通过相关课题研究，依托国内工程设计和加工制造能力，建成我国东海第一套具有自主知识产权、适用于目标气田的水下控制模块装置，完成水下控制模块的设计和加工制造的技术储备，初步掌握其设计和制造技术，培养技术队伍，为东海边际气田水下生产系统在中国的推广奠定基础。

水下控制模块

水下控制系统可以分为：直接液压系统(Direct Hydraulic Control System)、先导液压系统(Piloted Hydraulic Control System)、顺序电液复合式系统(Sequenced Hydraulic Control System)、硬线先导电液压系统(Hard - wired Electrohydraulic Control System)、电液复合式系统(Multiplexed Electrohydraulic Control System)、全电系统(All-Electric Control System)。目前复合电液控制系统的应用最为广泛，它以快速的响应速度、高容量的数据反馈以及良好的灵活性和适应性赢得了水下设计公司的一致认可。预计在很长一段时间内，复合电液控制系统仍是水下控制系统的主流方式。

水下控制模块是复合电液控制系统核心设备之一，负责水下井口生产油气流的输送控制。由于各个油气田的油气藏开发方案、井口布置方案的不同，相应的水下控制模块也各不相同，需要根据开发方案、功能要求、技术参数，乃至应用环境等需求与条件单独设计、制造。尤其在边际油气田开发中，不仅要考虑其安全性、可靠性，而且还得从“边际性”特点出发，实现液压设施的集成化和轻量化。项目以水下控制模块作为研究对象，开展设计及样机研制工作。

总体设计及具体实施

项目水下控制系统包括水下控制系统和水面控制及监视系统。主要参数包括：设计水深350米；设计压力高压5000psi、低压3000psi；设计温度10~60℃；控制井数1~3口；控制距离3~7km；响应时间≤10min（单井开关）。

建造完毕后，整个水下控制模块系统固定在管汇上，用于控制水下管汇以及水下采油树上阀门的开关动作，同时监测各单井的水下压力及温度变化；水上部分布置在石油平台上，通过电液混合缆与水面控制系统连接。

水下控制模块结构采用316L不锈钢壳体包裹元器件设计，通过其自锁装置集成在水下管汇结构中间，它使用一根电液复合的混合缆，将平台上部的控制信号通过水下管汇ROV操作面板传输至水下控制模块，同时将海底各井压力温度情况反馈回平台。

液压系统设计部分，控制原理如下：

1．正常工作：主控制阀1得电，高压油经过阀1和阀5流向油缸无弹簧腔，推动油缸运动；油缸有弹簧腔的低压液压油经阀2后，流回T口。主控制阀1失电，油缸无弹簧腔油压降低，油缸在弹簧的作用下，活塞向无弹簧腔运动，液压油经过阀5和阀1流向T口，此时T口油经过阀2流向油缸有弹簧腔。油缸复位至初始位置。

2．阀1长时间得电，失电后不复位：主控制阀1得电，高压油经过阀1和阀5流向油缸无弹簧腔，推动油缸运动；油缸有弹簧腔的低压液压油经阀2后，流回T口。由于长时间电磁阀1处于工作状态，阀芯由于各种原因卡死，阀1失电，阀芯不归位，导致油缸没有办法复位至初始位。此时开启阀2，阀2出口得到高压液压油，控制阀3关闭，高压油不在给阀1供油；阀6开启单向阀。高压油经过阀3进入油缸有弹簧腔，推动活塞向无弹簧腔运动；无弹簧腔中液压经过阀6和阀3，流向T口。油缸复位至初始位。如果油缸想向有弹簧腔运动，只需关闭阀2，油缸就可以运动至有弹簧腔。阀2得电，油缸就可以复位。

3．阀1得电或者阀1电磁阀断路后，阀芯无动作：阀1无法正常工作，此时开启阀3，阀3出口得到高压液压油，控制阀5换向，高压液压油经过阀3和阀5、阀6，流向油缸无弹簧腔。推动油缸运动；油缸有弹簧腔的低压液压油经阀2后，流回T口。阀3失电，阀5复位，阀5的2口和3口通。油缸无弹簧腔油压降低，油缸在弹簧的作用下，活塞向无弹簧腔运动，液压油经过阀5和阀1流向T口，此时T口油经过阀2流向油缸有弹簧腔。油缸复位至初始位置。

水面液压系统设计部分，水面液压系统主要为水下控制系统提供压力源，不做主驱动源，故要满足系统要求的工作压力。考虑海上使用需要耐腐蚀的环境，液压油箱采用全封闭式316不锈钢制作，避免腐蚀及微粒杂质及水汽进入油箱导致工作油污染。水面液压泵站外设保护架，避免船舶晃动过程中，碰伤液压泵站。

水下液压系统设计部分，整个液压系统由4组高压（5000psi）；12组低压（3000psi）液压通道组成，每一个液压通道均有压力传感器监测，两个2.75L的补偿器使箱体内外压平衡处理，解决箱体耐压及防水问题。

水下控制系统电控设计部分，水下控制系统的电控部分由电源、水面控制计算机、控制面板组成、通讯模块组成，水下部分由电源模块、绝缘检测、漏水检测、采集板、电磁阀驱动板等组成。整个系统采用一用一备热冗余形式组成，通过监控，实时切换。

水面控制计算机下发指令，并显示水下生产系统的整体运行状况；水下控制部分采集生产系统各处温度、压力、流量计等传感器信号，同时对控制系统本身的工作状态进行实时监测，如：电压、电流、电源对地绝缘情况、电磁阀执行指令结果等，并对可能存在的密封舱、充油舱等的漏水进行监测，保证作业人员及时了解系统的工作状态。

由于系统位于水下，系统的检测维修都存在若干不便，且故障时耗费时间影响系统整体作业时间和效率。本系统的水下控制部分采用双机热备方式，即存在两路完全相同的控制驱动系统，互相之间隔离，分别采用不同的通讯地址。当一路控制部分系统故障或与上位机通信异常，或者电磁阀驱动板执行结果异常时，上位机将停止与此路控制部分通讯交互，转而与另一路备用系统建立通讯。另外，电磁阀驱动部分也采用了充分的备用通道，针对电磁阀故障也可切换至备用通道。

电路设计部分，系统采用水面供电，交流220V，传输500米至水下部分的电子舱；再经转换后提供各部分需要的各种低压直流。

输入的220VAC先转换为300VDC，再经DC/DC转换为两路隔离的24VDC，一路24VDC作为传感器、主控板电源，并转换为5V供应绝缘检测板等电路；一路24VDC供应电磁阀驱动板。电源设计中DC/DC均为具为隔离电源，以使相应后级电路完全隔离。

绝缘检测板对每路电源的电压、电流和对地绝缘情况进行检测，并响应上位机查询；主控板获取各路压力传感器、温度传感器、流量传感器信号，执行上位机控制指令，并上传指令执行结果和各检测信号；电磁阀驱动板执行主控板转发的控制指令，并检测执行结果，再反馈给主控板。

主控板与电磁阀驱动板之间以RS232通信，绝缘检测板与主控板通过RS485经500米混合缆传至水面控制台。

控制电路系统采集两个温压传感器（共四路电流信号）、7路压力信号（电压信号）、2个流量计信号（电流信号）；另外作为水下作业控制电路，有必要对环境进行实时监测以避免密封舱漏水，控制板上设计有4路漏水检测信号，分别接至不同检测位置。另外，作为以后可能的扩展，板卡上设计了实时时钟电路和SD卡存贮电路，设计了备用的4路RS232，以及一路备用的RS485接口。

液压驱动电路，由于电磁阀驱动在开关瞬间会产生干扰脉冲，为避免驱动输出对控制部分的影响，前后级采用光耦隔离的控制方式；前端采用大功率MOS管作为驱动输出。板卡设计了丰富的冗余驱动通道。

控制台面板电路，为便于操作，控制柜面板上设置5个带灯按钮，分别用来控制不同电磁阀。板卡分别采集5路IO量以及输出5路24V，供驱动面板指示灯。板卡与计算机之间通过RS485通信，与挂接在下位机通信的同一对双绞线上。

下位机控制系统，考虑到电路功能备份，采用两套相同的控制板和驱动板，采用的也是互相隔离的电源，通过软件协调，在一块电路板发生故障情况下自动切换至另一路控制系统工作。

系统除完成项目需求功能外，还提供丰富的备用数字、模拟接口，以备外接传感器和其他执行部件。

软件设计部分：电磁阀驱动板软件设计，电磁阀驱动板采用STM32F103系列的ARM处理器，采用嵌入式实时操作系统RTX，内建多个工作任务，分别执行接收控制板指令、执行状态检测等工作。

串口中断接收来自控制板的指令，收到完整指令后向主任务发送事件，主任务开始执行，并收集执行结果，最后打开串口发送中断，讲执行结果反馈给控制板并最终在上位机界面得以显示。

控制板软件设计，控制软件基于FreeRTOS实时操作系统编写，主要分为AD采集、与上位机通信、漏水检测、驱动板通信四个任务。所有通信收发采用中断方式，收到完整信息帧后，向相关任务发送事件信号；相关任务收到事件信息后，对信息数据进行处理，并反馈相应信息。

接收指令的中断程序检查收到的字符并判断是否收到完整指令串，若是，则给处理任务发信号量，否则继续监视数据流，寻找正确的指令数据流。

上位机控制软件设计，上位机采用C#开发，设立两个定时器，一个处理下位机回传数据的解析和显示，另一个处理各种介面操作和下发控制指令。显示内容包括六个压力传感器数据、2个高精度温压传感器数据以及两路流量计信号。主控制界面，包含了了丰富的工作状态信息和控制电路本身及工作环境信息，便于作业人员及时了解工作情况并作出相应处置。

水面控制柜设计部分：配电系统，水面采用380VAC供电，经充油缆传输至水下控制部分，再采用Vicor的电源模块转换为24VDC，供应水下控制采集部分和驱动部分电源。

水下控制系统，采用32位ARM处理器STM32F4的控制模块，双机热备（此处简称A、B），设初始时A为辅机，平时处于侦听状态；B为工作主机，采集数据传输并执行上位机动作指令。当A收不到B的信号时，A认为B处于异常，将B复位，若仍未得到B信号，则认为B损坏不能工作；此时切换至A负责数据采集和控制。为确保信号执行，每路输出均设置反馈。

软件功能包括：图像显示各个传感器数据信息；操控各路电磁阀动作；提示温度、压力、漏水、绝缘等报警信息；记录传感器数据信息。

水面配电柜的外壳选用NEMA 4X IP65型不锈钢外壳，能非常好的抵抗外界气候变化和振动。它的前面板，即供人打开执行操作的地方，有一个不受天气影响的垫圈，能抵御其他所有外部泄漏。固定在水面控制柜内的部件通过自锁螺母和密封胶固定。虽然外壳不受气候干扰，配电柜还是需要在干燥、室温条件下进行安装。

边际气田水下生产系统将显现其重要性

项目主要针对边际气田而开展，结合东海边际气田的实际情况进行研究，国内重点突破了水下控制系统相关关键技术，使得储量5亿方以下的边际气田具有经济开发价值。

总体上，随着水下生产系统在海上油田开发中的逐步应用，水下生产系统，尤其是边际气田水下生产系统的重要性将会进一步的显现出来。通过对水下控制系统研发中的关键技术问题开展进一步的攻关，不仅可以带动国内水下生产系统的研究工作，为我国的油气田开发工作服务，而且可以进一步为水下生产系统的应用、性能评价、维修和产业化等奠定基础，同时也必将产生明显的经济效益和社会效益。

（作者朱晓茵就职于上海石油天然气有限公司，作者毛英超就职于上海利策海洋工程技术有限公司）