СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНОГО ДОБЫЧНОГО КОМПЛЕКСА
CONTROL SYSTEM OF THE UNDERWATER MINING COMPLEX

Изобретение относится к подводной добыче углеводородов, в частности к системам управления добычей газа на скважинах подводного добычного комплекса.
Наиболее близким изобретением к заявленному является система подводной добычи углеводородов RU2553757 С2, в которой описываются различные способы соединений транспортной сети, сети электроснабжения и сети передачи данных между основным промысловым объектом и подводной скважиной. Сети электроснабжения и передачи данных через волоконно-оптическую линию могут быть применены на расстоянии более чем 150 км от промыслового объекта до скважины. Имеется возможность дополнительного соединения сети электроснабжения и сети передачи данных с любой из систем подводной добычи. В системе подводной добычи углеводородов используются распределители, предназначенные для уменьшения напряжения постоянного тока в сети энергообеспечения и передачи данных от основного промыслового объекта до подводной скважины, а также блоки разветвления, между основным промысловым объектом и распределителем, предназначенным для приема и направления электрических кабелей и кабелей данных на множество распределителей. Так же в системе подводной добычи углеводородов используется подводный узел-распределитель, содержащий средства для передачи данных и электроэнергии в виде постоянного тока множеству подводных скважин или любой другой системе подводной добычи.
Одним из недостатков аналога является сложность построения сети электропитания на постоянном токе и ее высокая стоимость. Другим недостатком аналога является отсутствие возможности адаптации к изменению конфигурации добычных скважин.
Задачей изобретения является создание системы управления подводным добычным комплексом (СУ ПДК) при одновременном повышении надежности, упрощении системы энергообеспечения и повышении адаптивности к изменению конфигурации расположения добычных скважин.
Сущность изобретения заключается в создании СУ ПДК, являющейся однократно резервированной электрогидравлической системой с оптическими линиями связи. СУ ПДК применяется для управления подводными добычными комплексами газовых месторождений, установленных на глубине до 500 метров и удаленных от наземной аппаратуры системы управления на расстояние до 80 км.
Изобретение содержит следующие элементы:
1 - оборудование берегового комплекса (БК);
2 - подводный модуль распределения (ПМР);
3-1 - 3-N/2 - электрические разветвители;
4-1 - 4-N/2 - оптические разветвители;
5-1 - 5-N - подводные модули управления (ПМУ);
6-1 - 6-N - датчики ПДК.
На фиг. 1 приведена структурная схема электрической, оптической и гидравлической связей СУ ПДК.
СУ ПДК работает следующим образом:
БК (1) непосредственно связан с ПМР (2) электрическими и оптическими связями. Электропитание подводной части СУ ПДК осуществляется однофазным переменным током с целью уменьшения электрических потерь. Сплошной линией на фигурах показаны линии электропитания 3000 В переменного тока, от оборудования БК (1) до ПМР (2) на расстоянии до 80 км, и линии электропитания 600 В переменного тока от ПМР (2) до ПМУ (5-1-5-N), расположенных от ПМР (2) на расстоянии до 12 км. От БК (1) гидравлические линии идут к ПМУ (5). Передача гидравлической энергии в системе происходит по гидравлическим линиям, указанным на схеме штрихпунктирной линией. От ПМР электрические линии и оптические линии идут к электрическим разветвителям (3-1 - 3-N/2) и оптическим разветвителям (4-1 - 4-N/2), соответственно. Передача данных в системе управления подводным добычным комплексом происходит по оптическим линиям связи. Оптические линии связи указаны на фигурах штрих линией. Оптические линии связи обеспечивают передачу всего объема необходимой информации за минимальное время. Электрические и оптические линии от разветвителей подключены к ПМУ (5-1 - 5-N). ПМУ в свою очередь соединены с датчиками ПДК (6-1 - 6-N) по электрическим линиям.
Применение переменного тока позволяет упростить преобразования передаваемой энергии и, следовательно, уменьшить стоимость системы.
Оптические линии, линии энергообеспечения и гидравлические линии расположены в шлангокабеле подводного исполнения.
Электрическая и оптическая связи системы управления подводного добычного комплекса имеют топологию системы одноранговая звезда и однократное горячее резервирование, реализованное за счет введения двух независимых каналов, каждый из которых имеет канал передачи данных и канал энергоснабжения. Применение топологии одноранговая звезда позволяет адаптировать систему к изменению конфигурации добычных скважин, а также уменьшить время опроса всех модулей управления береговым комплексом.
Береговой комплекс является аналогом промыслового объекта, указанного в патенте №2553757. Оборудование БК (1) обеспечивает управление и бесперебойное энергоснабжение, а также снабжение гидравлическим питанием исполнительных органов СУ ПДК.
На фиг. 2 приведена структурная схема электрической, оптической и гидравлической связей БК.
В состав БК СУ ПДК входят:
7 - наземный модуль обеспечения бесперебойного питания (НМОБП);
8 - наземный модуль обеспечения гидравлического питания (НМОГП;
9 - наземный модуль обеспечения электрического питания (НМОЭП);
10 - наземный модуль управления (НМУ);
11 - рабочая станция оператора (РСО).
БК работает следующим образом:
НМОБП (7) обеспечивает бесперебойное энергоснабжение СУ ПДК в течение определенного времени после отключения от центрального электропитания 380 В переменного тока, а также преобразует центральное электропитание в первичное напряжение 216 В для НМОЭП (9).
НМОГП (8) осуществляет гидравлическое питание исполнительных органов СУ ПДК, посредством подачи гидравлической энергии под требуемым давлением через гидравлические линии на ПМУ (5), который обеспечивает распределение гидравлических команд на исполнительные органы ПДК.
НМОЭП (9) обеспечивает преобразование первичного напряжения 216 В постоянного тока от НМОБП (7) в напряжение 3000 В переменного тока для дальнейшей передачи в подводную часть СУ ПДК на ПМР (2).
НМУ (10) является центром одноранговой звезды СУ ПДК по отношению подключения к ПМУ (5) и обеспечивает: информационный обмен с подводной частью СУ ПДК и оборудованием БК; последовательный опрос всех ПМУ, с выдачей команд на исполнительные органы и приемом информации со всех датчиков ПДК; двухсторонний обмен информации с РСО.
РСО (11) обеспечивает отображение оператору на экране монитора текущего состояния СУ ПДК в виде мнемосхем, выдачу команд на управление ПМУ (5), НМОБП (7), НМОГП (8), НМОЭП (9), выполнение диагностических работ оборудования СУ ПДК и предоставление оператору архивной информации.
На фиг. 3 приведена структурная схема электрических связей НМОБП (7).
В состав НМОБП входят:
12 - шкаф ввода;
13 - выпрямитель;
14 - аккумуляторная система;
15 - блок многофункциональный.
НМОБП работает следующим образом:
Шкаф ввода (12) обеспечивает распределение входного электропитания 380 В переменного тока на каналы электропитания 1 и 2. Позиции 13-15 на фигуре 3 дублируются для однократного резервирования НМОБП (7). Выпрямитель (13) преобразует входное напряжение 380 В переменного тока поступающее от шкафа ввода (12) в напряжение 216 В постоянного тока, которое блок многофункциональный (15) коммутирует на аккумуляторную систему (14) и электрическую нагрузку, подключенную к НМОБП (7). Аккумуляторная система (14) обеспечивает автономное электропитание подключенной к НМОБП (7) электрической нагрузки при отключении центрального электропитания. Организацию информационной связи с НМУ (10) и передачу диагностической информации в НМОБП по протоколу Modbus RTU RS485 обеспечивает блок многофункциональный (15).
На фиг. 4 приведена структурная схема электрической и гидравлической связей НМОГП.
В состав НМОГП входят:
16 - гидравлический бак;
17 - насос давления;
18 - блок автоматики и управления;
19 - преобразователь давления;
20 - гидроаккумулятор;
21 - фильтр;
22 - блок электромагнитных клапанов.
НМОГП работает следующим образом:
Блок автоматики и управления (18) по протоколу Modbus RTU RS485 принимает от НМУ (10) управляющие сигналы, формирует и передает на НМУ (10) сигналы состояния элементов НМОГП (8), распределяет входное электропитание 380 В переменного тока на насосы давления (17) и преобразует входное напряжение 220 В постоянного тока, поступающего от НМОБП (7) в напряжение 24 В постоянного тока питающее преобразователи давления (19).
Гидравлическая жидкость хранится в гидравлическом баке (16), который осуществляет функции накопления и приема гидравлической жидкости по обратной линии от ПМУ (5). Управление насосами (17) осуществляет блок автоматики и управления (19). Позиции 17, 19-22 на фигуре 4 дублируются для однократного резервирования НМОГП. Насосы (17) создают и поддерживают требуемое давление гидравлической жидкости в гидравлических линиях, поступающая от гидравлического бака (16). Преобразователи давления (19) определяют величину давления в гидравлических линиях НМОГП (8) и передают ее в виде данных в блок автоматики и управления (18) по протоколу Modbus RTU RS485. Для стабилизации и обеспечения требуемой величины давления в гидравлических линиях на время отключения насосов давления (17) в НМОГП используются гидроаккумуляторы (20). Для фильтрации гидравлической жидкости в гидравлических линиях используются фильтры (21).
Блок электромагнитных клапанов (22) управляется блоком автоматики и управления (18), он открывает или закрывает подачу гидравлической жидкости с требуемой величиной давления в гидравлическую линию в сторону ПМУ (5)
На фиг. 5 приведена структурная схема электрических связей НМОЭП (9).
В состав НМОЭП (9) входят:
23 - генератор;
24 - трансформатор.
Позиции 23, 24 на фиг. 5 дублируются для однократного резервирования НМОЭП.
Генератор (23) обеспечивает информационную связь НМОЭП (9) с НМУ (10) по протоколу Modbus RTU RS485, преобразует напряжение 216 В постоянного тока поступающее от НМОБП (7) в напряжение 128 В переменного тока для трансформатора (24). Трансформатор (24) преобразует напряжения 128 В переменного тока, поступающего от генератора в напряжение 3000 В переменного тока, предназначенного для электропитания ПМР (2).
На фигуре 6 приведена структурная схема электрической и оптической связей НМУ (10)
В состав НМУ (10) входят:
25 - сервер НМУ;
26 - рабочая станция инженера (РСИ).
Позиция 25 на фиг. 6 дублируется для однократного резервирования НМУ.
Сервер НМУ (25) обеспечивает: сбор и хранения информации о состоянии БК (1) и датчиков ПДК (6); передачу информации о текущем состоянии датчиков ПДК (6) по интерфейсу Ethernet на удаленные РСО (11); оперативный доступ к информации, собранной за заданный период времени; передачу команд управления сформированных оператором РСО (11) и РСИ (26) в НМОГП (8) по протоколу передачи данных Modbus RTU RS485.
РСИ (26) предназначена для:
- отображения на экране монитора информации о текущем состоянии диагностических параметров СУ ПДК;
- обеспечения оперативного доступа к информации, собранной за заданный период времени;
- обеспечения разграничения ролей доступа к органам управления и архивной информации обслуживающего персонала;
- формирования и передачи команд управления в ПМУ (5) по интерфейсу Ethernet;
- формирования и передачи команд управления в НМОГП (8) по протоколу передачи данных Modbus RTU RS485;
- настройки взаимодействия и работы всего оборудования СУ ПДК.
НМУ работает следующим образом:
ПМР (2) располагается на сборном манифольде ПДК и обеспечивает усиление и распределение оптического сигнала на линии, идущего к ПМУ (5) и БК(1). ПМР (2) осуществляет понижение входного напряжения 3000 В переменного тока до напряжения 600 В переменного тока и его распределение в линии энергообеспечения ПМУ. Единовременно к ПМР может подключаться n-ое количество ПМУ. Количество подключаемых ПМУ к ПМР ограничено мощностью НМОБП (7) и НМОЭП (9) и преобразователей ПМР. Конструктивно ПМР представляет собой герметичный сосуд цилиндрической формы, заполненный диэлектрической жидкостью.
На фиг. 7 приведена структурная схема электрической и оптической связей ПМР.
В состав ПМР входят:
27 - трансформатор 3000 В-600 В, предназначен для преобразования напряжения 3000 В переменного тока, поступающего от НМУ в напряжение 600 В переменного тока для ПМУ и напряжение 50 В переменного тока для питания контейнера электроники ПМР;
28 - контейнер электроники ПМР, предназначен для ретрансляции по двум каналам оптического сигнала, идущего от НМУ на ПМУ и в обратном направлении. Конструктивно представляет собой герметичный сосуд цилиндрической формы, заполненный инертным газом, рассчитанный на работу под высоким давлением.
Позиции 27 и 28 на фиг. 7 дублируются для однократного резервирования ПМР.
Электрические разветвители 3-1 - 3-N/2 и оптические разветвители 4-1 - 4-N/2 представляют собой пассивные устройства распределения электрического питания и оптических сигналов, соответственно. Оптический разветвитель разделяет оптический сигнал от ПМР на 4 линии, идущие к ПМУ. Электрические разветвители распределяют переменный ток, напряжением 600 В, на 4 ПМУ. Оптические и электрические разветвители устанавливаются на кустовых манифольдах, на расстоянии до 12 км от сборного манифольда.
Подводные модули управления (ПМУ) 5-1 - 5-N расположены на манифольдах, или фонтанных арматурах ПДК и обеспечивают распределение гидравлических команд на их задвижки, краны и дроссели, а также сбор и передачу данных с датчиков ПДК 6-1 - 6-N на береговой комплекс по оптической линии передачи данных (ВОЛС). Конструктивно ПМУ (2) представляет собой герметичный сосуд цилиндрической формы, заполненный диэлектрической жидкостью.
На фиг. 8 приведена структурная схема электрической, оптической и гидравлической связей подводного модуля управления.
В состав ПМУ входят:
29 - трансформатор 600 В-50 В;
30 - контейнер источника питания ПМУ (КИП ПМУ);
31 - контейнер электроники ПМУ (КЭ ПМУ;
32 - гидравлический блок.
Позиции 29-31 на фиг. 8 дублируются для однократного резервирования ПМУ.
ПМУ работают следующим образом:
От ПМР в трансформатор 600-50 (29) поступает 600 В переменного тока. Трансформатор 600-50 преобразует напряжение в 50 В переменного тока, которое поступает на КИП ПМУ (30). КИП ПМУ преобразует поступающее напряжение 50 В переменного тока в 24 В постоянного тока, для КЭ ПМУ (31) и датчиков ПДК (6).
КЭ ПМУ (31) принимает по оптической линии передачи данных от НМУ (10) управляющие сигналы на формирование команд гидравлического блока (32). Гидравлический блок (32) по команде, поступающей от контейнера электроники (32), коммутирует расположенные в нем электромагнитные клапаны, тем самым распределяет поступающую на входные гидравлические линии ПМУ (5) гидравлическую жидкость на выходные гидравлические линии, которые соединены с управляющими органами ПДК. КЭ ПМУ (31) производится распределение электропитания в виде напряжения 24 В постоянного тока на гидравлический блок (32), сбор данных с датчиков ПДК 6-1 - 6-N и гидравлического блока (32) и передача собранных данных на БК (1) по протоколам обмена данных RS485 и CAN.
Конструктивно КИП ПМУ (30) и КЭ ПМУ (31) представляют собой герметичный сосуд цилиндрической формы, заполненный инертным газом, рассчитанный на работу под высоким давлением.
Датчики ПДК (6) представляют собой измерительные преобразователи параметров подводного добычного комплекса в виде пакета данных стандартов RS485, CAN и др., размещенные в защищенном герметичном корпусе для применения в подводных условиях.
Оборудование представленной СУ ПДК было реализовано в рамках ОКР СУ ПДК, проведены испытания с положительным результатом.
Достигаемый технический результат СУ ПДК заключается в повышении надежности, за счет однократного резервирования и повышении адаптивности к изменению конфигурации расположения добычных скважин за счет топологии одноранговой звезды, при одновременном упрощении системы энергообеспечения за счет использования переменного тока в линии электропередачи для питания подводных модулей управления.
Таким образом заявлена СУ ПДК, содержащая береговой комплекс, подводный модуль распределения, оптические и электрические разветвители, датчики на скважинах, соединенные между собой оптической, электрической и гидравлической связями, при этом подводный модуль распределения обеспечивает усиление и распределение оптического сигнала. СУ ПДК построена по топологии одноранговая звезда, имеет однократное горячее резервирование в виде двух независимых каналов, каждый из которых имеет канал передачи данных и канал энергоснабжения на основе переменного тока, а также содержит подводные модули управления, соединенные с подводным модулем распределения через разветвители.
Литература
BS EN ISO 13628-Part 6.