Гибридная концепция актуатора повышает надежность управления подводными клапанами

В подводных системах добычи нефти и газа подводная «рождественская елка» устанавливается на устья скважин. Каждая елка управляет добычей нефти и газа своей скважины через множество процессных клапанов. Каждый процессный клапан приводяется подводным актуатором клапана (SVA), который должен уметь безопасно закрывать клапан в любом режиме работы, даже при отказе питания.

Требования к подводным системам добычи极其 высоки. Операционная доступность и безопасность особенно важны для подводных систем, производящих нефть и газ, 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 объединяет электромеханику и электрогидравлику в компактном блоке для глубоководных применений, таких как управление 2-дюймовыми затворными клапанами (Рисунок 1). Этот гибридный SVA спроектирован для соответствия требованиям безопасности до SIL3, выдерживать внешнее давление до 300 бар в соленой воде, потреблять до 75 процентов меньше энергии и работать 24 часа в сутки в течение 25-летнего срока службы с ограниченными возможностями обслуживания.

Самодостаточные оси с гидростатическим приводом

Недавно разработанный SVA предоставляет энергоэффективную и безопасную альтернативу ранее использовавшимся традиционным гидравлическим или электромеханическим актуаторам, открывающим и закрывающим затворной клапан (Рисунок 2). Гибридные SVA — самодостаточные модули со своей собственной замкнутой гидравлической цепью, содержащей всего несколько литров экологически чистой гидравлической жидкости. Переменногоскоростной электрический двигатель приводит в действие долговечный гидравлический насос, который создает поток, необходимый для актуации гидравлического цилиндра. Шток цилиндра механически сопряжен со штоком затворного клапана скважины для открытия или закрытия по необходимости.

Предохранительный клапан с механической пружиной внутри SVA обеспечивает, что цилиндр также безопасно втягивается в аварийное положение при отказе питания, без необходимости внешнего питания или батарей. Кроме того, цилиндр может быть приведен во внешнем режиме подводным роботом через переопределение. Все ключевые компоненты приводной цепи установлены избыточно. Все вместе SVA обеспечивают безопасность на разных уровнях с избыточными контролями, аварийной пружиной и возможностями вмешательства извне.

Преимущества гибридного SVA очевидны при сравнении решения с текущим состоянием технологии актуаторов. Подавляющее большинство подводных актуаторов, используемых глобально, все еще основаны на конвенциональной гидравлике. Эта общая структура доказала свою долговечность и долгосрочную безопасность за последние 50 лет. Однако операторы хотят снизить усилия по управлению клапаном скважины, потому что конвенциональная гидравлика обычно требует больших центральных гидравлических силовустановок (HPU) на поверхности. Они снабжают актуаторы клапанов скважины жидкостью через линии, известные как умбиликалы, и перемычки, которые могут быть длиной в километры. На рабочей глубине 3000 метров в линиях может накапливаться несколько сотен литров жидкости. Кроме того, такая конвенциональная установка требует дополнительных гидравлических аккумуляторов и распределительных клапанов для управления и команды актуации.

В качестве альтернативы поставщики оборудования пытаются проектировать чисто электромеханические решения. Они требуют только подачи питания по кабелям и подключения по линии данных к модулю управления актуатором (ACM), расположенному либо на поверхности, либо на дне моря. Однако, поскольку у них нет вариантов для внешнего механического вмешательства для корректировок, электромеханические решения имеют недостатки, связанные с безопасностью. И из-за их более низкой плотности мощности по сравнению с гидравлическими системами, они также требуют более крупных корпусов и электрических батарей. Конструкция приводит к высокому трению, вызывающему механический износ передачи мощности и сокращающему требуемый 25-летний эксплуатационный период. По этим причинам электромеханические решения находятся в критическом невыгодном положении для подводных применений, когда требуется аварийное аварийное закрытие.

До 75 процентов меньше потребления энергии

Гибридный SVA объединяет преимущества гидравлических и электромеханических решений и устраняет существующие недостатки. Децентрализованная самодостаточная гидравлическая цепь означает, что верфийская HPU, подводный гидравлический контрольный модуль и километровые умбиликальные линии больше не требуются для жидкости. SVA требует питания и линии данных, как указано в стандарте стандартизации подводной инструментации (SIIS) — аналогично электромеханическим актуаторам.

Во время работы высокоэффективный фиксированный объем/переменный вращающийся гидравлический насос генерирует поток для привода низкотрения цилиндра. Гидравлическая система упрощена, потому что пропорциональные клапаны не требуются, что значительно повышает энергоэффективность. По сравнению с чисто электромеханическими актуаторами, SVA потребляют до 75 процентов меньше мощности на пиковой производительности.

Учитывая все актуаторы, используемые для управления подводным месторождением, огромная экономия затрат на электрическую инфраструктуру وحدها (кабель питания, трансформатор, частотные преобразователи и т.д.) может быть получена по сравнению с использованием электромеханических актуаторов, например (Рисунок 3). Электрический двигатель, приводящий гидравлический насос, может быть настроен значительно меньше, но с той же силой настройки актуаторов, что, в свою очередь, экономит установочное пространство и затраты. Больше экономии затрат также можно реализовать за счет замены гидравлического умбиликала на электрический, и нет необходимости утилизировать гидравлическую жидкость, необходимую для конвенциональных гидравлических актуаторов.

Кроме того, SVA предлагает возможности мониторинга состояния, со встроенной сенсорной технологией, которая непрерывно записывает эксплуатационные состояния внутри актуатора и сообщает их вышестоящему мастер-контроллеру. Тренды могут быть проанализированы, позволяя выявлять и устранять отклонения рано.

Проверенная технология из промышленных приложений

Принцип работы SVA исходит из признанного использования самодостаточных осей, часто встречающихся в промышленных приложениях. Индивидуальные компоненты для SVA производятся в крупных сериях под системами управления качеством, такими как используемые в промышленных станках. Эта стандартизация снижает затраты и создает долгосрочную доступность для производства. Кроме того, сенсоры и электроника, используемые в SVA, имеют проверенную надежность из применения в автомобильных приложениях. Где требуется, модификации были сделаны в компонентах для квалификации для глубоководного использования на глубинах до 6000 метров. Система и основные компоненты также соответствуют специальным требованиям различных классификационных обществ для морского, оффшорного и подводного использования.

Внутри SVA есть два бара избыточного давления на любой глубине благодаря избыточной системе компенсации давления. Это предотвращает проникновение соленой воды и необходимость больших корпусов с давление-нейтральным дизайном. Помимо стандартных требований, внутри оси используется только подводная проводка и соединения. Все электрические компоненты, не имеющие подводной классификации, также механически и электрически инкапсулированы в давление-устойчивых частях.

Тесно работая с ведущими поставщиками оборудования и операторами, последняя технология симуляции использовалась для создания доказательства концепции и прототипов для полевых испытаний. Эта инновационная приводная технология объединяет лучшее из электромеханики и гидравлики, чтобы помочь обеспечить безопасное и надежное управление движением на дне моря, помогая реализовать видение «полностью подводного завода».

Эта статья написана д-ром Александром Орт, руководителем морских и подводных технологий, и Амадеу Пласидо Нетто, тестовым инженером, в Bosch Rexroth Corp. (Плимут, штат Мичиган). Для получения дополнительной информации посетите здесь .