在石油和天然气水下生产系统中,水下“圣诞树”安装在井口。每棵采油树通过多个工艺阀门控制各自油井的油气产量。每个工艺阀门都是由海底阀门执行器(SVA)驱动的,该执行器必须能够在各种操作状态下安全关闭阀门,即使是在电源故障期间。

图1所示。一种混合水下阀门执行器的新概念,在一个紧凑的单元中结合了电动机械和电动液压,用于深海应用。

对海底生产系统的要求非常高。对于生产石油和天然气的水下系统来说,操作的有效性和安全性尤为重要,以保护人员和环境。此外,保护海洋不受传统特别提款权使用的液压油处置所造成的污染,现在也成为一个关键的优先事项。

混合上海广电新概念结合了机电和水中放电法等深海应用程序在一个紧凑的单位2”的操作闸阀(图1)。该混合上海广电SIL3设计用于满足安全要求,承受外部压力高达300酒吧在海水环境中,消耗高达75%的能源,并在25年的寿命中每天24小时运行,有限的维护可能性。

具有液压驱动的自包含轴

最近开发的股东价值分析提供了一种节能和安全的替代以前使用传统的液压或机电致动器,打开和关闭闸阀(图2)。用自己的封闭的流体混合股东价值分析是独立的模块电路包含几公升的环境友好的液压油。一个变速电机驱动一个耐用的液压泵,产生所需的流量驱动液压缸。油缸杆与井闸阀杆机械连接,根据需要开启或关闭闸阀杆。

图2。最近开发的水下阀门执行机构提供了一种高效、安全的替代方案,例如,以前使用传统的液压或机电执行机构来开启和关闭闸阀。

SVA内部有一个机械弹簧的安全阀,确保在电源故障时,钢瓶也能安全地缩回到故障安全位置,而不需要外部电源或电池。此外,水下机器人可以通过超驰装置在外部驱动气缸。传动系的所有关键部件都是冗余安装的。总之,sva通过冗余控制、故障安全弹簧和外部干预选项提供了不同层次的安全性。

混合SVA的好处是显而易见的,当解决方案与当前状态的执行器技术。全球使用的绝大多数水下驱动器仍然基于传统的水力学。在过去的50年里,这种常见的结构已经证明了它的耐久性和长期安全性。然而,由于传统的液压系统通常需要在上部安装大型的中央液压动力装置(hpu),作业人员希望减少管理井阀的工作量。它们通过管线(即脐带缆)和长达数公里的跳线为井阀执行器提供流体。在3000米的工作深度,仅在管道中就可以积累几百升的液体。此外,传统的设置需要额外的液压蓄能器和换向阀来控制和指挥驱动。

作为替代方案,设备供应商试图设计纯机电解决方案。它们只需要通过电源线提供,并通过数据线连接到位于上部或海底的执行器控制模块(ACM)。然而,由于他们没有外部机械干预调整的选择,机电解决方案有安全相关的缺点。由于它们的功率密度比液压系统低,它们还需要更大的外壳和电池。这种设计导致高摩擦,造成动力传输的机械磨损,减少所需的25年运行周期。由于这些原因,当需要故障安全紧急关闭时,机电解决方案在水下应用中处于极其不利的地位。

减少75%的能源消耗

混合SVA结合了液压和机电解决方案的优点,并消除了现有的缺点。分散式独立流体回路意味着不再需要上部HPU、水下液压控制模块和长达一公里的脐带管线。SVA需要按照水下仪器接口标准化(SIIS)的要求提供电源和数据线,类似于机电致动器。

在运行过程中,一个高效的固定排量/变量旋转液压泵产生流量来驱动低摩擦缸。简化了液压系统,因为不需要比例阀,这大大提高了能源效率。与纯机电致动器相比,sva在峰值性能时消耗的功率降低了75%。

考虑到用于运营海底油田的所有执行器,与使用机电执行器相比,仅电力基础设施(电缆、变压器、变频器等)就可以节省大量成本。例如(图3)。驱动液压泵的电机可以配置得更小,但与执行器具有相同的调整力,这反过来又节省了安装空间和成本。用电动脐带管替代液压脐带管还可以实现更多的成本节约,而且不需要处理传统液压执行器所需要的液压油。

图3。考虑到用于运营海底油田的所有执行器,例如,与使用机电执行器相比,使用混合水下阀门执行器可以为电力基础设施(电缆、变压器、变频器等)节省大量成本。

此外,SVA还提供状态监测功能,内置传感器技术可以连续记录执行器内的运行状态,并将其报告给更高级别的主控制器。然后可以分析趋势,从而及早发现和解决偏差。

工业应用的成熟技术

SVA的工作原理来自于工业应用中经常发现的自包含轴的公认使用。SVA的单个组件是在质量管理体系下大规模生产的,比如在工业机器中使用的组件。这种标准化降低了成本,并为生产创建了长期可用性。此外,SVA中使用的传感器和电子设备在汽车应用中已经证明了其可靠性。如有需要,还对这些部件进行了改进,使其能够在6000米以下的深海中使用。该系统和核心部件还可以满足不同船级社对海洋、海上和海底使用的特殊要求。

在SVA中,由于冗余压力补偿系统,每个深度都有两个超压棒。这可以防止盐水金博宝app下载金的渗入,并且需要压力中性设计的大型外壳。除了标准要求,只有海底额定布线和连接是在轴内使用。所有非海底额定的电气元件也都采用耐压部件进行机械和电气封装。

与领先的设备供应商和运营商密切合作,最新的模拟技术被用于创建概念验证和原型,用于现场试验。这种创新的驱动技术结合了机电和液压的优点,以确保海底的运动控制安全可靠,有助于实现“全海底工厂”的愿景。

本文由博世力士乐公司(Plymouth, MI)海洋与海底技术主管Alexandre Orth博士和测试工程师Amadeu Placido Neto撰写。欲了解更多信息,请访问在这里


运动设计杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年6月号运动设计杂志。

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