению с чисто электромеханическими приводами SVA потребляют до 75% меньше энергии при максимальной производительности.

Принимая во внимание все приводы, используемые для управления подводным месторождением, можно получить огромную экономию затрат только на электрическую инфраструктуру (силовой кабель, трансформатор, преобразователи частоты и т. д.) по сравнению, например, с использованием электромеханических приводов (рис. 3). Электродвигатель, приводящий в движение гидравлический насос, может быть сконфигурирован значительно меньше, но с тем же усилием регулировки, что и приводы, что, в свою очередь, экономит место для установки и затраты. Кроме того, можно добиться большей экономии средств, заменив гидравлический шлангокабель электрическим шлангокабелем, и нет необходимости утилизировать гидравлическую жидкость, которая требуется для обычных гидравлических приводов.

Кроме того, SVA предлагает возможности мониторинга состояния со встроенной сенсорной технологией, которая непрерывно записывает рабочие состояния привода и сообщает о них главному контроллеру более высокого уровня. Затем можно анализировать тенденции, что позволяет выявлять и устранять отклонения на раннем этапе.

Проверенная технология промышленного применения

Принцип работы SVA исходит из общепринятого использования автономных осей, которые часто используются в промышленности. Отдельные компоненты для SVA производятся крупными сериями в соответствии с системами управления качеством, подобными тем, которые используются в промышленных машинах. Эта стандартизация снижает затраты и обеспечивает долгосрочную доступность для производства. Кроме того, датчики и электроника, используемые в SVA, доказали свою надежность при использовании в автомобильных транспортных средствах. Там, где это необходимо, в компоненты были внесены модификации, позволяющие использовать их в открытом море на глубине до 6000 метров. Система и основные компоненты также отвечают специальным требованиям различных классификационных обществ для морского, оффшорного и подводного использования.

Внутри SVA существует два бара избыточного давления на каждой глубине из-за избыточной системы компенсации давления. Это предотвращает проникновение соленой воды и необходимость в больших корпусах с нейтральной конструкцией. В дополнение к стандартным требованиям внутри оси используется только подводная проводка и соединения. Все электрические компоненты, не предназначенные для подводной эксплуатации, также механически и электрически изолированы устойчивыми к давлению деталями.

В тесном сотрудничестве с ведущими поставщиками оборудования и операторами новейшая технология моделирования использовалась для проверки концепции и прототипов для полевых испытаний. Эта инновационная технология привода сочетает в себе лучшее из электромеханики и гидравлики, чтобы обеспечить безопасное и надежное управление движением на морском дне, помогая воплотить в жизнь идею «завода, полностью подводного».

Эта статья была написана доктором Александром Ортом, руководителем отдела морских и подводных технологий, и Амадеу Пласидо Нето, инженером-испытателем, Bosch Rexroth Corp. (Плимут, Мичиган). Для получения дополнительной информации посетите здесь .