해저 밸브 작동을 위한 새로운 하이브리드 개념

석유 및 가스 해저 생산 시스템에서 해저 "크리스마스 트리"가 유정에 장착됩니다. 각 나무는 여러 공정 밸브를 통해 해당 유정의 석유 및 가스 생산을 제어합니다. 각 프로세스 밸브는 정전 시에도 모든 작동 상태에서 밸브를 안전하게 닫을 수 있어야 하는 해저 밸브 액추에이터(SVA)에 의해 작동됩니다.

해저 생산 시스템에 대한 요구 사항은 매우 높습니다. 사람과 환경을 보호하기 위해 석유와 가스를 생산하는 수중 시스템의 경우 운영 가용성과 안전성이 특히 중요합니다. 또한 기존 SVA에 사용된 작동유의 폐기로 인한 오염으로부터 바다를 보호하는 것도 이제 핵심 우선 순위가 되었습니다.

하이브리드 SVA의 새로운 개념은 2" 게이트 밸브 작동과 같은 심해 애플리케이션을 위한 소형 장치에 전기 기계 및 전기 유압을 결합한 것입니다( 그림 1). 이 하이브리드 SVA는 최대 SIL3의 안전 요구 사항을 충족하고 외부 환경을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 바닷물 환경에서 최대 300bar의 압력을 가하고 최대 75%의 에너지를 소비하며 제한된 유지보수 가능성으로 25년 수명 동안 하루 24시간 작동합니다.

유압 드라이브가 있는 독립형 축

최근에 개발된 SVA는 게이트 밸브를 열고 닫는 이전에 사용된 기존의 유압식 또는 전자 기계식 액추에이터에 대한 에너지 효율적이고 안전한 대안을 제공합니다( 그림 2). 하이브리드 SVA는 몇 리터의 환경 친화적인 유압유를 포함하는 자체 폐쇄 유체 회로가 있는 독립형 모듈입니다. 가변 속도 전기 모터는 내구성 있는 유압 펌프를 구동하여 유압 실린더를 작동하는 데 필요한 흐름을 생성합니다. 실린더의 로드는 웰의 게이트 밸브 스템과 기계적으로 결합되어 필요에 따라 열거나 닫힙니다.

SVA 내부에 기계식 스프링이 있는 안전 밸브는 외부 전원 공급 장치나 배터리 없이도 정전 시 실린더가 안전 장치 위치로 안전하게 들어가도록 합니다. 또한 실린더는 오버라이드를 통해 수중 로봇에 의해 외부에서 구동될 수 있습니다. 드라이브 트레인의 모든 주요 구성 요소는 중복 설치됩니다. 전체적으로 SVA는 이중화 제어, 비상 안전 스프링 및 외부 개입 옵션을 통해 다양한 수준의 안전을 제공합니다.

하이브리드 SVA의 이점은 솔루션을 액추에이터 기술의 현재 상태와 비교할 때 분명합니다. 전 세계적으로 사용되는 대부분의 수중 액추에이터는 여전히 기존 유압 장치를 기반으로 합니다. 이 공통 구조는 지난 50년 동안 내구성과 장기 안전성이 입증되었습니다. 그러나 기존 유압 장치는 일반적으로 상단에 큰 중앙 유압 동력 장치(HPU)가 필요하기 때문에 작업자는 유정 밸브를 관리하는 데 필요한 노력을 줄이고자 합니다. 이들은 엄빌리컬로 알려진 라인과 수 킬로미터 길이의 점퍼를 통해 웰 밸브 액추에이터에 유체를 공급합니다. 3,000미터의 작업 깊이에서 수백 리터의 유체가 라인에만 축적될 수 있습니다. 또한 기존 설정에서는 작동을 제어하고 명령하기 위해 추가 유압 어큐뮬레이터와 방향 밸브가 필요합니다.

대안으로 장비 공급업체는 순수 전기 기계 솔루션을 설계하려고 합니다. 이들은 전원 케이블을 통해 공급되고 데이터 라인을 통해 상단 또는 해저에 위치한 액추에이터 제어 모듈(ACM)에 연결되기만 하면 됩니다. 그러나 조정을 위한 외부 기계적 개입에 대한 옵션이 없기 때문에 전기 기계 솔루션은 안전 관련 단점이 있습니다. 또한 유압 시스템에 비해 전력 밀도가 낮기 때문에 더 큰 하우징과 전기 배터리가 필요합니다. 설계는 높은 마찰을 초래하여 동력 전달 장치의 기계적 마모를 유발하고 필요한 25년 작동 기간을 줄입니다. 이러한 이유로 전기 기계 솔루션은 안전 장치 비상 폐쇄가 필요할 때 해저 응용 분야에서 치명적인 단점이 있습니다.

에너지 소비 최대 75% 감소

하이브리드 SVA는 유압 및 전기 기계 솔루션의 장점을 결합하고 기존 단점을 제거합니다. 분산형 자체 포함 유체 회로는 상부 HPU, 해저 유압 제어 모듈 및 킬로미터 길이의 탯줄이 더 이상 유체에 필요하지 않음을 의미합니다. SVA에는 전기 기계 액추에이터와 유사한 SIIS(해저 계측 인터페이스 표준화)에 지정된 대로 전원 공급 장치와 데이터 라인이 필요합니다.

작동 중 고효율 고정 용량/가변 회전 유압 펌프는 저마찰 실린더를 구동하기 위해 흐름을 생성합니다. 비례 밸브가 필요하지 않기 때문에 유압 시스템이 단순화되어 에너지 효율성이 크게 향상됩니다. 순수한 전기 기계식 액추에이터와 비교할 때 SVA는 최고 성능에서 최대 75% 적은 전력을 소비합니다.

해저 필드를 운영하는 데 사용되는 모든 액추에이터를 고려할 때, 예를 들어 전기 기계 액추에이터를 사용하는 것보다 전기 인프라(전원 케이블, 변압기, 주파수 변환기 등)에 대한 막대한 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다( 그림 3). 그러면 유압 펌프를 구동하는 전기 모터를 훨씬 더 작게 구성할 수 있지만 액추에이터의 동일한 조정력으로 설치 공간과 비용을 절약할 수 있습니다. 유압식 엄빌리컬을 전기식 엄빌리컬로 교체하여 더 많은 비용 절감을 실현할 수 있으며 기존 유압 액추에이터에 필요한 작동유를 폐기할 필요가 없습니다.

또한 SVA는 액츄에이터 내에서 작동 상태를 지속적으로 기록하고 상위 레벨 마스터 컨트롤러에 보고하는 내장 센서 기술을 통해 상태 모니터링 기능을 제공합니다. 그런 다음 추세를 분석하여 편차를 조기에 식별하고 해결할 수 있습니다.

산업 응용 분야에서 입증된 기술

SVA의 작동 원리는 산업 응용 분야에서 흔히 볼 수 있는 독립형 축의 허용된 사용에서 비롯됩니다. SVA의 개별 구성 요소는 산업 기계에 사용되는 것과 같은 품질 관리 시스템에 따라 대규모 시리즈로 제조됩니다. 이러한 표준화는 비용을 절감하고 생산을 위한 장기적인 가용성을 창출합니다. 또한 SVA에 사용된 센서 및 전자 장치는 자동차 애플리케이션에서 사용하여 안정성이 입증되었습니다. 필요한 경우 최대 6,000미터 깊이의 심해에서 사용할 수 있도록 구성 요소가 수정되었습니다. 시스템과 핵심 구성 요소는 해양, 연안 및 해저 사용에 대한 다양한 선급 협회의 특별한 요구 사항도 충족합니다.

SVA 내에는 중복 압력 보상 시스템으로 인해 모든 깊이에 두 개의 과압 막대가 있습니다. 이것은 염수의 침투와 압력 중립 설계의 대형 하우징의 필요성을 방지합니다. 표준 요구 사항 외에도 해저 정격 배선 및 연결만 축 내에서 사용됩니다. 해저 등급이 아닌 모든 전기 구성 요소는 내압 부품으로 기계 및 전기적으로 캡슐화됩니다.

주요 장비 공급업체 및 운영자와 긴밀히 협력하여 최신 시뮬레이션 기술을 사용하여 현장 시험을 위한 개념 증명 및 프로토타입을 생성했습니다. 이 혁신적인 구동 기술은 최고의 전기 기계와 유압을 결합하여 해저에서 안전하고 신뢰할 수 있는 모션 제어를 보장하여 "모든 해저 공장"의 비전을 현실로 만드는 데 도움을 줍니다.

이 기사는 Bosch Rexroth Corp.(미시건주 플리머스)의 해양 및 해저 기술 책임자인 Dr. Alexandre Orth와 테스트 엔지니어인 Amadeu Placido Neto가 작성했습니다. 자세한 내용은 여기를 방문하십시오. .