水下全电采油树紧急备用控制系统的制作方法

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种水下全电采油树紧急备用控制系统。

背景技术：

水下采油树是水下生产系统最重要的设备之一，在控制油井生产、调节出油产量等方面起着至关重要的作用，其性能好坏直接决定整个水下生产系统运行的状态和油气井的开采成本。按照控制方式，水下采油树先后经历了直接液压控制采油树、先导液压控制采油树、顺序液压控制采油树、直接电液控制采油树、电液复合控制采油树，以及最为前沿的水下全电采油树。与传统的水下液压型采油树相比，水下全电采油树具有以下优点：结构紧凑、重量轻；没有液压系统、可靠性高；脐带缆内不包含液压管线，节省生产和安装费用；可实现实时和超远距离控制；控制系统更容易维护和更新。

水下全电采油树控制系统可以完成水下全电采油树的控制。然而，当发生平台起火爆炸、动力电缆中断、核心处理器子系统完全失效等紧急情况时，水下全电采油树控制系统无法控制水下全电采油树。因此，开发一套独立于水下全电采油树控制系统的水下全电采油树紧急备用控制系统显得尤为必要。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种水下全电采油树紧急备用控制系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

水下全电采油树紧急备用控制系统，包括：水面移动式备用控制单元、水面水声换能模块、水下水声换能模块、水下备用控制单元、水下机械手臂和水下阀门备用操作手柄；其中，水下备用控制单元，包括：水下备用核心处理器模块、机械手臂多轴运动控制模块、水下充电锂电池组和机械手臂电动机驱动器组；水下备用核心处理器模块与核心处理器子系统通过电缆相连，实时读取核心处理器子系统上的水下全电采油树状态数据。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：当发生平台起火爆炸、动力电缆中断、核心处理器子系统完全失效等紧急情况，水下全电采油树控制系统无法控制水下全电采油树时，可以采用水下全电采油树紧急备用控制系统关闭水下全电采油树的水下阀门，实现安全关井，提高海洋石油开发的安全性。

附图说明

图1是水下全电采油树系统示意图；

图2是附带紧急备用控制系统的水下全电采油树系统示意图；

图中，101、中央控制单元，102、水下动力与控制模块，103、监控计算机，104、动力发送模块，105、平台通讯模块，106、动力接收模块，107、水下通讯模块，108、核心处理器子系统，109、多轴运动控制器子系统，110、数据采集与处理器子系统，111、电动机驱动器组，112、化学药剂注入阀，113、生产主阀，114、生产翼阀，115、转换阀，116、环空主阀，201、水面移动式备用控制单元，202、水面水声换能模块，203、水下水声换能模块，204、水下备用控制单元，205、水下机械手臂，206、水下备用核心处理器模块，207、机械手臂多轴运动控制模块，208、水下充电锂电池组，209、机械手臂电动机驱动器组，210、水下阀门备用操作手柄。

具体实施方案

如图1所示，水下全电采油树系统，包括：水下全电采油树和水下全电采油树控制系统。

水下全电采油树，包括：树帽连接器、采油树树体、采油树连接器、一号管线连接器、二号管线连接器、化学药剂注入阀112、生产主阀113，生产翼阀114、转换阀115、环空主阀116、温度-压力一体化变送器和管线。采油树树体，经过生产主阀113和转换阀115与一号管线连接器相连通，经过生产主阀113和生产翼阀114与二号管线连接器相连通，经过环空主阀116与一号管线连接器相连通，还与化学药剂注入阀112直接连通；化学药剂注入阀112、生产主阀113，生产翼阀114、转换阀115和环空主阀116具有相同的结构，均包括：阀门、滚珠丝杠与阀杆机构、复位弹簧和永磁同步电动机。永磁同步电动机通过滚珠丝杠与阀杆机构驱动阀门打开或者关闭，从而完成原油从井口到不同出油管线的输送、化学药剂注入和安全生产关断；当永磁同步电动机发生故障无法关闭阀门时，复位弹簧推动阀门关闭，起到“失效安全”的作用。水下全电采油树的管线上还安装有温度-压力一体化变送器，用于检测管线内油液的温度和压力。

水下全电采油树控制系统，包括：中央控制单元101和水下动力与控制模块102；中央控制单元101位于海洋石油平台上，水下动力与控制模块102安装在海底的水下全电采油树上，二者通过动力电缆和光纤以太网相连接。中央控制单元101，包括：监控计算机103、动力发送模块104和平台通讯模块105。水下动力与控制模块102，包括：动力接收模块106、水下通讯模块107、核心处理器子系统108、多轴运动控制器子系统109、数据采集与处理器子系统110和电动机驱动器组111；核心处理器子系统108由四台核心处理器组成，多轴运动控制器子系统109由两台多轴运动控制器组成，数据采集与处理器子系统110由三台数据采集与处理器组成，电动机驱动器组111由五台永磁同步电动机驱动器组成。

平台操作人员在监控计算机103上发出控制命令后，水下动力与控制模块102内的核心处理器子系统108对上述控制命令，以及数据采集与处理器子系统110反馈的传感器信息，进行综合处理，通过多轴运动控制器子系统109控制水下全电采油树上的永磁同步电动机，实现阀门的打开和关闭；当中央控制单元101和水下动力与控制模块102失去联系、无法通讯时，核心处理器子系统108按照预先编写的程序关闭水下全电采油树的阀门，确保油气生产安全。

如图2所示，水下全电采油树紧急备用控制系统，包括：水面移动式备用控制单元201、水面水声换能模块202、水下水声换能模块203、水下备用控制单元204、水下机械手臂205和水下阀门备用操作手柄210；其中，水下备用控制单元204，包括：水下备用核心处理器模块206、机械手臂多轴运动控制模块207、水下充电锂电池组208和机械手臂电动机驱动器组209。

水面移动式备用控制单元201位于海洋石油平台或者备用船只上，通过电缆与水面水声换能模块202相连，用于操作人员发出控制命令信号，控制水下机械手臂205。

水面水声换能模块202放置到海平面以下浸泡在海水中，用于将水面移动式备用控制单元201发出的电信号转换成声波信号，并传送给水下水声换能模块203。

水下水声换能模块203和水下备用控制单元204均安装在水下全电采油树上。

水下水声换能模块203与水下备用控制单元204内的水下备用核心处理器模块206通过电缆相连，用于接收水面水声换能模块202发出的声波信号，并转换成电信号，传送给水下备用核心处理器模块206。

水下备用核心处理器模块206与机械手臂多轴运动控制模块207通过电缆相连，还与核心处理器子系统108通过电缆相连；水下备用核心处理器模块206实时读取核心处理器子系统108上的水下全电采油树状态数据，综合处理水面移动式备用控制单元201发出的命令信号，并将控制命令传输给机械手臂多轴运动控制模块207。

机械手臂多轴运动控制模块207通过电缆分别与机械手臂电动机驱动器组209内的六台永磁同步电动机驱动器d1、d2、d3、d4、d5和d6相连，这六台电动机再分别通过电缆与水下机械手臂205上的六台永磁同步电动机m1、m2、m3、m4、m5和m6相连；机械手臂多轴运动控制模块207通过机械手臂电动机驱动器组209驱动六台永磁同步电动机协调转动，实现水下机械手臂205的运动控制。

水下充电锂电池组208通过电缆与动力接收模块106相连，还通过电缆与水下备用核心处理器模块206、机械手臂多轴运动控制模块207和机械手臂电动机驱动器组209相连；电缆与动力接收模块106给水下充电锂电池组208充电，水下充电锂电池组208为水下备用核心处理器模块206、机械手臂多轴运动控制模块207和机械手臂电动机驱动器组209提供电力。

水下机械手臂205安装在水下全电采油树上，包括三个旋转关节和三个屈伸关节，永磁同步电动机m1、m3和m6控制关节旋转运动，永磁同步电动机m2、m4和m5控制关节的屈伸运动；水下机械手臂205上的夹具可以夹住水下阀门备用操作手柄210，实现手柄的转动。

五套水下阀门备用操作手柄210分别安装在化学药剂注入阀112、生产主阀113，生产翼阀114、转换阀115和环空主阀116上，分别与上述水下阀门的滚珠丝杠与阀杆机构通过联轴器连接，旋转水下阀门备用操作手柄210，可以带动滚珠丝杠与阀杆机构运动，从而实现水下阀门的手动打开和关闭。

当发生平台起火爆炸、动力电缆中断、核心处理器子系统完全失效等紧急情况，水下全电采油树控制系统无法控制水下全电采油树时，采用水下全电采油树紧急备用控制系统关闭水下全电采油树的水下阀门，实现安全关井，即操作人员在水面移动式备用控制单元201上发出控制命令信号，水面水声换能模块202将电信号转换成声波信号，传送给水下水声换能模块203，水下水声换能模块203再将声波信号转换成电信号，传送给水下备用核心处理器模块206，水下备用核心处理器模块206通过机械手臂多轴运动控制模块207和机械手臂电动机驱动器组209控制水下机械手臂205上的永磁同步电动机，实现水下机械手臂205的多自由度运动，从而控制水下机械手臂205的夹具夹持并旋转化学药剂注入阀112、生产主阀113、生产翼阀114、转换阀115和环空主阀116上的水下阀门备用操作手柄210，实现水下阀门的打开和关闭，保证油气生产安全。