(12) PATENT (19) NO (11) 336017 (13) B1 NORGE (1) Int Cl. E21B 34/04 (06.01) F16K 31/04 (06.01) G0D 7/06 (06.01) E21B 43/01 (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr 1909 (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag 13.07.01 (8) Videreføringsdag (24) Løpedag 13.07.01 () Prioritet (41) Alm.tilgj 1.01.02 (4) Meddelt 1.04. (73) Innehaver Aker Subsea AS, Postboks 94, 132 LYSAKER, Norge (72) Oppfinner Guy Richard Morgan, Skjellestadhagen 9, 1389 HEGGEDAL, Norge (74) Fullmektig Protector Intellectual Property Consultants AS, Oscarsgate, 032 OSLO, Norge (4) Benevnelse REDUNDANS FOR UNDERVANNS ELEKTRISK AKTIVATORSTYRING (6) Anførte publikasjoner WO 0/111484 A2 US 64976 B1 Sangesland et al,: "Subsea Electrical Valve Actuator", Proceedings from the 8th underwater technology conference. Bergen, Norway, 1994.03.14, Side 1-17 WO 12/11113 A1 GB 2364396 A WO 11/1940 A1 WO 11/060802 A1 WO 0/0877 A2 (7) Sammendrag Oppfinnelsen frembringer et undervannssystem for produksjon eller prosessering, omfattende flere ventiler eller andre enheter styrt av aktivatorer, kjennetegnet ved at hver ventil eller enhetsaktivator er operativt forbundet for effekt og styring til en sentralisert aktivatorstyringsmodul.
1 REDUNDANS FOR UNDERVANNS ELEKTRISK AKTIVATORSTYRING Oppfinnelsens område Oppfinnelsen angår, men er ikke begrenset til, undervanns styringssystemer. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen undervanns produksjonssystemer omfattende flere undervanns juletrær med ventiler eller annet undervannsutstyr styrt av aktivatorer. Bakgrunn for oppfinnelsen og kjent teknikk Eksisterende undervannsaktivatorer for juletrær eller prosesstyring er vanligvis hydraulisk styrt. Disse er normalt pålitelige, men kan ha lang responstid, særlig på dypt vann eller over lange undervannsstrekk gjennom lange navlestrenger. 1 2 Det aksepterte neste trinnet er å bytte til elektrisk drevne aktivatorer som kan være raskere å styre, særlig over svært lange strekk eller avstander. På grunn av den vanskelige plasseringen av undervannsaktivatorer, er systempålitelighet av største viktighet, da svikt i en nøkkelmodul eller ventil kan stoppe produksjonen i lengre tid før en erstatningsdel kan installeres. Elektriske aktivatorer kan ha lavere midlere tid mellom feil (MTBF) sammenlignet med hydrauliske aktivatorer på grunn av det større antallet komponenter i konstruksjonen. Dette ivaretas vanligvis ved å bygge inn ytterligere nivå av systemredundans. Nærmere bestemt er to elektriske aktivatorstyringer for hver undervanns juletreventil implementert som en standardløsning. Denne ytterligere redundansen koster mer, og øker pakkestørrelsen og antall elektriske konnektorer. Følgelig vil en installasjon som bruker elektriske aktivatorer være større, mer komplekst og dyrere enn det ekvivalente hydrauliske systemet. Den ytterligere redundansen vil ikke kreves på hver aktivator, så systemet vil inneholde duplisering av funksjonalitet som det aldri vil bli behov for. I tillegg til dette, kan pakkingen av typisk to elektriske aktivatorer sammen på hver ventil eller innretning som skal styres gjøre uthenting av én eller flere sviktende elektriske enheter til en kompleks og tidkrevende oppgave, som øker vedlikeholdstid og -kostnader og reduserer produksjonsleveransen. Det finnes et behov for teknologi som har fordeler sammenlignet med teknikkens stilling som beskrevet ovenfor.
2 Bakgrunnsteknikk eller beslektet teknikk er beskrevet i patentpublikasjonene WO 121113A1, GB 2364396A og WO 111940A1. Ingen av disse publikasjonene beskriver en sentralisert aktivatorstyringsmodul omfattende et antall kontrollere større enn antall aktivatorer som skal styres samtidig. Oppsummering av oppfinnelsen Oppfinnelsen frembringer et undervannssystem for produksjon eller prosessering, omfattende flere ventiler eller andre enheter styrt av aktivatorer, kjennetegnet ved at hver ventil eller enhetsaktivator er operativt forbundet for effekt og styring til en sentralisert aktivatorstyringsmodul omfattende et antall kontrollere som er større enn antall aktivatorer som skal styres samtidig. 1 Den sentrale aktivatorstyringsmodulen omfatter fortrinnsvis vekselrettere og kontrollere som styrer aktivatorposisjon samlet i én modul. For redundans, er antall vekselrettere og kontrollere større enn antall aktivatorer som skal styres. Hver ventil og enhet inneholder fortrinnsvis én aktivator med en operativt tilknyttet elektrisk motor, der den elektriske motoren er koblet til en vekselretter som er koblet til en kontroller som er koblet til en overordnet kontroller, der aktivatoren er koblet til den sentraliserte aktivatorstyringsmodulen for tilbakekobling av posisjon og andre passende driftsparametre eller/og algoritmer brukes til å styre posisjons- og driftsparametre for aktivatoren inkludert aktivatormotoren. I samsvar med dette er effektog styringselektronikken til aktivatorene sentralisert i aktivatorstyringsmodulen med eller uten tilbakekoblinger. 2 Sammenlignet med tidligere løsninger kan den spesifikke redundansen som finnes nødvendig bygges inn i systemet til redusert kostnad. Ved å inkludere et valgt antall kontrollere og vekselrettere større enn antall aktivatorer, kan det frembringes et høyere nivå av redundans, og flere svikter kan håndteres uten stopp i produksjonen. Med den tidligere kjente løsningen kunne to svikter stoppe produksjonen. Videre er det ikke lenger en duplisering av effekt- og styringselektronikk, av hvilken det meste aldri vil bli brukt, og som derfor bidrar lite eller ingenting til redundansen i systemet. En videre fordelaktig forskjell, som gir ytterligere forenklings- og kostnads-, drifts- og vedlikeholdsfordeler, er at både effekt- og styringssignaler er rutet direkte til
3 styringsmodulen, i motsetning til den vanlige undervannsløsningen med å rute effekt og styring separat. Aktivatorstyringsmodulen omfatter fortrinnsvis en omkoblerinnretning, slik som en dreie- eller skyvebrytermekanisme, for omkoblbar forbindelse mellom vekselrettere, kontrollere og aktivatorer. 1 Aktivatorstyringsmodulen er fortrinnsvis anbrakt på en innstikkbar plate (stab type plate), som er tilgjengelig og enkel å hente ut som en enhet og enkeltvis med hensyn til vekselrettere og kontrollere. Modulen har fortrinnsvis kontrollere og vekselrettere som kan erstattes hver for seg med en ROV (remotely operably vehicle) med størrelse, vekt og koblinger for ROV-arbeid. Systemet omfatter fortrinnsvis komplementære undervannskontakter, slik som stikkontakter for håndtering og kobling med en ROV. Systemet ifølge oppfinnelsen omfatter fortrinnsvis en aktivatorstyringsmodul med N + 1 redundans, mer foretrukket N + n redundans, hvor N er antall aktivatorer og n er større enn 1. Følgelig angår 1, eller fortrinnsvis n, det valgte redundansnivået, og angår det ytterligere antallet kontrollere og vekselrettere over antall aktivatorer. Fortrinnsvis har hver ventil eller annet utstyr styrt av en aktivator én enkelt aktivator tilordnet, men to eller flere aktivatorer kan være en opsjon for økt redundans. 2 I en foretrukket utførelsesform er systemet ifølge oppfinnelsen et undervanns petroleumsproduksjonssystem omfattende flere juletrær med ventiler med aktivatorer. Noen andre utførelsesformer av systemet er undervanns manifoldsystemer, undervanns separasjonssystemer og undervanns prosesseringssystemer eller kombinasjoner av dem. Oppfinnelsen adresserer alle manglene ved den vanlige elektriske aktivatoren ved å redusere pakkestørrelsen til hver aktivator, redusere systemkostnader samtidig som den gir et redundansnivå, redusere installasjonskompleksiteten og redusere systemets nedetid når modulen eller enheter i den erstattes. I tillegg tillatter oppfinnelsen at et antall elektriske aktivatorer drives av én enkelt kontroller/vekselretter hvis det ikke er behov for å kjøre aktivatorer samtidig. Systemet kan ta høyde for
4 fremtidige behov for utvidelse eller ekstra reserveutganger og fortsatt koste mindre enn dobbel redundans på hver aktivator. Figurer Oppfinnelsen er illustrert med 4 figurer, hvor: Figurene 1, 2 og 3 illustrerer utførelsesformer av en sentralisert aktivatorstyringsmodul i et system ifølge oppfinnelsen, og Figur 4 illustrerer en typisk elektrisk dreieaktivator og en ventil fra kjent teknikk. 1 Detaljert beskrivelse Det vises til figur 1, som illustrerer en sentralisert aktivatorstyringsmodul 1 med grunnleggende omkoblingsarrangement i et system ifølge oppfinnelsen. Nærmere bestemt vises tre ventilaktivatorer; der aktivatorene for eksempel er tilknyttet ventiler på et ikke vist produksjonsjuletre. I motsetning til løsninger fra kjent teknikk, er bare én aktivator med én elektrisk motor tilknyttet hver ventil, som vist i figur 4. Hver ventilaktivator har i prinsipp to typer forbindelse til aktivatorstyringsmodulen, nemlig effekttilknytning til motorfasene, henholdsvis p1, p2 og p3, og signalforbindelse med tilbakekobling, henholdsvis f1, f2 og f3, for motor- og aktivatorposisjon. Motorfasene omfatter typisk 3 faser per motor. Merk at de tre enkelte motorfasene ikke vises av hensyn til klarhet. Tilbakekoblingen av motor- og aktivatorposisjon kan utelates i noen utførelsesformer siden posisjonsstyring kan frembringes alternativt eller i tillegg ved for eksempel strøm eller logikkstyringsalgoritmer. 2 Den viste undervanns styringsmodulen omfatter en overordnet kontroller C, fire motorkontrollere, henholdsvis c1, c2, c3 og c4, og fire vekselrettere, henholdsvis i1, i2, i3 og i4. Nærmere bestemt viser figuren en undervanns styringsmodul (1) med en overordnet kontroller (2): (N+1) motorkontrollere (3); (N+1) vekselrettere (4); 3-fase, toveis omkoblingselementer (); og (N) elektrisk aktiverte ventiler (6). Antall kontrollere og vekselrettere er større enn antall aktivatorer, nemlig 4 sammenlignet med 3., og gir dermed N+1 redundans. Undervanns syringsmodulen omfatter også en omkoblingsinnretning (, 7) styrt av den overordnede kontrolleren C, slik som en roterende omkobler tilpasset til innbyrdes bytte av kontrollere og vekselrettere mot aktivatorene. Hvert omkoblingselement kan utformes som trepolet (eller faset) toveis (3P2T) som vist i figur 1, for å muliggjøre N+1 kontroller- og vekselretterredundans.
Alternativt kan hvert omkoblingselement utformes som 3PxT som vist i figur 2 og figur 3, hvor x kan velges for å gi det ønskede redundansnivået. Figur 2 viser: Undervanns styringsmodul (1) med en overordnet kontroller (2): (N+n) motor kontrollere (3); (N+n) vekselrettere (4); 3-fase, flerveis omkoblingselementer (7); og (N) elektrisk aktiverte ventiler (6). Figur 3 viser: Undervanns styringsmodul (1) med en overordnet kontroller (2): (N+n) motor kontrollere (3); (N+n) vekselrettere (4); 3-fase, flerveis omkoblingselementer (7); (N) elektrisk aktiverte ventiler (6); ekstra utgang for ROV-forbindelse (12). 1 Motsatt viser figur 4 en typisk kjent elektrisk dreieaktivator koblet til en dreieventil, hvilket er en utførelsesform utenom oppfinnelsen. Nærmere bestemt viser figur 4 en elektrisk motor (8) og girboks (9) i et felles uttakbart hus, koblet () til en typisk reguleringsventil (11). Den foreliggende oppfinnelsen kan implementeres med enhver motorkonstruksjon (børsteløs likestrøm, permanentmagnet, svitsjet reluktans, induktiv osv). Motorene som brukes vil vanligvis være av samme type, men dette er ikke essensielt hvis styringssystemet er i stand til å styre flere motortyper. Den viste konstruksjonen antar en enkelt motorvinding, men vesentlig ytterligere redundans kan legges til ved å bruke to vindinger og en duplisert styringsmodul. 2 Den overordnede kontrolleren C tar ordren fra prosesskontrolleren som en ordre om ventil/aktivatorordre. Den retter motorposisjonstilbakemeldingen mot den tilhørende kontrollerenheten sammen med dreiemoment- og retningsanmodningen. Hver styringsenhet bruker motorposisjonstilbakemeldingen og strømmålingen (direkte, indirekte eller utledet) fra sin tilknyttede vekselretter til å oppfylle ordren fra kontrolleren. I tilfelle svikt i en vekselretter eller kontroller, kobler den overordnede ganske enkelt aktivatoren om til en alternativ kontroller. Aktivatorens absolutte posisjon kan mæles eller utledes fra motorbevegelsen, men siden dette kan bestemme av den overordnede kontrolleren er det ikke et krav om at denne skal overføres til kontrollerenheten.
6 1 Videre kan en A-B-type redundans oppnås på ethvert nivå ved å duplisere den overordnede kontrolleren eller hele enheten med dobbeltviklede motorsammenstillinger. En duplisert overordnet kontroller vil være i stand til å ta kontroll over alle aktivatorer og kontrollere i tilfelle svikt i den aktive kontrolleren. Det implementerte kontrollsystemet vil bestemme om aktivatorposisjonene må læres på nytt eller oppdateres kontinuerlig. Aktivatorene kan forbindes ved å bruke jumpere til en enkelt koblingsplate eller forbindes gjennom det forhåndskablede XMT. Denne utformingen er brukbar når aktivatorene er plassert i umiddelbar nærhet av hverandre og den sentrale kontrolleren. Generelt kan ikke motorfaseforbindelsene være mer enn meter lange, da den økte resistansen & induktansen fra skjermen ellers vil påvirke motorytelsen. Lengre avstander er imidlertid mulig ved å bruke likestrøm eller lavfrekvent vekselstrøm. Siden det brukes identiske vekselrettere, må de dimensjoneres for det største motorbehovet. Hvis alle motorene er av samme størrelse, kan aktivatorbevegelsens farts- eller kraftbehov oppfylles ved å bruke mekanisk giring. Denne konstruksjonen krever ikke at alle aktivatorene er av samme type skyve- eller dreie-, del- eller multitørnaktivatorer kan blandes, da styringssystemet ser alle aktivatorer som motordrev med tilbakekobling av posisjon. Begrensninger for enkeltaktivatorer kan programmeres inn i den overordnede kontrolleren, f eks dreiemoment- eller fartsgrenser. Den overordnede kontrolleren vil så styre hver aktivator etter sin kalibrerte grense uavhengig av hvilken vekselretter som brukes som effektforsyning. Å integrere dette systemet inn i CDPUen kan redusere antall eksterne konnektorer som brukes i systemet. 2 Hvis bare én aktivator er påkrevd til enhver tid, kan én enkelt motorkontroller brukes med en flerstillings dreiebryter til å styre hvilken aktivatormotor som er tilkoblet, og redusere antall kontroller og vekselrettermoduler til færre enn antall aktivatorer og fortsatt opprettholde et redundansnivå. Hvis flere aktivatorer skal brukes samtidig, vil dette drive antall installerte vekselretterenheter. Aktivatorsekvenser for prosesstyring kan håndteres ved å bruke dreiebryteren og en enkelt vekselretter. Den sentrale styringsmodulen gjør det mulig å inkludere et antall forskjellige egenskaper, slik som en aktivatorsekvensering for
7 prosess- eller effektbegrensingsbehov, eller å styre flere aktivatorer fra en enkelt vekselretter. Den overordnede kontrolleren vil bestemme den mest passende omkoblerkonfigurasjonen i tilfelle svikt(er) gjennom en oppslagstabell eller algoritme. Mer enn ett omkoblingselement kan være påkrevet for å isolere den sviktende kontrolleren/- vekselretteren. Å erstatte 3P2T (3-polet, 2-veis) dreibryteren med 3PnT gir en økning av redundansen til styrings- og vekselretterenheter. I tillegg vil det være mulig å frembringe ytterligere utganger (12) på kontrolleren som vist i figur 3 for å tillate ROV-forbindelse ved å bruke en jumperskjerm i tilfelle skjerm- eller kontaktsvikt. 1 2 Noen fordeler ved oppfinnelsen er som følger:! Med en sentral styrings- og vekselretterenhet er den én enkelt uthentings- og utskiftingsoperasjon for alle elektroniske moduler, hvilket reduserer nedetid i produksjonen og vedlikeholdskostnad! Lavere investeringskostnader! Færre elektriske koblinger! Mindre duplisering av elektronikk for redundans! Enklere installasjon med en vesentlig mindre aktivatorpakke! Aktivatorsammenstilling med lavere kostnad! Lavere driftskostnader! Rask omkobling i tilfelle en enkelt elektrisk svikt! Forbedret funksjonalitet! Evne til å styre en aktivatorsekvens selv med flere elektriske svikter! Evne til å legge til posisjoner for fremtidig utvidelse / utskifting av hydrauliske aktivatorer med elektrisk overstyring Systemet ifølge oppfinnelsen kan omfatte enhver egenskap beskrevet eller illustrert i dette dokumentet, i enhver operativ kombinasjon, der hver slik kombinasjon er en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen.
8 PATENTKRAV 1. Undervannssystem for produksjon eller prosessering, omfattende flere ventiler eller andre enheter styrt av aktivatorer, karakterisert ved at hver ventil eller enhetsaktivator er operativt forbundet for effekt og styring til en sentralisert aktivatorstyringsmodul omfattende et antall kontrollere som er større enn antall aktivatorer som skal styres samtidig. 1 2 2. Undervannssystem ifølge krav 1, hvor den sentrale aktivatorstyringsmodulen omfatter vekselrettere og kontrollere, som gir effekt og styring av aktivatorposisjon med én enkelt modul, der, for redundans, antall vekselrettere for effekt og kontrollere er større enn antall aktivatorer som krever samtidig aktivering. 3. Undervannssystem ifølge krav 1 eller 2, hvor aktivatorstyringsmodulen omfatter en omkoblerinnretning, slik som en dreiebrytermekanisme, for omkoblbar forbindelse mellom vekselrettere, kontrollere og aktivatorer. 4. Undervannssystem ifølge krav 1, 2 eller 3, hvor aktivatorstyringsmodulen er anbrakt på en innstikkbar plate, som er tilgjengelig og enkel å hente ut som en enhet og fortrinnsvis enkeltvis av en ROV med hensyn til vekselrettere og kontrollere.. Undervannssystem ifølge et av kravene 1-4, hvor aktivatorstyringsmodulen omfatter N + 1 redundans, mer foretrukket N + n redundans, hvor N er antall aktivatorer og n er større enn 1. 6. Undervannssystem ifølge et av kravene 1-, hvor systemet er et undervanns petroleumsproduksjonssystem omfattende flere juletrær med ventiler med aktivatorer.
9 7. Undervannssystem ifølge et av kravene 1-6, hvor systemet omfatter sammenstillinger og enheter med dobbeltviklede vindinger for forbedret redundans.
1/4 Figur 1: entrali a t ator modul rangement f1, f2, f3 c1 i1 C c2 c3 i2 i3 c4 i4 1 2 3 4 p1, p2, p3 6 : (1) ontroller (2): (N+1) otor ontroller (3); (N+1) 4); 3- ase, to element (); (N) ele tri a t (6)
2/4 Figur 2: entrali t ator altern arrangement f1, f2, f3 c1 i1 C c2 c3 i2 i3 c4 i4 1 2 3 4 7 p1, p2, p3 6 : odul (1) : (N+n) otor ontroller (3); (N+n)
3/4 Figur 3: entrali a or N+n redunda ut f1, f2, f3, f4 c1 i1 c2 i2 C c3 c4 i3 i4 c i c6 i6 p1, p2, p3, p4 6 1 2 3 4 7 12 : (12).
4/4 Figur 4: Typi le tri t ator 8 9 11 : Ele tri motor (8) (9), () t typi (11)