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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrohydraulisches Prozesssteuerungssystem in Unterwasser-Produktionsanlagen für Fördermedien, einschließlich der Öl- oder Gasproduktion und Injektion von Gas oder Wasser. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betreiben der Prozesssteuerungseinrichtung des elektrohydraulischen Prozesssteuerungssystems.
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Der Ausdruck „Prozesssteuerung”, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, sollte so verstanden werden, dass dieser die Produktionssteuerung, wie sie durch Steigrohrkopf-Antriebe und Untertage-Sicherheitsventile durchgeführt wird sowie die Steuerung der Prozessanlage, wie Separatoren und Druckerhöhungseinrichtung, umfasst. Es ist eine allgemeine Praxis in der Unterwassertechnik, Notfall-Abschaltsysteme und Produktionssteuerungssysteme zu integrieren. So soll die „Prozesssteuerung” einige oder alle dieser und weitere relevanter Arten der Steuerung oder des Prozessmanagements in dieser Anwendung einschließen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
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Die Fernsteuerung von Unterwasser-Ventilantrieben für Steigrohrköpfe (XTs) und Verteilersysteme hat sich von einfachen Konzepten in den siebziger Jahren zu umfangreichen und komplexen elektrohydraulischen Systemen mit einem Schräg-Ablenkungsvermögen, das gegenwärtig die Grenze von 160 km überschreitet. Traditionell wird die hydraulische Steuerungskraft in einer Hauptanlage erzeugt, die auf einer schwimmenden oder halb eingetauchten Einheit steht oder auf dem Land steht, und wird mit zwei unterschiedlichen Drucken an die Unterwasseranlage übertragen: typischerweise mit 207 bar für die XT-Antriebe und mit Drucken bis zu 700 bar (und darüber hinaus) für die Untertage-Sicherheitsventile (DHSV). Unterwasser-Hydraulikeinheiten (HPU), die an der Unterwasser-Produktionsanlage liegen, wurden vielfach angedacht, aber nur einige wenige und relativ unbedeutende Installationen dieser Art wurden jemals hergestellt.
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Die Prozesssteuerungssysteme sind gekennzeichnet durch eine seltene Betätigung und eine entsprechend geringe mittlere hydraulischen Leistungsaufnahme, so war es mittels Akkumulatoren möglich, die an der Unterwasseranlage liegen, eine Verrohrung mit kleiner Bohrweite (typischerweise 3/8'' bis 3/4'' Rohrgröße) für die hydraulische Kraftübertragung zu verwenden. Es hat sich nur ausnahmsweise und selten als günstig erwiesen, von dieser Gestaltungspraxis abzuweichen, da selbst ein geringer Verlust an Zuverlässigkeit hinsichtlich des Steuerungssystems eine große Bedeutung hinsichtlich der Kosten und der Intervenierungsarbeiten haben kann.
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Für die meisten Unterwasser-Prozesssteuerungssysteme war die Eigenleckage aus Wegeventilen (DCV) die Hauptursache für einen Fluidverbrauch, obwohl die Betätigung der Ventile häufig mit weniger als 15% des gesamten Fluidverbrauchs zu Buche schlägt.
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Zwei Entwicklungsverläufe lösten ein Überdenken der gegenwärtigen Gestaltungspraxis aus:
- • Schrägablenkungen von bis zu 600 km werden für eine Unterwasseranbindung an den Strand, im Wesentlichen für den Transfer von Trockengasprodukten, in Betracht gezogen;
- • neue Verarbeitungsanlagen, insbesondere schnell agierende Prozesssteuerventile, erfordern hohe Leistungspegel auf fast kontinuierlicher Basis.
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Steuerventile für die Unterwasserhydraulik werden typischerweise in einer von zwei Hauptkategorien konfiguriert, das heißt, als offener Kreislauf und geschlossener Kreislauf, wobei der erstere auf einem Verklappen gebrauchten Fluids in die See basiert und der letztere auf ein Zurückführen des verbrauchten Fluids an die Haupt-HPU zur Wiederverwendung basiert. Jüngste Anlagen in im Hinblick auf die Umwelt empfindlichen Gebieten zeigten das unerwünschte Wesensmerkmal von Systemen mit offenem Kreislauf, da sowohl korrosionshemmende Substanzen als auch Farbstoffadditive in einer umweltgerechten grünen Klasse (umweltfreundlich) schwer zu erhalten sind und regelmäßig nur in einer gelben Klasse oder sogar roten Klasse angeboten werden.
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Hydraulik-Steuersysteme, die Teil der Produktionssteuerung unter Wasser sind, verwenden entweder auf Wasser basierende Fluide (meistens ein Gemisch aus destilliertem Wasser und Glykol plus Additive) oder auf Minerale basierende/synthetische Fluide. Für extrem schräg abgelenkte Strecken dominieren die inhärente geringe Viskosität der auf Wasser basierenden Fluide und die entsprechenden moderaten Übertragungsverluste. Auf Wasser basierende Fluide können sowohl in offenen Kreislaufsystemen als auch in geschlossenen Kreislaufsystemen verwendet werden, wohingegen Mineralöl nicht an die Umgebung abgeschieden werden kann.
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Um die geforderte Leistung für Szenarien mit hohem Durchsatz oder langer Ablenkstrecke mithilfe einer wirtschaftlich vertretbaren Versorgungsleitung (und einer, die in einem einzigen Durchgang über die volle Länge verlegt werden kann) bereitzustellen, muss die Kraftübertragung elektrisch erfolgen, da andernfalls das Fassungsvermögen der Versorgungsleitung alle akzeptablen Proportionen übersteigen würde.
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Traditionell wurden die folgenden Einwände gegenüber einigen Unterwasser-Hydraulikeinheiten erhoben und daher ortweise geschlossene Hydraulik-Kreislaufkonzepte vorgeschlagen.
- 1. Eine Leckage von Prozessgas aus dem Produktionsrohr wird in die Hydraulik-Steuerleitung und zu den Unterwasser-Sicherheitsventilen migrieren und von dort das gesamte Hydraulik-Steuerungssystem kontaminieren, jeder Versuch ein mit Gas kontaminiertes Fluid mithilfe einer Pumpe hoch zu treiben, die für einen Einphasenbetrieb gedacht ist, wäre zwecklos (Komprimierbarkeit und möglicherweise eventuell sogar freie Gasphase);
- 2. eine Leckage von geringeren Mengen des Fluids an die Umgebung wird möglicherweise das örtliche Reservoir der HPU entleeren und ein Betriebsproblem erzeugen;
- 3. nasse elektrische Make/Break-Verbinder sind unzuverlässig;
- 4. elektrische Käfigläufermotoren sind unzuverlässig, wenn sie in einer Unterwasserumgebung verwendet werden;
- 5. feststehende Verdrängungspumpen haben eine begrenzte Betriebszeit, typischerweise maximal 12.000 Stunden unter idealen Bedingungen mit sauberem Fluid und guter Schmierung und werden häufige Eingriffe erfordern und somit zu einem Verlust an Gleichmäßigkeit im Betrieb führen;
- 6. dynamische Rotorpumpen, zum Beispiel Zentrifugalpumpen, liefern typischerweise einen niedrigen Druck und einen hohen Durchsatz, das Gegenteil von dem, was für eine HPU gefordert wird, die für Produktionssteuerungszwecke vorgesehen ist.
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Dreißig Jahre der Entwicklungen und des Betriebs von Öl- und Gasfeldern unter Wasser haben grundsätzlich die Gültigkeit dieser Einwände gezeigt. Jüngste Entwicklungen haben jedoch viele Veränderungen mit sich gebracht, die Summe derer ein Überdenken des Gesamtergebnisses verlangt, dass Unterwasser-Hydraulikeinheiten keinen Platz in den kommerziellen Unterwasser-Entwicklungen haben. Bezüglich oben genannter Nachteile haben die folgenden Veränderungen stattgefunden:
- 1. Untertage-Sicherheitsventilantriebe haben sich im Hinblick auf eine Leckage deutlich verbessert. Dennoch kann eine Leckage als ein Faktor nicht ignoriert werden, und der Nachteil bleibt gültig. Ein brauchbares System benötigt Systemmerkmale, um geringere Leckagen von Gas aus den Untertage-Sicherheitsventilen zu handhaben;
- 2. ein Steuerungssystem ohne jegliche externe Leckage ist unwahrscheinlich, wenngleich umweltrelevante Leckagen selten sind. Der Ersatz von verlorenem Fluid ist zum Zwecke einer gleichmäßigen Betriebsweise erforderlich;
- 3. nasse Make/Brake-Verbinder für 12 kV sind seit einiger Zeit mit guten Ergebnissen im Betrieb und 36 kV Systeme wurden qualifiziert. Nasse Make/Brake-Verbinder im Hochspannungsbereich (HV) wurden zu einer wirtschaftlich brauchbare Komponente;
- 4. elektrische Käfigläufermotoren sind seit einiger Zeit für 2 MW Systeme und eine 9 bis 10 kV Statorspannung im Betrieb. Die Frage zum Motor wurde von der HPU-Diskussion abgetrennt, welcher für die meisten Anwendungen typischerweise < 15 kW Leistung benötigt;
- 5. feststehende Verdrängungspumpen für 2 MW Leistung werden entwickelt, aber für weniger Druck als für eine HPU zu Steuerungszwecken benötigt wird;
- 6. dynamische Rotorpumpen für unverarbeitete Fördermedien (Multiphase), produziertes Wasser und sogar Meerwasser, wurden für Bemessungsgrößen bis zu 2 MW qualifiziert und über ausgedehnte Zeiträume mit Fluiden mit einer signifikanten Teilchenverunreinigung betrieben.
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Auf diese Weise kann ordentlich dargelegt werden, dass mit Komponenten des Standes der Technik mit Bezug auf eine Unterwasser-Hydraulikeinheit die Gasleckage und die Pumpeneinheit als die einzigen Probleme in Bezug auf die Ausführung einer zuverlässigen Unterwasser-Hydraulikeinheit zu Steuerzwecken verbleiben.
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Ganz elektrische Steuerungssysteme wurden für die Produktionssteuerung vorgeschlagen und entwickelt und befinden sich in der Entwicklung für Saugrohr-Antriebe und schnell agierende Produktionssteuerungsventile (PCVs). Es gibt jedoch schwerwiegende Nachteile hinsichtlich ganz elektrischer Steuerungssysteme, die ihre Einführung in den Markt äußerst wahrscheinlich verlangsamen werden:
- 1. Ein elektrohydraulisches Antriebsdesign für einen Fail-Close-Betrieb ist relativ komplex und die Zuverlässigkeit wird ein Problem sein;
- 2. es gibt wenige, falls überhaupt, überzeugende Gestaltungen für einen Fail-Close-Antrieb für die Untertage-Sicherheitsventile;
- 3. in dem Fall, dass ein horizontales Steigrohrkopf-Design verfolgt wird, kann der Steigrohrkopf nicht wieder gewonnen werden, ohne vorher die Verrohrung wiederzugewinnen, was einen bedeutenden Nachbesserungsbetrieb mit hohen Kosten, sowohl hinsichtlich der Ausrüstungskosten als auch der ausgesetzten Produktion, darstellt, so dass das Augenmerk noch mehr auf Zuverlässigkeit gerichtet ist.
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Aus der
US 2002/0 040 786 A1 ist ein elektrohydraulisches Prozessteuerungssystem in einer Unterwasser-Produktionsanlage mit einer oberflächenseitigen Hydraulikeinheit bekannt, die angetrieben und gesteuert wird, um eine hydraulische Leistung zu erzeugen und diese einer Prozesssteuerungseinrichtung der Unterwasser-Produktionsanlage zuzuführen. Eine Versorgungsleitung weist ein Rohr, um die hydraulische Leistung von der oberflächenseitigen Hydraulikeinheit zu der Prozesssteuerungseinrichtung zuzuführen, und Kabel auf, die eine elektrische Leistung zum Betrieb der Unterwasser-Hydraulikeinheit zuführen. Eine Einrichtung ist zum Steuern der Unterwasser-Hydraulikeinheit vorgesehen.
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GB 2 266 546 A beschreibt eine Unterwasser-Produktionsanlage mit einer Offshore-Plattform, die ein Druckgas über eine Versorgungsleitung zu einer Kraftmaschine an einem Bohrlochkopf liefert, die die pneumatische Leistung des Druckgases in eine hydraulische Leistung für den Betrieb von Aktuatoren der Unterwasser-Produktionsanlage wandelt. Die Kraftmaschine kann bspw. ein Druckluftmotor, der eine Hydraulikpumpe antreibt, oder ein gasbetätigter Zylinder sein, der zur Erzeugung eines hydraulischen Versorgungsdrucks eingerichtet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung hat somit zur Aufgabe, ein elektrohydraulisches Prozesssteuerungssystem zu schaffen, in welchem die Versorgung mit Betriebsleistung und das Antriebsverhalten über lange Ablenkstrecken zwischen den Unterwasser- und Haupteinrichtungen einer Unterwasser-Produktionsanlage sichergestellt ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, ein elektrohydraulisches Prozesssteuerungssystem für eine Unterwasser-Produktionsanlage zu schaffen, in welchem die Qualität des Hydraulikfluids auf Unterwasserniveau aktiv gesteuert wird.
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Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, ein elektrohydraulisches Prozesssteuerungssystem zu schaffen, in welchem die Verfügbarkeit einer Notabschaltung verbessert wird und auch über lange Ablenkstrecken zwischen den Unterwasser- und Haupteinrichtungen einer Unterwasser-Produktionsanlage sichergestellt ist.
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Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, ein elektrohydraulisches Prozesssteuerungssystem zu schaffen, in welchem die Verfügbarkeit einer Notabschaltung während eines fortgesetzten Betriebs einer Unterwasser-Produktionsanlage getestet werden kann.
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Ein weiterer Aspekt ist, einen Steuerungsprozess bereitzustellen, dessen Schritte dazu bestimmt sind, die Betriebsleistung und das Antriebsverhalten über lange Ablenkstrecken zwischen den Unterwasser- und Haupteinrichtungeneiner Unterwasser-Produktionsanlage sicherzustellen.
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Diese und weitere Aufgaben werden mit einem elektrohydraulischen Prozesssteuerungssystem und -verfahren gelöst, wie sie in den angehängten Ansprüchen ausgeführt sind.
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Kurz zusammengefasst, liefert die vorliegende Erfindung ein elektrohydraulisches Prozesssteuerungssystem in einer Unterwasser-Produktionsanlage, mit:
- – einer oberflächenseitigen Hydraulikeinheit, die so angetrieben und gesteuert wird, dass sie eine hydraulische Leistung erzeugt und einer Prozesssteuereinrichtung der Unterwasser-Produktionsanlage in einem Dauerbetriebsmodus zuführt;
- – einer unter Wasser liegenden Hydraulikeinheit, die so angetrieben und gesteuert wird, dass sie eine hydraulische Leistung erzeugt und der Prozesssteuereinrichtung der Unterwasser-Produktionsanlage in einem Übergangs-Betriebsmodus zuführt;
- – einer Versorgungsleitung, mit einer Verrohrung mit kleiner Bohrweite, die eine hydraulische Leistung von der oberflächenseitigen Hydraulikeinheit zur Prozesssteuereinrichtung führt, und Kabeln, die eine elektrische Leistung für den Betrieb der Unterwasser-Hydraulikeinheit zuführen, und
- – einer Steuereinrichtung, die zur Steuerung der Unterwasser-Hydraulikeinheit zwischen einem Bereitschaftsmodus und einem Betriebsmodus eingerichtet ist,
wobei die Unterwasser-Hydraulikeinheit eine Pumpe aufweist, die durch einen Elektromotor angetrieben ist, wobei die Pumpe in dem Übergangs-Betriebsmodus betrieben und gesteuert werden kann, um einen Druck eines von der Prozesssteuerungseinrichtung zurückkehrenden Hydraulikfluids auf einen Druck zu verstärken, der für einen Betrieb von Prozess- und Sicherheitsventilen der Prozesssteuerungseinrichtung erforderlich ist.
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Ein signifikantes Merkmal der Erfindung ist, dass die oberflächenseitige Hydraulikeinheit für die Bereitstellung der Dauerleistung betrieben werden kann, die sich durch eine Leckage des Wegeventils repräsentiert, und die Unterwasser-Hydraulikeinheit zur Bereitstellung der Übergangsleistung betrieben werden kann, die benötigt wird, um Prozess- und Sicherheitsventile der Prozesssteuereinrichtung zu betreiben.
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Zu diesem Zwecke umfasst die Unterwasser-Hydraulikeinheit die Pumpe, die durch einen mit Wechselstrom angeregten Elektromotor angetrieben wird, welcher von der durch die Versorgungsleitung zugefügten höheren Spannung herabgeregelt ist.
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Insbesondere kann die Pumpe in dem Übergangs-Betriebsmodus so betrieben und gesteuert werden, dass der Druck des von der Prozesssteuereinrichtung zurückkehrenden Hydraulikfluids auf einen Druck verstärkt wird, der zum Betreiben der Prozess- und Sicherheitsventile der Prozesssteuereinrichtung benötigt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Hydraulikfluid- unter Betriebsdruck in einer Mitteldruck-Akkumulatorreihe akkumuliert, wird ein Hydraulikfluid unter Rückflussdruck in einer Niedrigdruck-Akkumulatorreihe akkumuliert und wird die Pumpe zum Befüllen der Mitteldruck-Akkumulatorreihe mit Hydraulikfluid aus der Niederdruck-Akkumulatorreihe betrieben.
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In vorteilhafter Weise umfasst das Prozesssteuerungssystem der Erfindung ein Rückschlagventil, durch dessen Betrieb das durch die Versorgungsleitung zugeführte Hydraulikfluid im Fluidzirkulationsmodus durch die Versorgungsleitung zur oberflächenseitigen Hydraulikeinheit zurückgebracht wird, und zwar unter einem Druck, der von dem Betriebsdruck des Steuerungssystems unabhängig ist.
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Ebenso bevorzugt sind die Komponenten der Unterwasser-Hydraulikeinheit in einem Druckgefäß enthalten, aus welchem im Zirkulationsmodus Hydraulikfluid zu der oberflächenseitigen Hydraulikeinheit zurückgebracht wird, und zwar mittels selektiv betriebener Wegeventile und über eine erste und zweite Rückflussleitung.
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So verlässt die erste Rückflussleitung das Druckgefäß an seiner Bodenregion unter Mitnahme von Hydraulikfluid und im Druckgefäßabgelagerten Teilchenmaterials und verlässt die zweite Rückströmleitung das Druckgefäß an seiner Deckenregion unter Mitnahme des Hydraulikfluids und eventuell im Druckgefäß angesammelten gasförmigen Materials.
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Um das von der Boden- bzw. Deckenregion des Druckgefäßes abgezogene Hydraulikfluid zu beschleunigen, sind die erste und die zweite Rückflussleitung in vorteilhafter Weise mit einem Eduktor verbunden, welcher durch den durch die Versorgungsleitung zugeführten Hydraulikdruck angetrieben wird.
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Ein redundantes Notabschaltsystem wird gemäß der Erfindung durch Bereitstellen wenigstens von zwei Wegeventilsätzen, die in Reihe geschaltet sind, erreicht, wobei jeder Satz wenigstens zwei Wegeventile umfasst, die parallel zur Zuführleitung und zur Rückflussleitung geschaltet sind und die Wegeventile elektrisch durch die Versorgungsleitung hindurch antreiben und die Ventile in eine normalerweise geschlossene Position bringen.
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So sind die Wegeventile des Notabschaltsystems einzeln oder paarweise in eine Öffnungsposition steuerbar, was einen Betriebstest für alle Ventile in dem System ohne einen Produktionsverlust bei der Unterwasserproduktion oder der Verarbeitungsanlage zu ermöglichen.
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Durch die oben genannten Maßnahmen führt die vorliegende Erfindung auch ein neues Verfahren zum Betreiben einer Prozesssteuereinrichtung in einem elektrohydraulischen Prozessteuerungssystem in einer Unterwasserproduktionsanlage ein. Das neue Verfahren umfasst die Schritte:
- – Zuführen einer hydraulischen Leistung über eine Versorgungsleitung von einer oberflächenseitigen Hydraulikeinheit zum Betrieb der Prozesssteuereinrichtung in einem Dauerbetriebsmodus des Prozesssteuerungs-Systems;
- – Zuführen einer elektrischen Leistung über die Versorgungsleitung zum Betrieb einer unter Wasser liegenden Hydraulikeinheit,
- – Steuern der Unterwasser-Hydraulikeinheit zwischen einem Bereitschaftsmodus und einem Betriebsmodus zum Betrieb der Prozesssteuereinrichtung in einem Übergangs-Betriebsmodus des Prozesssteuerungssystems, und
- – Verstärken des Drucks des von der Prozesssteuerungseinrichtung zurückkehrenden Hydraulikfluids durch die Unterwasser-Hydraulikeinheit auf einen höheren Druck, der zum Betreiben von Prozess- und Sicherheitsventilen des Prozesssteuerungssystems erforderlich ist.
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Ein Verstärken des Drucks des Hydraulikfluids wird gemäß der Erfindung durch Herabsetzen der über die Versorgungsleitung zugeführten elektrischen Hochspannung auf eine Nieder-Wechselspannungs, die zum Anregen eines Elektromotors und einer Pumpe der Unterwasser-Hydraulikeinheit geeignet ist.
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Das Verfahren umfasst in vorteilhafter Weise auch den weiteren Schritt des Trennens der Strömung des über die Versorgungsleitung zugeführten Hydraulikfluids in einem Zirkulationsmodus von der Strömung des Hydraulikfluids, das zum Betrieb der Prozesssteuerungseinrichtung benötigt wird.
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Ebenso bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Abziehens von Verunreinigungen aus dem Hydraulikfluid auf Unterwasserniveau im Zirkulationsmodus.
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Eine Qualitätssteuerung des Hydraulikfluids kann durch die Schritte der Abscheidung von teilchenförmigen Verunreinigungen in einer Bodenregion eines Druckgefäßes und durch Akkumulieren von gasförmigen Verunreinigungen in einer Deckenregion des Druckgefäßes und durch ein selektives Abziehen des Hydraulikfluids mit teilchenförmigen oder gasförmigen Verunreinigungen aus dem Druckgefäß erreicht werden.
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Das Verfahren zum Abziehen von Verunreinigungen kann ferner durch den Schritt des Beschleunigens der Rückflussströmung des Hydraulikfluids mittels eines Eduktors verbessert werden.
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Ein Testen der Verfügbarkeit des Notabschaltsystems unter fortgesetzter Produktion der Unterwasser-Produktionsanlage ist aufgrund der Bereitstellung eines redundanten Notabschaltsystems durch die Einsetzung mehrerer Notabschaltventile erreichbar, die elektrisch in eine normalerweise geschlossene Stellung gesteuert sind und für Testzwecke einzeln in eine Öffnungsstellung gebracht werden können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird unten weiter mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert, in welchen
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1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Unterwasser-Produktionsanlage ist;
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2 eine schematische Darstellung eines elektrohydraulischen Kraftsystems ist;
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3 eine schematische Darstellung des Behälter-Schaltkreises ist, der mit der Rückflussseite des Hydrauliksystems verbunden ist;
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4 ein Detail des ESD-Schaltkreises ist,
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5 ein Detail für eine Verbesserung der Fluidzirkulation darstellt, und
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6 eine schematische Ansicht der konstruktiven Gestaltung einer Ausführungsform einer Unterwasser-Hydraulikeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen und der gezeigte Schaltkreis absichtlich vereinfacht sind und eine Anzahl von Details aus Gründen der Klarheit weggelassen sind, zum Beispiel die elektrische Steuerung und Instrumentierung, Filter und Zusatzventile. Auch einige der verwendeten Symbole sind aus dem gleichen Grunde vereinfacht. Die Vereinfachungen beeinträchtigen jedoch die Beschreibung der neuen Kernmerkmale nicht.
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Mit Bezug auf 1 kann ein Aufbau für die Produktion von Fördermedien typischerweise eine oberflächenseitige Anlage umfassen, die über Produktionsleitungen, welche die oberflächenseitige Einrichtung mit den Bohrlochköpfen verbinden, mit ein oder mehreren Bohrungen am Meeresboden kommuniziert. Die Produktion wird durch eine Steigrohr(XT)-Struktur gesteuert, die auf dem Bohrlochkopf sitzt und zur Handhabung der Fluidströme aus dem Bohrloch gesteuert wird. Eine Antriebs- und Steuerkraft für die Produktions- und Sicherheitsventile, die in der XT-Struktur eingebaut sind, wird über eine Versorgungsleitung zugeführt, die ein Prozesssteuerungsmodul auf der Haupteinrichtung mit dem Steigrohr verbindet. Das Prozesssteuerungssystem umfasst typischerweise elektrische und hydraulische Einheiten und eine Steuereinrichtung, die den Unterwasseranlagen über Rohre, die in der Versorgungsleitung gebündelt und durch diese geschützt sind, eine Steuerungs- und Antriebskraft zuführen.
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Natürlich können für den Zweck dieser Erfindung die oberflächenseitigen Anlagen auf einer landseitigen oder halb versenkten Einrichtung aufgenommen sein. Auch ist natürlich in 1 die Ablenk- bzw. Anbindungsstrecke zwischen der Unterwasseranlage und der Haupteinrichtung stark untertrieben.
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Die Erfindung zeigt ein Zirkulationssystem eines Hydraulikfluids zu einer entfernten Unterwasser-Hydraulikeinheit 11 und zurück zu einer landseitigen Hydraulikeinheit 1 auf der Haupteinrichtung, derart, dass jegliche Gasmigration aus den Untertage-Sicherheitsventilen durch das Steigrohrsystem hindurch zu dem Steuermodul zurück zu der Unterwasser-Hydraulikeinheit gebracht wird und mithilfe der Rückflussleitung R in einem geschlossenen System zurück zu der Hydraulikeinheit in der Haupteinrichtung geführt wird. Selbst Leitungen mit kleiner Bohrung (typischerweise 1/2'' für lange Versätze) in der Versorgungsleitung haben die Kapazität, signifikante Mengen an Verunreinigung abzuführen.
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Mit spezieller Bezugnahme auf 2 sind die grundlegenden Komponenten der Erfindung die oberflächenseitigen Hydraulikpumpe 1, die durch einen Elektromotor (nicht gezeigt) im Industriestandard angetrieben wird und eine Akkumulatorreihe 2, die eine hydraulische Kraft mit typischerweise 207 bar durch eine Zuführleitung P mit kleiner Bohrung, die in der Versorgungsleitung 3 enthalten ist, liefert. Eine Unterwasser-Hydraulikeinheit 11, die typischerweise an einer zentralen Struktur an der Produktionsstelle angeordnet ist, umfasst einen Behältereinsatz 10, um Komponenten der Unterwasser-Hydraulikeinheit gegenüber der Umgebung zu schützen, eine Akkumulatorreihe 4 im Mitteldruckbereich (typischerweise 207 bar plus Umgebungsdruck), eine Niederdruck-Akkumulatorreihe 5, die bei einem Druck arbeitet, der höher ist als der Umgebungsdruck, eine Gruppe von Wegeventilen 6, welche den Hydraulischen Kraftfluss unter Betriebsdruck an Endverbraucher verteilen, einen Verteiler zur Sammlung des Rückkehrfluids von den Endverbrauchern 10 und ein System aus Schnellschlussventilen 9, eine Verstärkungseinheit 7 mit einer Pumpe und einem Motor, um den Druck vom Rückkehrdruck auf den Betriebsdruck zu verstärken, ein Wegeventil 8, um eine Fluidzirkulation bei reduziertem Druck zu erleichtern und eine Rückflussleitung R.
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Im normalen Dauerbetriebsmodus, das heißt, wenn die natürliche Eigenleckage am Wegeventil (normalerweise sehr gering) der einzige Fluidverbrauch ist, wird die hydraulische Kraftversorgung mithilfe der Zuführleitung P bereitgestellt, wobei sich die Unterwasser-Verstärkereinheit 7 im Standby-Modus befindet. Dieser Betriebsmodus ist mit wenigstens 95% der Zeit, und für ein typisches System wesentlich mehr, zeitlich ganz und gar vorherrschend.
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In dem Übergangsmodus, das heißt, dem Betrieb von Ventilen, ist der Fluidverbrauch zeitweise relativ hoch, ist die Fluidzuführung aus der Zuführleitung P unzureichend und wird eine Unterstützung von dem Verstärker 7 benötigt. Diese Situation ist auch typisch für Unterwasser-Prozessanlagen, welche schnell agierende Produktionssteuerventile (PCVs) enthalten. Der Verstärker 7 wird dazu verwendet, die Mitteldruck-Akkumulatorreihe 4 aus der Niederdruck-Akkumulatorreihe 5 zu befüllen. Der Verstärkermotor ist typischerweise eine Käfigläufereinheit, welche die Wechselstromversorgung unter Hochspannung über einen Abwärtstransformator herunterfährt, der typischerweise die 3-phasige 5 bis 60 Hz Spannung von 3 bis 24 kV auf 220 V abspannt.
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Für lange Anbindungsstrecken kann es vorteilhaft sein, die elektrische Leistung an den Verstärkermotor und die Unterwasser-Elektronik unter niedrigen Frequenzen zu übertragen, oder sogar extrem niedrigen Frequenzen von bis zu 1 Hz. In der Praxis hat sich eine Spannungsversorgung mit Wechselspannung von etwa 5 Hz über lange Strecken als machbar erwiesen. Obwohl dies zu einer niedrigeren Drehgeschwindigkeit und Kapazität führt, was ein Vergrößern der Motoren und Pumpen der Unterwasser-Hydraulikeinheiten erfordert, verlängert die reduzierte Belastung der Einrichtung ihre Lebensdauer und wäre noch eine kostenwirksame Option über lange Strecken, bei welchen die Kosten der Einrichtung ein weniger diskriminierender Faktor sind als zum Beispiel das Gewicht.
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Ein Käfigläufermotor, der bei jeder Spannung von weniger als 1 kV arbeitet, kann zum Betrieb in einem auf Wasser basierenden oder auf Mineralöl basierenden Hydraulikfluid unter Verwendung allgemeiner Isolationsmaterialien gewickelt sein (Wicklungen wurden erfolgreich für bis zu 9 kV ausgelegt). Es kann praktisch sein, ein größeres Statordesign hinzunehmen, um ein Kabel für die Statorwicklungen zu verwenden, anstelle eines lackisolierten Drahtes für eine besondere elektrische Robustheit. Das Design und die Herstellung solcher Motoren gehört für den Fachmann auf diesem Gebiet der Technologie zu seiner allgemeinen Kenntnis.
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Das Steuern der Unterwasser-Hydraulikeinheit 11 aus dem Bereitschaftsmodus hin zum Betriebsmodus wird mithilfe eines Drucksensors durchgeführt, der mit der Mitteldruck-Akkumulatorreihe 4 verbunden ist, wobei der Sensor über das Kommunikationssystem berichtet, dass der Akkumulatorreihendruck unter einen vorher festgesetzten Wert, wie beispielsweise 185 bar, gefallen ist, zum Beispiel aufgrund dessen, dass Stellglieder bewegt werden. Ein Befehl zum Aktivieren der Unterwasser-Hydraulikeinheit 11 mit der Verstärkungseinheit 7 wird dann von einem oberflächenseitigen Steuercomputer erzeugt, der die Unterwasser-Hydraulikeinheit 11 vom Bereitschaftsmodus auf den Betriebs-Modus umstellt, wodurch die Energieversorgung von der Zuführleitung über die Versorgungsleitung und nur der oberflächenseitigen Hydraulikeinheit 1 hin zu einer kombinierten Leistungsversorgung aus der oberflächenseitigen Hydraulikeinheit 1 und der Unterwasser-Hydraulikeinheit 11 überführt wird.
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Typischerweise würde die Verstärkungseinheit auf Segementdrucklagern (nicht gezeigt) mit langer Lebensdauer abgestützt sein, obwohl mit dieser Art von diskontinuierlichem Betrieb die tatsächliche Betriebszeit in einem Zehnjahreszeitraum im Vergleich zum kalendarischen Zeitraum nicht sehr hoch sein wird. Mit 5% Übergangsbetrieb beträgt der jährliche aktive Betrieb etwa 400 Stunden, was im Hinblick auf eine Abnutzung vernachlässigbar ist. Für den Betrieb von schnell agierenden Produktionssteuerventilen würde die aktive Betriebszeit der Verstärkereinrichtung natürlich viel höher sein.
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Obwohl die Erfindung auch gut in einem offenen hydraulischen System anwendbar ist, in welchem ein verbrauchtes Hydraulikfluid ins Meer abgelassen wird, wird ein spezieller Fall des Dauerbetriebs, im Folgenden als Zirkulations-Modus bezeichnet, in vorteilhafter Weise mithilfe des Absperrventils 15 vereinfacht. In diesem Modus sorgt die Mitteldruck-Akkumulatorreihe 4 für den unbedeutenden Fluidverbrauch, der benötigt wird, um die Leckage- der Wegeventile zu kompensieren. Dies stellt sowohl die Zuführleitung P als auch die Rückflussleitung R für die Zirkulation des Fluids frei und somit auch für die Fluid-Qualitätskontrolle.
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Während 2 wichtige Merkmale der Erfindung darstellt, zeigt 3 wesentliche Merkmale in Bezug auf den Zirkulationsmodus, die aus Gründen der Klarheit in 2 vereinfacht oder weggelassen sind. Der Behälter 110 enthält die Akkumulatorreihen 4 und 5 (5 ist in 3 nicht gezeigt) sowie die Verstärkereinrichtung 7, alle Wegeventile und anderen Komponenten der Unterwasser-Hydraulikeinheit. Der Behälter hat typischerweise einen zylindrischen Querschnitt und eine halbkugelförmige Kappe an der Oberseite und der Unterseite. Der Druck in dem Behälter ist so eingestellt, dass für eine ausreichende Strömung des rückkehrenden Fluids gesorgt ist, und wird somit als ein Druckgefäß angesehen. ROV-betriebene (fernbetriebenes Medium) HV-Verbinder und hydraulische Stoßverbinder, die benötigt werden, um Leistung und Fluid bereitzustellen, sind standardmäßige Unterwasserkomponenten, die in Unterwasser-Steuerungssystemen umfassend verwendet werden. Diese stellen bedarfsweise Nassverbindungen her. Der Behälter hat die sehr wichtige Funktion, Verunreinigungen zu sammeln, und zwar teilchenförmige Verunreinigung am Boden und freies Gas an der Oberseite. Freies Gas wird nur in seltenen Fällen bei stärkeren Dichtungsmängeln in den Untertage-Sicherheitsventilen erwartet. Es ist wichtig, beide Arten von Verunreinigungen zu abzuführen. Es ist auch wichtig, ein Fluid abzuführen, das Gas absorbiert hat, wenn auch nicht notwendigerweise in einem freien Zustand, aber in genügender Menge, um das Kompressionsmodul in erheblicher Weise zu beeinflussen. In 3 sind beide Arten von Verunreinigung zu Darstellungszwecken optisch in starker Übertreibung dargestellt, ein solcher Grad von Verunreinigung wird wahrscheinlich niemals auftreten. Für Fälle, in welchen ein Mineralöl/Synthetiköl als Steuerfluid verwendet wird, ist es auch wichtig, dass durch den Eintritt von Wasser, sei es in freier Phase oder in Öl gelöst, verunreinigtes Öl zu entfernen.
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Die Wegeventile 12 und 13 erleichtern eine Auswahl für das Abführen von Gas oder teilchenförmiger Verunreinigung durch Zirkulation. Die teilchenförmige Verunreinigung ist im schlimmsten Fall NAS 1648 Klasse 12, da Systeme dieser Art immer so ausgelegt sind, dass sie Klasse 6 erreichen, es ist aber allgemein bekannt, dass sie häufig unter Klasse 8 oder sogar noch schlechter arbeiten. Solche zu entfernenden Teilchen sind klein und bewegen sich leicht in dem Zirkulationsfluid.
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5 zeigt einen vereinfachten Weg für eine Vorrichtung zum Verbessern der Zirkulation in dem isolierten Modus, ohne bewegliche Teile zu verwenden. R1 und R2, je nach Auswahl, führen verunreinigtes Fluid in einen Eduktor, welcher mit der Energie in der P-Leitung betrieben wird. Der Druck in der Rückflussleitung R wird verstärkt und gleichzeitig wird das verunreinigte Fluid wirksam in die Rückflussleitung R injiziert. Eine beachtliche Druckzunahme ist möglich, ohne das Behältervolumen unter Druck zu setzen. Eduktoren sind Handelsware.
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Alternativ kann, obwohl dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, eine Ausführungsform mit geschlossenem Kreislauf zusätzlich einen hydraulischen Schaltkreis umfassen, der den Verteiler von den Endverbrauchern 10 mit der Rückflussleitung R, stromabwärts des Eduktors in 5, verbindet und den Rückfluss zu der landseitigen Hydraulikeinheit, außerhalb der Schaltkreise der Unterwasser-Hydraulikeinheit, über ein für diesen Zweck vorgesehenes Rückschlagventil steuert.
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Das Rückschlagventil 15 ist normalerweise aufgrund seiner Auslegung nicht für ein Unterwasser-Produktionssteuerungssystem zugelassen, da der primäre Schnellschlussmodus darin besteht, ein Hydraulikfluid aus den Unterwasser-Steuermodulen zurückzustoßen und somit alle schließsicheren Sicherheitsventile zu schließen.
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Für Steuerungssysteme für sehr weite Ablenkungen wird dieser traditionelle Schnellschlussmodusbetrieb keine ausreichende Schnellschlussreaktion liefern, und es sind neue Mechanismen erforderlich. So hat sich, da ein Schnellschluss auf federbelastete Wegeventile zum Absenken des Fluiddrucks zurückgeführt und gestützt werden muss, das Absperrventil als akzeptabel erwiesen und erleichtert somit den Zirkulationsmodus.
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Dieser Ansatz stellt die Frage nach der Verfügbarkeit von Schnellschlusseinrichtungen, normalerweise ausgedrückt als Sicherheits-Integritätsgrad (SIL), welcher einfach die Möglichkeit des Erfolgs zum Ausdruck bringt (in jedem beliebigen Betriebsmodus zu jeder beliebigen Zeit) einen Schnellschluss auf Befehl zu herbei zu führen. Diese Funktionalität ist kritisch und die Wahrscheinlichkeit eines Erfolgs sollte sehr hoch sein.
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Das in 4 vorgeschlagene Schnellschlusssystem 9 wird die geforderte Funktionalität für Schnellschlusseinrichtungen erreichen. Vier standardmäßige Wegeventile 21 sind, wie dies dargestellt ist, mit bestimmten befehlsgesteuerten Schnellschlusseinrichtungen verbunden. Ein einzelnes Versagen eines Wegeventils kann einen Schnellschluss nicht verhindern und ein einziges Versagen eines Wegeventils kann die Produktion nicht verhindern. Die vorgeschlagene Redundanzart kann erweitert werden, aber die vorgeschlagene Anordnung reicht aus, um einen sehr hohen SIL-Wert zu erhalten.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Art eines Schaltkreises die Schnellschluss-Verfügbarkeit im Vergleich zu einem einzelnen Ventil um einen Faktor im Bereich von 10 bis 25 verbessert, je nach den Annahmen für übliches Fehlverhalten. Der Verbesserungsfaktor von 10 würde einem üblichen Modusfaktor von 5% entsprechen und ein Verbesserungsfaktor von 25 würde einem üblichen Modusfaktor von 2% entsprechen. Durch eine sorgfältige Gestaltung ist es möglich, sich dem 2% Niveau zu nähern und somit eine sehr hohe Verfügbarkeit der Abschaltfunktion bereitzustellen. So wird der traditionelle Schnellschlussmodus, das heißt, das Ausblasen am Host-Ende, nicht länger benötigt werden. Dieser ist auch nicht länger durchführbar.
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Eine FMECA (Fehlermodus- und Effektfolgenanalyse) und eine Zuverlässigkeitsanalyse zeigen, dass die gegenwärtige Ventilkonfiguration (4) eine PFD (Fehlerwahrscheinlichkeit, seine befehlsabhängige Sicherheitsfunktion durchzuführen) von 1,6 E–06 (0,00015%) hat. Folglich wird das System die SEL 3 Anforderungen erfüllen, was der für Schnellschlusssysteme spezifizierte typische Sicherheits-Integritätsgrad ist.
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Die Wegeventile werden mithilfe von in der Versorgungsleitung enthaltenen, dafür bestimmten elektrischen Leitungen (Gleichstrom-Niederspannung) offengehalten. Die dazu bestimmten elektrischen Leitungen sind direkt mit der Schnellschluss-Bedientafel an der Haupteinrichtung verdrahtet.
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Im normalen Betrieb wird ein Schnellschluss an der Nebeneinrichtung die gesamte Leistung zur Unterwasseranlage abschneiden. Dies wird augenblicklich die Elektromagnete der Schnellschlussventile abregen sowie jegliche Funktionalität des Steuermoduls abschalten. Der Hydraulikdruck wird alle Produktionsventile entlasten und abschalten. Zu Testzwecken wird es möglich sein, die Leistung an die Wegeventil-Solenoide unter Verwendung der vorgesehenen Steuerleitungen zu trennen, während gleichzeitig die Leistung an das Steuersystem aufrecht erhalten wird, wodurch ein Schnellschluss unter voller Überwachung der Leistung des Steuerungssystems simuliert wird.
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Ein Test der Schnellschlussventile ist ein wichtiges Merkmal. Dies kann erreicht werden, indem Leistung an jedes Solenoid einzeln oder paarweise zugeführt wird, das heißt, zu einem Wegeventil in jedem Zweig (4). Diese Konfiguration wird den Betrieb aller Ventile in der Schnellschlussschaltung ermöglichen, ohne tatsächlich ein Abschalten des Unterwasser-Produktionssystems auszulösen.
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Die richtige Ventilfunktion könnte durch eine Induktionseinrichtung in dem Wegeventilkörper überwacht werden, die das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein einer Wegeventil-Verschiebung in die Endposition erfasst. Ebenso könnte der gleiche Effekt erhalten werden, indem eine Dehnungsmesseinrichtung an der Basis der Wegeventil-Rückholfeder montiert wird. Diese wird ein Überwachen der Federkraft ermöglichen, welche eine Funktion der Wegeventil-Verschiebungsposition ist.
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Das Testen und Überwachen des Betriebs des Schnellschlusssystems 9 (Siehe 4) wird erreicht, indem eine Strömungsmesseinrichtung zwischen der Akkumulatorreihe 4 und dem schematisch gezeigten Schnellschlussventilsystem 9 (siehe 2) eingesetzt wird. Jegliche in dieser Verrohrung erfasste Strömung ist ein Anzeichen für eine Strömung durch die Schnellschlussventile. Da dies ein sehr schnell agierendes Erfassungssystem sein wird, wird es möglich sein, die Schnellschlussventile zu öffnen, die Strömung zu erfassen und die Schnellschlussventile 21 zu schließen, bevor eine Abnahme im Versorgungsdruck des Hydrauliksystems eintritt. Es ist deshalb möglich, das Schnellschlusssystem ohne Unterbrechen der Produktion zu testen.
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Die Möglichkeit zum Testen einzelner Ventile in dem Schnellschlusssystem 9 ermöglicht die Reparatur und den Austausch einer Hydraulikeinheit mit einem fehlerhaften Ventil nach Belieben, wodurch die Verfügbarkeit des Schnellschlusssystems weiter verbessert wird.
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Der Betrieb von Untertage-Sicherheitsventilen erfordert wesentlich höhere Drücke als Steigrohr-Ventile. Dieser Druck wird mittels standardmäßiger Druckverdichter bereitgestellt, die heute in Unterwasser-Produktionssteuerungssystemen üblich sind.
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Die konstruktive Gestaltung einer Unterwasser-Hydraulikeinheit 11 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in 6 schematisch dargestellt. Der Behälter/das Druckgefäß 110 wird durch eine Trichterstütze 46, die auf dem Meeresboden steht, gehalten. In dem Behälter 110 sind die Akkumulatorreihen 4, 5, die Pumpen- und Motor/Transformator-Anordnung 7, die wahlweise betriebenen Wegeventile 12, 13 für den Rückfluss im Zirkulations/Verunreinigungs-Entfernungsmodus sowie die elektrisch gesteuerten Ventile 21 des Schnellschlusssystems aufgenommen. Zur Klarheit sind die internen hydraulischen und elektrischen Schaltkreise, die mit Bezug auf die 2 bis 5 erläutert wurden, in 6 weggelassen. Das Bezugszeichen 43 bezeichnet eine hydraulische Überbrückung, die die Hydraulik-Zuführleitung P und Rückflussleitung R enthält, wobei die Überbrückung 43 die Unterwasser-Hydraulikeinheit 11 mit einer Versorgungs-Endeinheit (UTA), die in der Ausgestaltung nicht gezeigt ist, über ROV-betriebene hydraulische Rohrverbinder 42 und ROV-betriebene Isolationsventile 41 verbindet. Ebenso bezeichnet Bezugszeichen 44 eine elektrische Überbrückung, welche die Unterwasser-Hydraulikeinheit 11 über den ROV-betriebenen elektrischen Rohrverbinder 45 mit UTA verbindet.
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Durch die konstruktiven und betriebstechnischen Einrichtungen und oben vorgesehenen Maßnahmen liefert die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben der Prozesssteuerungseinrichtung in einem elektrohydraulischen Prozesssteuerungssystem in einer Unterwasser-Produktionsanlage, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, die aus der obigen Offenbarung deutlich werden. Modifikationen zu der offenbarten Ausführungsform sind möglich, sofern sie noch den Vorteil der vorliegenden Lösung haben, wobei der Schutz derselben durch die angehängten Ansprüche definiert wird.
