南海深水气田水下控制系统通信链路分析与应用

郭　骏，林影炼，郝伟修，刘太元，胡夏琦

(中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519050)



南海深水气田水下控制系统通信链路分析与应用

郭骏，林影炼，郝伟修，刘太元，胡夏琦

(中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519050)

以南海深水气田开发工程为背景，介绍了光纤通信系统在水下油气田开发中的应用，并以该项目的模拟仿真实验结果及实际应用效果为依据，对光纤链路传输的结构与连接方式进行了详细分析，为今后同类工程中使用光纤作为通信方式的水下油气生产控制系统提供了实践参考。

水下路由模块；水下生产系统；水下控制模块；南海深水气田；光纤

由中海油与国外合作者合作开发的南海深水气田，是中国第1个投入开发的深水气田。其位于中国南海珠江口盆地，区块面积约为4 000 km2。该气田距香港约320 km，海域水深1 350～1 500 m。气田开发模式为长距离水下回接开发模式，位于1 350～1 500 m水深处的水下井口产出的油气，由海底管道汇集到管道终端管汇(PLEM)后，通过约76 km深水海底管道输送至位于200 m水深处的固定平台，并分离、脱水、处理和增压后，经约270 km浅水外输海底管道，送往陆地终端气体处理厂，实现向用户供气[1]。南海深水气田开发模式如图1所示。

图1　南海深水气田开发模式

1　南海深水气田水下控制系统

南海深水气田水下生产控制系统采用传统电液复合控制方式，由安装在中心平台的上部控制系统和水下控制系统两部分组成。水上控制系统主要包括主控站(MCS)、供电单元(EPU)、电力与通信单元(SPCU)、液压动力单元(HPU)和不间断电源(UPS)等；水下控制系统主要包括水下控制模块(SCM)、水下监控模块(SMM)、水下路由模块(SRM)、水下分配单元(SDH)、位于水下采油树、管汇和水下管道终端管汇(PLEM)的传感器及阀门等。整个控制系统的上部子系统与水下子系统通过脐带缆连接，完成整个系统的整合，从而实现对整个水下生产系统的控制、监控与数据采集，保障深水油气田的安全运行[2]。

南海深水气田采用水下生产系统长距离回接至浅水平台的开发模式，3个水下生产系统是丛式开发模式，即西部管汇、东部管汇和管道终端管汇(PLEM)接受井流，最后通过管道终端管汇(PLEM)输送至中心平台。南海深水气田主干脐带缆首先由中心平台直接连接到深水区域的水下分配单元(SDH)，然后通过支干脐带缆分别连接到西部管汇和管道终端管汇(PLEM)，而采油树均通过飞缆与管汇连接。南海深水气田水下控制系统连接总图如图2所示。

图2　南海深水气田水下控制系统连接总图

控制和电力信号通过脐带缆从中心平台到达水下控制模块(SCM)和水下监控模块(SMM)，水下控制模块(SCM)安装于水下采油树和管汇上，用于液压控制和调节井口开度，同时井下温度、压力和第三方仪表数据(如乙二醇、防垢剂、甲醇注入阀、测沙仪、腐蚀监测和湿气流量计等)也将通过水下控制模块(SCM)进行读取。3套水下监控模块(SMM)安装位于东部管汇、西部管汇和流花34-2结构物中，用于海管的腐蚀监测。

中心平台水下控制系统采用标准化通信接口，通过工业以太网的组网形式连接3个不同层级的控制网，其中包括中心平台工艺生产过程(PCS)控制网络、OPC网络和水下生产控制网络。标准化的通信接口有利于第三方设备的接入，使得整个水下生产控制系统的可扩展性大大增强[3]。南海深水气田水下系统组网形式如图3所示。

图3　南海深水气田水下生产系统组网形式

2　电力载波与光纤通信对比分析

电力线载波通信是一种采用电力线传输数据的通信方式，它将载有信息的高频信号加载到电力线上，利用电力线进行数据传输，通过专用的电力线调制/解调器将高频信号从电力线上分离出来，传送到终端设备[4]。其特点是不需要增加控制电缆， 只要有电线， 就能进行数据传输， 这样可以节约脐带缆的成本，但是该技术在电力线上传输信号衰减大，传输速率慢；因此，该技术只适用于规模较小以及井口分布较近的开发工程[5]。

随着光纤技术的飞速发展，光纤开始逐步应用到深水油气田的控制系统中，其特点是长传输距离、高带宽、实时监控、低衰减及受电磁干扰小等，适用于长距离、大规模的井口开发工程。对于南海深水气田这种开发规模大，脐带缆长度达到约100 km，涉及20多口井的监测与控制的开发工程，宜采用光纤传输系统。通过类似水下油气田控制系统通信链路的对比(见表1)，更能体现出光纤系统在水下远距离通信的优势，特别是在传输速率方面，光纤传输速率是传统电力载波的千倍以上。

表1　电力载波和光纤方式对比表

3　南海深水气田水下控制系统光纤链路分析

南海深水气田主干脐带缆路由分为2个部分：第1部分为由平台到水下分配节点(Subsea Distribution Assembly，SDA)，其中水下分配节点(SDA)预留了LH29-1的脐带缆接口；第2部分为下分配节点(SDA)到水下分配单元(Subsea Distribution Hub，SDH)。主干脐带缆光纤采用4束，每束为16根光芯的结构。其中水下分配单元(SDH)为关键分配节点，从水下分配单元(SDH)到水下管道终端管汇(PLEM)、东/西部管汇及LH34-2采用了支干脐带缆的路由形式，分别从水下分配单元(SDH)2束光纤中分配8根光纤，并通过光飞缆(OFL)跳接到管汇、水下管道终端管汇(PLEM)及LH34-2。脐带缆光纤分配如图4所示。

图4　南海深水气田水下生产系统光纤分配图

开放式架构水下生产控制系统使用光纤作为通信介质，采用标准和透明的工业以太网通信协议和数据管理模型很好地解决了通信带宽和传输的瓶颈，将主控站(MCS)和水下控制模块(SCM)从繁重的数据传输和网络管理任务中解放出来，完全用于水下生产系统的控制，大大提高了整个控制系统性能。南海深水水下系统采用水下路由模块(Subsea Router Module, SRM)作为传输核心节点，该模块是集合了供电、光信号交换、数字用户线路(DSL)通信调制解调和分配控制信息处理于一体的控制模块，并用于连接水下控制模块(SCM)与主控站(MCS)间的数据传输。由此可见，整个控制系统传输以水下路由器模块(SRM)为数据中转核心，每个水下控制模块(SCM)均配置单独IP地址，通信协议采用标准的TCP/IP协议，组成了一个开放式的局域网。

图5　SRM外观图

路由器模块(SRM)与水下控制模块(SCM)间的连接采用电力载波形式，通信采用了数字用户线路技术(Digital Subscriber Line， DSL)。该技术可以在普通双绞线上提供对称的上下行传输速率最高可达192 kb/s的数据流；水下路由器模块(SRM)与主控站(MCS)间的通信通过光纤以太网传输，传输速率可达100 Mb/s。水下路由器模块(SRM)外观图如图5所示。

4　光纤链路模拟仿真分析

本次链路模拟分析采用MATLAB/Simulink R2006b，并选取最具有代表性的LH34-2进行。从脐带缆列表可知，中心平台主控站(MCS)到LH34-2水下路由器模块(SRM)的距离为105 km。光纤链路的计算基于光纤接头的最大及最小衰减，脐带缆中光纤的衰减系数与光交换接口可接受的光损耗相结合。据统计，光纤链路共有15个光接头，9个接合点，光交换设备可接受最低电平为38 dB，采用了单模1 550 nm波长的光纤进行模拟分析。从模拟仿真结果可以见证，最大光衰减为31.84 dB，小于设备可接受的38 dB，整个系统设计完全满足工况需要。随着项目于2014年初投产，在生产实践中也证明了该控制链路完全符合生产控制需求，可为今后类似项目提供实践参考。衰减情况分析及模拟仿真结果分别见表2和表3。

表2　衰减情况表

表3　模拟仿真结果　(dB)

5　结语

开放式架构水下控制系统是水下控制系统标准化的体现，它的应用加速了水下生产控制系统的发展。光纤的加入极大地提升了水下开放式控制系统的传输速率。水下系统可以回接的距离更长，系统可以采用高带宽的仪表设备，如分布式温度检测系统及水下摄像机等。许多新型的水下仪表不再因为产生的数据量过大和要求高带宽而无法得到应用。在水下生产系统功能得到极大提升的同时，整个水下生产系统的功能性与可靠性也得到了增强。基于光纤的开放式水下控制系统将在未来海洋深水水下生产系统中发挥越来越重要的作用[6]。

[1] 曹静．荔湾3-1气田水下设施布置设计中的一些考虑[J]．中国造船，2010，51(2)：246-254．

[2] 杨洪庆，周斌，邵奎志，等．水下控制系统设计研究[J]．中国造船，2012，53(1)：97-100．

[3] 刘太元，郭宏，闫嘉钰．基于光纤的开放式架构水下生产控制系统研究及应用[J]．化工自动化及仪表，2011，39(2)：209-211．

[4] 苏锋，刘鸿雁，王强． 电力/信号传输技术在水下生产系统的应用[J]． 石油化工自动化，2008(5)：29-31．

[5] 周美珍，张维庆，程寒生．水下生产控制系统的比较与选择[J]．中国海洋平台，2007，22(6)：47-48．

[6] 刘太元，霍成索，李清平，等．水下生产系统在我国南海深水油气田开发的应用与挑战[J]．中国工程科学，2015，17(1)：51-55．

责任编辑郑练

Design and Application of Subsea Control System Communication Link in South China Sea Gas Field

GUO Jun, LIN Yinglian, HAO Weixiu, LIU Taiyuan, HU Xiaqi

(CNOOC Deepwater Development Co. Ltd., Zhuhai 519050, China)

Base on the South China Sea project , introduce the application of fiber optic system in subsea production development. Base on the simulation results and first gas results, give a detail analysis to the principle, composition and control mode of the fiber optic system. This work will also help build a practice for new projects in fiber optic for subsea production system.

subsea router module, subsea production system, subsea control module, South China Sea gas field, fiber optic

TE95

B

郭骏(1978-)，男，大学本科，主要从事海洋工程开发信息化等方面的研究。

2015-12-18