本發(fā)明屬于石油工程領域，具體地，涉及一種水下全電采油樹緊急備用控制系統(tǒng)。

背景技術：

水下采油樹是水下生產(chǎn)系統(tǒng)最重要的設備之一，在控制油井生產(chǎn)、調(diào)節(jié)出油產(chǎn)量等方面起著至關重要的作用，其性能好壞直接決定整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)運行的狀態(tài)和油氣井的開采成本。按照控制方式，水下采油樹先后經(jīng)歷了直接液壓控制采油樹、先導液壓控制采油樹、順序液壓控制采油樹、直接電液控制采油樹、電液復合控制采油樹，以及最為前沿的水下全電采油樹。與傳統(tǒng)的水下液壓型采油樹相比，水下全電采油樹具有以下優(yōu)點：結構緊湊、重量輕；沒有液壓系統(tǒng)、可靠性高；臍帶纜內(nèi)不包含液壓管線，節(jié)省生產(chǎn)和安裝費用；可實現(xiàn)實時和超遠距離控制；控制系統(tǒng)更容易維護和更新。

水下全電采油樹控制系統(tǒng)可以完成水下全電采油樹的控制。然而，當發(fā)生平臺起火爆炸、動力電纜中斷、核心處理器子系統(tǒng)完全失效等緊急情況時，水下全電采油樹控制系統(tǒng)無法控制水下全電采油樹。因此，開發(fā)一套獨立于水下全電采油樹控制系統(tǒng)的水下全電采油樹緊急備用控制系統(tǒng)顯得尤為必要。

技術實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術存在的缺陷，本發(fā)明提供一種水下全電采油樹緊急備用控制系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

水下全電采油樹緊急備用控制系統(tǒng)，包括：水面移動式備用控制單元、水面水聲換能模塊、水下水聲換能模塊、水下備用控制單元、水下機械手臂和水下閥門備用操作手柄；其中，水下備用控制單元，包括：水下備用核心處理器模塊、機械手臂多軸運動控制模塊、水下充電鋰電池組和機械手臂電動機驅動器組；水下備用核心處理器模塊與核心處理器子系統(tǒng)通過電纜相連，實時讀取核心處理器子系統(tǒng)上的水下全電采油樹狀態(tài)數(shù)據(jù)。

相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果如下：當發(fā)生平臺起火爆炸、動力電纜中斷、核心處理器子系統(tǒng)完全失效等緊急情況，水下全電采油樹控制系統(tǒng)無法控制水下全電采油樹時，可以采用水下全電采油樹緊急備用控制系統(tǒng)關閉水下全電采油樹的水下閥門，實現(xiàn)安全關井，提高海洋石油開發(fā)的安全性。

附圖說明

圖1是水下全電采油樹系統(tǒng)示意圖；

圖2是附帶緊急備用控制系統(tǒng)的水下全電采油樹系統(tǒng)示意圖；

圖中，101、中央控制單元，102、水下動力與控制模塊，103、監(jiān)控計算機，104、動力發(fā)送模塊，105、平臺通訊模塊，106、動力接收模塊，107、水下通訊模塊，108、核心處理器子系統(tǒng)，109、多軸運動控制器子系統(tǒng)，110、數(shù)據(jù)采集與處理器子系統(tǒng)，111、電動機驅動器組，112、化學藥劑注入閥，113、生產(chǎn)主閥，114、生產(chǎn)翼閥，115、轉換閥，116、環(huán)空主閥，201、水面移動式備用控制單元，202、水面水聲換能模塊，203、水下水聲換能模塊，204、水下備用控制單元，205、水下機械手臂，206、水下備用核心處理器模塊，207、機械手臂多軸運動控制模塊，208、水下充電鋰電池組，209、機械手臂電動機驅動器組，210、水下閥門備用操作手柄。

具體實施方案

如圖1所示，水下全電采油樹系統(tǒng)，包括：水下全電采油樹和水下全電采油樹控制系統(tǒng)。

水下全電采油樹，包括：樹帽連接器、采油樹樹體、采油樹連接器、一號管線連接器、二號管線連接器、化學藥劑注入閥112、生產(chǎn)主閥113，生產(chǎn)翼閥114、轉換閥115、環(huán)空主閥116、溫度-壓力一體化變送器和管線。采油樹樹體，經(jīng)過生產(chǎn)主閥113和轉換閥115與一號管線連接器相連通，經(jīng)過生產(chǎn)主閥113和生產(chǎn)翼閥114與二號管線連接器相連通，經(jīng)過環(huán)空主閥116與一號管線連接器相連通，還與化學藥劑注入閥112直接連通；化學藥劑注入閥112、生產(chǎn)主閥113，生產(chǎn)翼閥114、轉換閥115和環(huán)空主閥116具有相同的結構，均包括：閥門、滾珠絲杠與閥桿機構、復位彈簧和永磁同步電動機。永磁同步電動機通過滾珠絲杠與閥桿機構驅動閥門打開或者關閉，從而完成原油從井口到不同出油管線的輸送、化學藥劑注入和安全生產(chǎn)關斷；當永磁同步電動機發(fā)生故障無法關閉閥門時，復位彈簧推動閥門關閉，起到“失效安全”的作用。水下全電采油樹的管線上還安裝有溫度-壓力一體化變送器，用于檢測管線內(nèi)油液的溫度和壓力。

水下全電采油樹控制系統(tǒng)，包括：中央控制單元101和水下動力與控制模塊102；中央控制單元101位于海洋石油平臺上，水下動力與控制模塊102安裝在海底的水下全電采油樹上，二者通過動力電纜和光纖以太網(wǎng)相連接。中央控制單元101，包括：監(jiān)控計算機103、動力發(fā)送模塊104和平臺通訊模塊105。水下動力與控制模塊102，包括：動力接收模塊106、水下通訊模塊107、核心處理器子系統(tǒng)108、多軸運動控制器子系統(tǒng)109、數(shù)據(jù)采集與處理器子系統(tǒng)110和電動機驅動器組111；核心處理器子系統(tǒng)108由四臺核心處理器組成，多軸運動控制器子系統(tǒng)109由兩臺多軸運動控制器組成，數(shù)據(jù)采集與處理器子系統(tǒng)110由三臺數(shù)據(jù)采集與處理器組成，電動機驅動器組111由五臺永磁同步電動機驅動器組成。

平臺操作人員在監(jiān)控計算機103上發(fā)出控制命令后，水下動力與控制模塊102內(nèi)的核心處理器子系統(tǒng)108對上述控制命令，以及數(shù)據(jù)采集與處理器子系統(tǒng)110反饋的傳感器信息，進行綜合處理，通過多軸運動控制器子系統(tǒng)109控制水下全電采油樹上的永磁同步電動機，實現(xiàn)閥門的打開和關閉；當中央控制單元101和水下動力與控制模塊102失去聯(lián)系、無法通訊時，核心處理器子系統(tǒng)108按照預先編寫的程序關閉水下全電采油樹的閥門，確保油氣生產(chǎn)安全。

如圖2所示，水下全電采油樹緊急備用控制系統(tǒng)，包括：水面移動式備用控制單元201、水面水聲換能模塊202、水下水聲換能模塊203、水下備用控制單元204、水下機械手臂205和水下閥門備用操作手柄210；其中，水下備用控制單元204，包括：水下備用核心處理器模塊206、機械手臂多軸運動控制模塊207、水下充電鋰電池組208和機械手臂電動機驅動器組209。

水面移動式備用控制單元201位于海洋石油平臺或者備用船只上，通過電纜與水面水聲換能模塊202相連，用于操作人員發(fā)出控制命令信號，控制水下機械手臂205。

水面水聲換能模塊202放置到海平面以下浸泡在海水中，用于將水面移動式備用控制單元201發(fā)出的電信號轉換成聲波信號，并傳送給水下水聲換能模塊203。

水下水聲換能模塊203和水下備用控制單元204均安裝在水下全電采油樹上。

水下水聲換能模塊203與水下備用控制單元204內(nèi)的水下備用核心處理器模塊206通過電纜相連，用于接收水面水聲換能模塊202發(fā)出的聲波信號，并轉換成電信號，傳送給水下備用核心處理器模塊206。

水下備用核心處理器模塊206與機械手臂多軸運動控制模塊207通過電纜相連，還與核心處理器子系統(tǒng)108通過電纜相連；水下備用核心處理器模塊206實時讀取核心處理器子系統(tǒng)108上的水下全電采油樹狀態(tài)數(shù)據(jù)，綜合處理水面移動式備用控制單元201發(fā)出的命令信號，并將控制命令傳輸給機械手臂多軸運動控制模塊207。

機械手臂多軸運動控制模塊207通過電纜分別與機械手臂電動機驅動器組209內(nèi)的六臺永磁同步電動機驅動器d1、d2、d3、d4、d5和d6相連，這六臺電動機再分別通過電纜與水下機械手臂205上的六臺永磁同步電動機m1、m2、m3、m4、m5和m6相連；機械手臂多軸運動控制模塊207通過機械手臂電動機驅動器組209驅動六臺永磁同步電動機協(xié)調(diào)轉動，實現(xiàn)水下機械手臂205的運動控制。

水下充電鋰電池組208通過電纜與動力接收模塊106相連，還通過電纜與水下備用核心處理器模塊206、機械手臂多軸運動控制模塊207和機械手臂電動機驅動器組209相連；電纜與動力接收模塊106給水下充電鋰電池組208充電，水下充電鋰電池組208為水下備用核心處理器模塊206、機械手臂多軸運動控制模塊207和機械手臂電動機驅動器組209提供電力。

水下機械手臂205安裝在水下全電采油樹上，包括三個旋轉關節(jié)和三個屈伸關節(jié)，永磁同步電動機m1、m3和m6控制關節(jié)旋轉運動，永磁同步電動機m2、m4和m5控制關節(jié)的屈伸運動；水下機械手臂205上的夾具可以夾住水下閥門備用操作手柄210，實現(xiàn)手柄的轉動。

五套水下閥門備用操作手柄210分別安裝在化學藥劑注入閥112、生產(chǎn)主閥113，生產(chǎn)翼閥114、轉換閥115和環(huán)空主閥116上，分別與上述水下閥門的滾珠絲杠與閥桿機構通過聯(lián)軸器連接，旋轉水下閥門備用操作手柄210，可以帶動滾珠絲杠與閥桿機構運動，從而實現(xiàn)水下閥門的手動打開和關閉。

當發(fā)生平臺起火爆炸、動力電纜中斷、核心處理器子系統(tǒng)完全失效等緊急情況，水下全電采油樹控制系統(tǒng)無法控制水下全電采油樹時，采用水下全電采油樹緊急備用控制系統(tǒng)關閉水下全電采油樹的水下閥門，實現(xiàn)安全關井，即操作人員在水面移動式備用控制單元201上發(fā)出控制命令信號，水面水聲換能模塊202將電信號轉換成聲波信號，傳送給水下水聲換能模塊203，水下水聲換能模塊203再將聲波信號轉換成電信號，傳送給水下備用核心處理器模塊206，水下備用核心處理器模塊206通過機械手臂多軸運動控制模塊207和機械手臂電動機驅動器組209控制水下機械手臂205上的永磁同步電動機，實現(xiàn)水下機械手臂205的多自由度運動，從而控制水下機械手臂205的夾具夾持并旋轉化學藥劑注入閥112、生產(chǎn)主閥113、生產(chǎn)翼閥114、轉換閥115和環(huán)空主閥116上的水下閥門備用操作手柄210，實現(xiàn)水下閥門的打開和關閉，保證油氣生產(chǎn)安全。