Nieuw hybride concept voor het bedienen van onderzeese kleppen

In onderzeese olie- en gasproductiesystemen wordt een onderzeese "kerstboom" op de putkoppen gemonteerd. Elke boom regelt de olie- en gasproductie van zijn respectieve put via meerdere proceskleppen. Elke procesklep wordt bediend door een onderzeese klepactuator (SVA) die de klep in elke bedrijfstoestand veilig moet kunnen sluiten, zelfs bij stroomuitval.

De eisen aan onderzeese productiesystemen zijn extreem hoog. Operationele beschikbaarheid en veiligheid zijn vooral belangrijk voor onderwatersystemen die olie en gas produceren om mensen en omgevingen te beschermen. Bovendien wordt het beschermen van de zee tegen vervuiling veroorzaakt door de verwijdering van hydraulische vloeistof die wordt gebruikt in conventionele SVA's nu ook een topprioriteit.

Een nieuw concept voor een hybride SVA combineert elektromechanica en elektrohydrauliek in een compacte unit voor diepzeetoepassingen zoals de bediening van 2" schuifafsluiters (Figuur 1). Deze hybride SVA is ontworpen om te voldoen aan veiligheidseisen tot SIL3, bestand tegen een externe druk tot 300 bar in een zoutwateromgeving, verbruiken tot 75 procent minder energie en werken 24 uur per dag gedurende een levensduur van 25 jaar met beperkte onderhoudsmogelijkheden.

Zelfstandige assen met hydrostatische aandrijving

De recent ontwikkelde SVA biedt een energiezuinig en veilig alternatief voor de eerder gebruikte traditionele hydraulische of elektromechanische aandrijvingen die de schuifafsluiter openen en sluiten (Figuur 2). Hybride SVA's zijn op zichzelf staande modules met een eigen gesloten vloeistofcircuit dat slechts enkele liters milieuvriendelijke hydraulische vloeistof bevat. Een elektromotor met variabel toerental drijft een duurzame hydraulische pomp aan, die de stroom genereert die nodig is om een ​​hydraulische cilinder aan te drijven. De stang van de cilinder is mechanisch gekoppeld aan de klepsteel van de put om deze naar behoefte te openen of te sluiten.

Een veiligheidsklep met een mechanische veer in de SVA zorgt ervoor dat de cilinder ook veilig terugtrekt in de failsafe-positie als de stroom uitvalt, zonder dat er externe voeding of batterijen nodig zijn. Daarnaast kan de cilinder via een override extern worden aangedreven door een onderwaterrobot. Alle belangrijke componenten van de aandrijflijn zijn redundant geïnstalleerd. Al met al bieden SVA's veiligheid op verschillende niveaus met de redundante besturing, de failsafe veer en de interventiemogelijkheden van buitenaf.

De voordelen van een hybride SVA worden duidelijk wanneer de oplossing wordt vergeleken met de huidige stand van de actuatortechnologie. De overgrote meerderheid van de onderwateractuators die wereldwijd worden gebruikt, zijn nog steeds gebaseerd op conventionele hydrauliek. Deze gemeenschappelijke structuur heeft de afgelopen 50 jaar zijn duurzaamheid en veiligheid op lange termijn bewezen. Operators willen echter de inspanning verminderen die nodig is om de putklep te beheren, omdat conventionele hydraulica doorgaans grote, centrale hydraulische vermogenseenheden (HPU's) aan de bovenzijde vereist. Deze voorzien de klepaandrijvingen van vloeistof via leidingen, ook wel umbilicals genoemd, en jumpers die kilometers lang kunnen zijn. Op een werkdiepte van 3.000 meter kunnen zich alleen al in de leidingen enkele honderden liters vloeistof ophopen. Bovendien vereist die conventionele opstelling extra hydraulische accumulatoren en richtingskleppen om de bediening te regelen en te bevelen.

Als alternatief proberen leveranciers van apparatuur puur elektromechanische oplossingen te ontwerpen. Deze hoeven alleen te worden gevoed via stroomkabels en via een datalijn te worden aangesloten op een actuatorregelmodule (ACM) die zich ofwel boven of op de zeebodem bevindt. Omdat ze echter geen mogelijkheden hebben voor externe mechanische interventie voor aanpassingen, hebben elektromechanische oplossingen veiligheidsgerelateerde nadelen. En vanwege hun lagere vermogensdichtheid in vergelijking met hydraulische systemen, hebben ze ook grotere behuizingen en elektrische batterijen nodig. Het ontwerp resulteert in hoge wrijving, waardoor mechanische slijtage van de krachtoverbrenging optreedt en de vereiste bedrijfsperiode van 25 jaar wordt verkort. Om deze redenen zijn elektromechanische oplossingen een kritisch nadeel voor onderzeese toepassingen wanneer een faalveilige noodsluiting nodig is.

Tot 75 procent minder energieverbruik

De hybride SVA combineert de voordelen van zowel hydraulische als elektromechanische oplossingen en elimineert bestaande nadelen. Het gedecentraliseerde, op zichzelf staande vloeistofcircuit betekent dat de HPU aan de bovenzijde, de onderzeese hydraulische regelmodule en kilometerslange umbilical-leidingen niet langer nodig zijn voor de vloeistof. De SVA vereist een stroomvoorziening en datalijn zoals gespecificeerd door de Subsea Instrumentation Interface Standardization (SIIS) - vergelijkbaar met de elektromechanische actuatoren.

Tijdens bedrijf genereert een zeer efficiënte hydraulische pomp met vast slagvolume/variabel roterende stroom om de wrijvingsarme cilinder aan te drijven. Het hydraulische systeem is vereenvoudigd omdat er geen proportionele kleppen nodig zijn, wat de energie-efficiëntie aanzienlijk verhoogt. Vergeleken met puur elektromechanische actuatoren verbruiken SVA's tot 75 procent minder stroom bij topprestaties.

Rekening houdend met alle actuatoren die worden gebruikt om een ​​onderzees veld te bedienen, kan een enorme kostenbesparing voor de elektrische infrastructuur alleen (stroomkabel, transformator, frequentieomvormers, enz.) worden verkregen in vergelijking met bijvoorbeeld het gebruik van elektromechanische actuatoren (Figuur 3). De elektromotor die de hydraulische pomp aandrijft, kan dan aanzienlijk kleiner worden geconfigureerd, maar met dezelfde stelkracht van de actuatoren, wat weer installatieruimte en kosten bespaart. Er kunnen ook meer kostenbesparingen worden gerealiseerd door de hydraulische voedingskabel te vervangen door een elektrische voedingskabel, en het is niet nodig om de hydraulische vloeistof af te voeren die nodig is voor conventionele hydraulische aandrijvingen.

Daarnaast biedt de SVA conditiebewakingsmogelijkheden, met ingebouwde sensortechnologie die continu de bedrijfstoestanden binnen de actuator registreert en deze rapporteert aan de overkoepelende mastercontroller. Trends kunnen vervolgens worden geanalyseerd, waardoor afwijkingen vroegtijdig kunnen worden geïdentificeerd en opgelost.

Bewezen technologie van industriële toepassingen

Het werkingsprincipe voor de SVA komt van het geaccepteerde gebruik van op zichzelf staande assen die vaak worden aangetroffen in industriële toepassingen. Individuele componenten voor de SVA worden in grote series geproduceerd onder kwaliteitsmanagementsystemen zoals die worden gebruikt in industriële machines. Deze standaardisatie verlaagt de kosten en zorgt voor langdurige beschikbaarheid voor productie. Bovendien hebben de sensoren en elektronica die in de SVA worden gebruikt, bewezen betrouwbaar te zijn bij gebruik in voertuigtoepassingen. Waar nodig zijn aanpassingen gedaan aan de componenten om in aanmerking te komen voor diepzeegebruik tot een diepte van 6.000 meter. Het systeem en de kerncomponenten voldoen ook aan de speciale vereisten van de verschillende classificatiebureaus voor gebruik op zee, op zee en onder water.

Binnen de SVA zijn er op elke diepte twee bars overdruk vanwege het redundante drukcompensatiesysteem. Dit voorkomt het binnendringen van zout water en de noodzaak van grote behuizingen met een drukneutrale uitvoering. Naast de standaardvereisten worden binnen de as alleen onderzeese bekabeling en verbindingen gebruikt. Alle elektrische componenten die niet onderzeeër zijn, zijn ook mechanisch en elektrisch ingekapseld met drukbestendige onderdelen.

In nauwe samenwerking met toonaangevende leveranciers en operators van apparatuur, werd de nieuwste simulatietechnologie gebruikt om de proof of concept en prototypes voor veldproeven te creëren. Deze innovatieve aandrijftechnologie combineert het beste van elektromechanica en hydrauliek om te zorgen voor veilige en betrouwbare bewegingscontrole op de zeebodem, waardoor de visie van een "all onderzeese fabriek" werkelijkheid wordt.

Dit artikel is geschreven door Dr. Alexandre Orth, Head of Marine &Subsea Technologies, en Amadeu Placido Neto, Test Engineer, bij Bosch Rexroth Corp. (Plymouth, MI). Voor meer informatie, bezoek hier .