專(zhuān)利名稱(chēng)：模擬臍帶電纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬與海底流體抽取井一起使用的臍帶電纜(umbilical)的方法、測(cè)試海底流體抽取井的控制設(shè)備的方法以及用于模擬與海底流體抽取井一起使用的臍帶電纜的裝置。
背景技術(shù)：
與例如烴類(lèi)抽取井等海底流體抽取井一起的可以長(zhǎng)達(dá)幾十千米的臍帶電纜用于在水面上的井控制站和海底控制設(shè)備(其位于海底，用于控制井操作)之間傳遞通信(用于控制和監(jiān)測(cè))、電功率、液壓和化學(xué)品。臍帶電纜的類(lèi)型和復(fù)雜度取決于受控的井的數(shù)目和該海底控制設(shè)備的供應(yīng)范圍。因此對(duì)每個(gè)應(yīng)用具體地設(shè)計(jì)臍帶電纜。由于臍帶電纜的長(zhǎng)度和特性，它可以引起對(duì)通過(guò)它傳送的信號(hào)和電力的有害影響(例如電力損耗、信號(hào)的衰減和可以引起過(guò)電壓的反射等)。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須考慮這些方面。當(dāng)海底控制設(shè)備在安裝之前集合在一起并且采用它的系統(tǒng)配置組裝以用于測(cè)試 (例如在工廠或在系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)所)時(shí)，因?yàn)槔脤?shí)際的臍帶電纜本身是不可行的，存在模擬臍帶電纜的需要以便當(dāng)測(cè)試時(shí)提供在它的終端處的預(yù)期的信號(hào)和電力特性。需要測(cè)試的海底控制設(shè)備的主要電氣方面是包括對(duì)要安裝在海床上的各種設(shè)備的電功率的控制和分布以及水面設(shè)備和海底設(shè)備之間的通信的電氣方面。通常采用的通信方法稱(chēng)為電力上通信(COP)，其中通信信號(hào)疊加在電功率供應(yīng)上。必須模擬由于長(zhǎng)臍帶電纜的特別電特性造成的由該長(zhǎng)臍帶電纜的使用引起的任何電效應(yīng)，來(lái)確保施加于采用測(cè)試配置的海底控制設(shè)備的電功率與當(dāng)在海床上安裝和操作時(shí)相同，并且通信(例如，COP)的方法和特性是相同。目前，采用的測(cè)試方法使用采用特別設(shè)計(jì)的電氣電路(無(wú)源部件的設(shè)置)的形式的臍帶電纜的硬件表示，該電氣電路連接在主電力供應(yīng)和測(cè)試中的海底控制設(shè)備之間。必須對(duì)每個(gè)測(cè)試配置設(shè)計(jì)并且建立新的臍帶電纜模擬器，這是昂貴且耗時(shí)的。作為背景，可提及電纜/傳輸線模擬方法，WO 2010/018544, W02009/02697U US 2009/185609,以及"Rapid prototyping tool for electrical load emulation using power electronic converters (使用功率電子轉(zhuǎn)換器用于電負(fù)載仿真的快速原型制作工具)”Industrial Electronics & Applications, 2009，ISBM :978-1-4244-468_0。

發(fā)明內(nèi)容
從一個(gè)方面根據(jù)本發(fā)明，提供模擬與海底流體抽取井一起使用的臍帶電纜的方法，該方法包括使用已編程的處理單元來(lái)調(diào)節(jié)輸入電信號(hào)，用于產(chǎn)生表征已經(jīng)通過(guò)這樣的臍帶電纜的信號(hào)的輸出信號(hào)。從另一個(gè)方面根據(jù)本發(fā)明，提供測(cè)試海底流體抽取井的控制設(shè)備的方法，該方法包括模擬臍帶電纜，其中使用已編程處理單元來(lái)調(diào)節(jié)輸入電信號(hào)以便產(chǎn)生表征已經(jīng)通過(guò)這樣的臍帶電纜的信號(hào)的輸出信號(hào)，以及包括將該信號(hào)供應(yīng)給該控制設(shè)備。
在每個(gè)這樣的方法中，輸入電信號(hào)可以是DC，并且該DC輸入電信號(hào)由DC-AC轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)。該轉(zhuǎn)換器可使用脈沖寬度調(diào)制調(diào)節(jié)該輸入電信號(hào)。該DC-AC轉(zhuǎn)換器可包括H橋路， 并且例如包括多個(gè)開(kāi)關(guān)，這些開(kāi)關(guān)的操作時(shí)序由已編程的處理單元控制來(lái)實(shí)現(xiàn)該調(diào)節(jié)。從另外的方面根據(jù)本發(fā)明，提供用于模擬與海底流體抽取井一起使用的臍帶電纜的裝置，該裝置包括處理單元，其可編程或已經(jīng)編程成用于調(diào)節(jié)輸入電信號(hào)以便產(chǎn)生表征已經(jīng)通過(guò)這樣的臍帶電纜的信號(hào)的輸出信號(hào)。這樣的裝置可以包括用于調(diào)節(jié)輸入電信號(hào)的DC-AC轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器可使用脈沖寬度調(diào)制調(diào)節(jié)該輸入電信號(hào)。該DC-AC轉(zhuǎn)換器可包括H橋路，并且例如包括多個(gè)開(kāi)關(guān)，這些開(kāi)關(guān)的操作時(shí)序由已編程的處理單元控制來(lái)實(shí)現(xiàn)該調(diào)節(jié)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)新穎的一般或通用可編程臍帶電纜模擬器的設(shè)計(jì)，其可以容易地適應(yīng)于在測(cè)試所有海底控制設(shè)備中使用。這通過(guò)在模擬器中包括可編程處理單元使得僅軟件需要適應(yīng)于根據(jù)要求改變?cè)撃M器的特性而實(shí)現(xiàn)。


圖1是典型的海底流體抽取井控制系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的模擬器的實(shí)施例的示意圖；以及圖3是圖2的模擬器的部件的更詳細(xì)的示意圖。
具體實(shí)施例方式典型的海底流體抽取井控制系統(tǒng)的配置在圖1中示出。處于浮動(dòng)平臺(tái)或鉆井架上的主控制站(MCS)I使操作員能夠控制海上井的操作。通常與該站1位于一處的發(fā)電機(jī)2 提供安置在海底的海底控制設(shè)備8所要求的所有電功率供應(yīng)。線路4上的電功率供應(yīng)傳遞給組合器和分離器設(shè)備5，其中線路3上來(lái)自該主控制站的通信信號(hào)(即，到該海底控制設(shè)備的控制信號(hào))與該電功率供應(yīng)組合。線路6上該組合的電功率和通信信號(hào)然后經(jīng)由臍帶電纜7傳送到該海底控制設(shè)備8。同樣，線路6上來(lái)自該海底控制設(shè)備的返回傳感器信號(hào)由該分離器5分離并且經(jīng)由線路3由站1接收。臍帶電纜7展現(xiàn)處于電功率供應(yīng)的操作頻率和通信的操作頻率兩者的電力傳輸線路的特性，例如信號(hào)衰減、沿它的長(zhǎng)度的功率損失以及由于負(fù)載失配引起的反射等。臍帶電纜的這樣的特性可在理論上或從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。特別地，要使用的銅的物理尺寸和數(shù)量是已知的，并且因此也可確定臍帶電纜對(duì)于各種頻率的每單位長(zhǎng)度阻抗。另外，有經(jīng)驗(yàn)的井操作員還具有關(guān)于各種頻率的信號(hào)如何受各種尺寸的臍帶電纜影響的數(shù)據(jù)。要描述的可編程臍帶電纜模擬器是單個(gè)設(shè)備，可以對(duì)其編程來(lái)模擬任何臍帶電纜的電行為，并且其可以用于任何海底系統(tǒng)，并且計(jì)劃用單個(gè)可編程的臍帶電纜模擬器來(lái)代替目前的多種臍帶電纜模擬器。可編程臍帶電纜模擬器的配置在圖2中示出。該裝置包括耦合于DC至AC轉(zhuǎn)換器 (即，逆變器)13的可編程中央處理單元(CPU) 9，該DC至AC轉(zhuǎn)換器13在輸入10處接收輸入DC電信號(hào)。圖3更詳細(xì)示出這兩個(gè)部件。該轉(zhuǎn)換器13(采用在圖3中更詳細(xì)地示出并且在下文更深入地描述的所謂的H橋路的形式)使用數(shù)字可控脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)將DC轉(zhuǎn)換成AC來(lái)產(chǎn)生由CPU 9作用于其上的功率波形。更特別地，已經(jīng)為該CPU 9編程使得它將轉(zhuǎn)換器13產(chǎn)生的該波形失真使得將適當(dāng)?shù)闹C波含量添加到該功率波形，使得來(lái)自轉(zhuǎn)換器13的輸出是特定臍帶電纜的輸出的模擬。如果期望模擬是來(lái)自臍帶電纜的COP信號(hào)中的一個(gè)，為該CPU 9編程使得也將適合的信息添加或印記在該功率波形上來(lái)實(shí)現(xiàn)此。提供信號(hào)輸入16用于接收輸入信號(hào)，例如“純”正弦波形。上文的模擬器將被用在測(cè)試場(chǎng)所用于測(cè)試海底控制設(shè)備，從轉(zhuǎn)換器13的輸出經(jīng)由輸出15供應(yīng)給要測(cè)試的設(shè)備(如果需要的話經(jīng)由可選的低通濾波器14)。如果在測(cè)試場(chǎng)所僅AC電功率可用，模擬器可包括在輸入16與輸入10之間的AC/ DC轉(zhuǎn)換器11和DC鏈路12來(lái)提供由DC-AC轉(zhuǎn)換器13要求的DC輸入功率。在任一情況下，模擬器可提供為一件硬件，具有輸入16、輸出15和例如人用交互接口的部件，該人用交互接口例如鍵盤(pán)、監(jiān)測(cè)器等(沒(méi)有示出)用于指示CPU 9提供期望的模擬。備選地，模擬器可例如經(jīng)由通用串行總線(USB)連接或其類(lèi)似物連接到單獨(dú)的計(jì)算部件。圖3更詳細(xì)地示出CPU 9和DC-AC轉(zhuǎn)換器13。該轉(zhuǎn)換器13包括標(biāo)準(zhǔn)H橋路，其中在該“H”的每個(gè)臂上的開(kāi)關(guān)包括晶體管并且可在DC輸入10上操作。為了方便，來(lái)自轉(zhuǎn)換器13的輸出示為簡(jiǎn)單負(fù)載17。每個(gè)開(kāi)關(guān)由CPU 9的驅(qū)動(dòng)器18驅(qū)動(dòng)，這些驅(qū)動(dòng)器18由處理部件19控制。處理部件19可操作來(lái)從數(shù)據(jù)庫(kù)20獲得信息，該數(shù)據(jù)庫(kù)20存儲(chǔ)包含頻率依賴(lài)脈沖寬度調(diào)制(PWM)時(shí)序的查找表。提供讀取/寫(xiě)入單元21，使操作員能夠與CPU 9交互，例如以便更新或修改存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)20中的信息，或輸入期望的臍帶電纜物理特性。這可包括如上文描述的人用接口部件，或可實(shí)現(xiàn)到外部計(jì)算部件的連接。操作為了圖示的目的，將描述模擬器操作的下列說(shuō)明，其中要求測(cè)試用于海底裝備的使用AC輸入的標(biāo)準(zhǔn)COP系統(tǒng)。最初，CPU 9的數(shù)據(jù)庫(kù)20加載有查找表，其提供可能的臍帶電纜物理特性集的PWM 時(shí)序。因?yàn)槟殠щ娎|將采用不同的方式影響不同的頻率信號(hào)，這些查找表是依賴(lài)頻率的。該步驟將典型地在模擬器的初始設(shè)置期間僅進(jìn)行一次(除非例如在后面的階段發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤)。 將這些查找表聯(lián)系起來(lái)，使得可對(duì)感興趣頻率、即COP頻率導(dǎo)出單個(gè)PWM時(shí)序序列。要測(cè)試的海底設(shè)備連接到模擬器的輸出15，并且信號(hào)源連接到AC輸入16，該源等同于將在海底設(shè)備的使用中被供應(yīng)的那個(gè)源。一般，盡管因?yàn)槔肅OP系統(tǒng)存在相對(duì)復(fù)雜的頻率疊加，即，使用許多不同的頻率輸入，該輸入可能不表現(xiàn)為特別純的，但該信號(hào)源將是相對(duì)“純的”，即具有很少失真的各種頻率的正弦信號(hào)的疊加。要使用的臍帶電纜的特性經(jīng)由單元21輸入CPU 9，并且處理部件19在數(shù)據(jù)庫(kù)20 中選擇對(duì)應(yīng)的查找表并且檢索相關(guān)的PWM開(kāi)關(guān)時(shí)序。處理部件19然后控制驅(qū)動(dòng)器18以正確的PWM開(kāi)關(guān)時(shí)序操作轉(zhuǎn)換器13的每個(gè)開(kāi)關(guān)。AC輸入由AC/DC轉(zhuǎn)換器11轉(zhuǎn)換成DC，并且經(jīng)由鏈路12傳遞到轉(zhuǎn)換器13的輸入 10。轉(zhuǎn)換器13然后將輸入DC信號(hào)10轉(zhuǎn)換器成AC，然而諧波將由于由轉(zhuǎn)換器13使用的開(kāi)關(guān)時(shí)序而被引入該AC信號(hào)。也就是說(shuō)，該信號(hào)將采用與使用具有規(guī)定的物理特性的臍帶電纜將發(fā)生的相似的方式變?yōu)槭д娴摹?br> 來(lái)自轉(zhuǎn)換器13的AC輸出如果要求的話則通過(guò)低通濾波器14，并且然后經(jīng)由輸出 15輸出到測(cè)試設(shè)備。使用本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)下文闡述根據(jù)本發(fā)明的可編程臍帶電纜模擬器的一些優(yōu)勢(shì)?？梢赃M(jìn)行系統(tǒng)的更全面測(cè)試，因?yàn)榭删幊棠M器使能夠?qū)蝹€(gè)測(cè)試配置模擬更寬范圍的臍帶電纜特性和不同的系統(tǒng)可能性。必須對(duì)要測(cè)試的每個(gè)海底控制設(shè)備設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和建立臍帶電纜模擬器是耗時(shí)的， 使用人力，并且是昂貴的。一般模擬器的使用將顯著減少這些成本。這是因?yàn)樾枰淖兓抻谲浖?nèi)容，而硬件設(shè)計(jì)不需要修改。可編程臍帶電纜模擬器本身是產(chǎn)品，因?yàn)樗梢员还?yīng)為形成供應(yīng)給客戶用于測(cè)試和維護(hù)的測(cè)試設(shè)備的一部分的測(cè)試工具，或供應(yīng)為單獨(dú)的產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種模擬與海底流體抽取井一起使用的臍帶電纜的方法，所述方法包括使用已編程的處理單元來(lái)調(diào)節(jié)輸入電信號(hào)以便產(chǎn)生表征已經(jīng)通過(guò)這樣的臍帶電纜的信號(hào)的輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述輸入電信號(hào)是DC，并且所述DC輸入電信號(hào)由 DC-AC轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)換器使用脈沖寬度調(diào)制調(diào)節(jié)所述輸入電信號(hào)。
4.如權(quán)利要求2和3中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述DC-AC轉(zhuǎn)換器包括H橋路。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述H橋路包括多個(gè)開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)的操作時(shí)序由所述已編程的處理單元控制來(lái)實(shí)現(xiàn)所述調(diào)節(jié)。
6.一種測(cè)試海底流體抽取井的控制設(shè)備的方法，所述方法包括模擬臍帶電纜，其使用已編程的處理單元來(lái)調(diào)節(jié)輸入電信號(hào)以便產(chǎn)生表征已經(jīng)通過(guò)這樣的臍帶電纜的信號(hào)的輸出信號(hào)，以及將所述輸出信號(hào)供應(yīng)給所述控制設(shè)備。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述輸入電信號(hào)是DC，并且所述DC輸入電信號(hào)由 DC-AC轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)換器使用脈沖寬度調(diào)制調(diào)節(jié)所述輸入電信號(hào)。
9.如權(quán)利要求7和8中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述DC-AC轉(zhuǎn)換器包括H橋路。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述H橋路包括多個(gè)開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)的操作時(shí)序由所述已編程的處理單元控制來(lái)實(shí)現(xiàn)所述調(diào)節(jié)。
11.一種用于模擬與海底流體抽取井一起使用的臍帶電纜的裝置，所述裝置包括處理單元，其可編程或已經(jīng)編程成用于調(diào)節(jié)輸入電信號(hào)以便產(chǎn)生表征已經(jīng)通過(guò)這樣的臍帶電纜的信號(hào)的輸出信號(hào)。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，包括用于調(diào)節(jié)所述輸入電信號(hào)的DC-AC轉(zhuǎn)換器。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述轉(zhuǎn)換器使用脈沖寬度調(diào)制調(diào)節(jié)所述輸入電信號(hào)。
14.如權(quán)利要求12和13中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述DC-AC轉(zhuǎn)換器包括H橋路。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述H橋路包括多個(gè)開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)的操作時(shí)序由所述已編程的處理單元控制來(lái)實(shí)現(xiàn)所述調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及模擬臍帶電纜。一種模擬與海底流體抽取井一起使用的臍帶電纜的方法包括使用已編程的處理單元(9)來(lái)調(diào)節(jié)輸入電信號(hào)以便產(chǎn)生表征已經(jīng)通過(guò)這樣的臍帶電纜的信號(hào)的輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)G05B19/04GK102566457SQ20111028425
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者S·普基亞努 申請(qǐng)人:韋特柯格雷控制系統(tǒng)有限公司