Konsep Hibrida Baru untuk Menggerakkan Katup Bawah Laut

Dalam sistem produksi bawah laut minyak dan gas, "pohon Natal" bawah laut dipasang di kepala sumur. Setiap pohon mengontrol produksi minyak dan gas dari sumurnya masing-masing melalui beberapa katup proses. Setiap katup proses digerakkan oleh aktuator katup bawah laut (subsea valve actuator/SVA) yang harus dapat menutup katup dengan aman di setiap kondisi operasi, bahkan selama kegagalan daya.

Persyaratan untuk sistem produksi bawah laut sangat tinggi. Ketersediaan dan keselamatan operasional sangat penting untuk sistem bawah air yang menghasilkan minyak dan gas untuk melindungi manusia dan lingkungan. Selain itu, melindungi laut dari polusi yang disebabkan oleh pembuangan cairan hidrolik yang digunakan dalam SVA konvensional kini juga menjadi prioritas utama.

Konsep baru untuk SVA hybrid menggabungkan elektromekanik dan elektrohidraulik dalam unit kompak untuk aplikasi laut dalam seperti pengoperasian katup gerbang 2" ( Gambar 1). SVA hybrid ini dirancang untuk memenuhi persyaratan keselamatan hingga SIL3, tahan terhadap eksternal tekanan hingga 300 bar di lingkungan air asin, mengonsumsi energi hingga 75 persen lebih sedikit, dan beroperasi 24 jam per hari selama masa pakai 25 tahun dengan kemungkinan perawatan terbatas.

Sumbu Mandiri dengan Penggerak Hidrostatik

SVA yang baru-baru ini dikembangkan memberikan alternatif yang hemat energi dan aman untuk aktuator hidrolik atau elektromekanis tradisional yang sebelumnya digunakan yang membuka dan menutup katup gerbang ( Gambar 2). SVA hybrid adalah modul mandiri dengan sirkuit cairan tertutupnya sendiri yang hanya berisi beberapa liter cairan hidraulik ramah lingkungan. Motor listrik berkecepatan variabel menggerakkan pompa hidraulik yang tahan lama, yang menghasilkan aliran yang diperlukan untuk menggerakkan silinder hidraulik. Batang silinder secara mekanis digabungkan dengan batang katup gerbang sumur untuk membuka atau menutupnya sesuai kebutuhan.

Katup pengaman dengan pegas mekanis di dalam SVA memastikan silinder juga ditarik dengan aman ke posisi failsafe jika listrik mati, tanpa memerlukan catu daya eksternal atau baterai. Selain itu, silinder dapat digerakkan secara eksternal oleh robot bawah air melalui override. Semua komponen utama dari drive train dipasang secara berlebihan. Secara keseluruhan, SVA memberikan keamanan pada tingkat yang berbeda dengan kontrol yang berlebihan, pegas failsafe, dan opsi intervensi dari luar.

Manfaat dari SVA hybrid terbukti ketika solusinya dibandingkan dengan kondisi teknologi aktuator saat ini. Sebagian besar aktuator bawah air yang digunakan secara global masih didasarkan pada hidrolika konvensional. Struktur umum ini telah membuktikan ketahanan dan keamanan jangka panjangnya selama 50 tahun terakhir. Namun, operator ingin mengurangi upaya yang diperlukan untuk mengelola katup sumur karena hidraulik konvensional biasanya memerlukan unit daya hidraulik pusat (HPU) yang besar di sisi atas. Ini memasok aktuator katup sumur dengan cairan melalui saluran, yang dikenal sebagai tali pusar, dan jumper yang panjangnya bisa berkilo-kilometer. Pada kedalaman kerja 3.000 meter, beberapa ratus liter cairan dapat menumpuk di saluran saja. Selain itu, pengaturan konvensional tersebut memerlukan akumulator hidraulik tambahan dan katup pengarah untuk mengontrol dan memerintahkan aktuasi.

Sebagai alternatif, pemasok peralatan mencoba merancang solusi elektromekanis murni. Ini hanya perlu disuplai melalui kabel daya dan dihubungkan melalui jalur data ke modul kontrol aktuator (ACM) yang terletak di sisi atas atau di dasar laut. Namun, karena mereka tidak memiliki pilihan untuk intervensi mekanis eksternal untuk penyesuaian, solusi elektromekanis memiliki kelemahan terkait keselamatan. Dan karena kepadatan daya yang lebih rendah vs. sistem hidrolik, mereka juga membutuhkan rumah yang lebih besar dan baterai listrik. Desain menghasilkan gesekan yang tinggi, menyebabkan keausan mekanis pada transmisi daya dan mengurangi periode operasi 25 tahun yang diperlukan. Karena alasan ini, solusi elektromekanis berada pada posisi yang sangat tidak menguntungkan untuk aplikasi bawah laut saat diperlukan penutupan darurat yang gagal.

Konsumsi Energi Lebih Sedikit Hingga 75 Persen

SVA hybrid menggabungkan manfaat dari solusi hidraulik dan elektromekanis dan menghilangkan kelemahan yang ada. Sirkuit cairan mandiri yang terdesentralisasi berarti HPU bagian atas, modul kontrol hidrolik bawah laut, dan tali pusar sepanjang kilometer tidak lagi diperlukan untuk cairan. SVA memerlukan catu daya dan jalur data seperti yang ditentukan oleh Subsea Instrumentation Interface Standardization (SIIS) — mirip dengan aktuator elektromekanis.

Selama operasi, pompa hidraulik berotasi variabel/perpindahan tetap efisiensi tinggi menghasilkan aliran untuk menggerakkan silinder gesekan rendah. Sistem hidrolik disederhanakan karena katup proporsional tidak diperlukan, yang secara signifikan meningkatkan efisiensi energi. Dibandingkan dengan aktuator elektromekanis murni, SVA mengkonsumsi daya hingga 75 persen lebih sedikit pada kinerja puncak.

Mempertimbangkan semua aktuator yang digunakan untuk mengoperasikan medan bawah laut, penghematan biaya yang besar untuk infrastruktur listrik saja (kabel listrik, transformator, konverter frekuensi, dll.) dapat diperoleh dibandingkan dengan menggunakan aktuator elektromekanis, misalnya ( Gambar 3). Motor listrik yang menggerakkan pompa hidraulik kemudian dapat dikonfigurasi jauh lebih kecil tetapi dengan gaya penyesuaian aktuator yang sama, yang pada gilirannya menghemat ruang dan biaya pemasangan. Penghematan biaya yang lebih besar juga dapat diwujudkan dengan mengganti umbilikal hidraulik dengan umbilikal elektrik, dan tidak perlu membuang cairan hidraulik yang diperlukan untuk aktuator hidraulik konvensional.

Selain itu, SVA menawarkan kemampuan pemantauan kondisi, dengan teknologi sensor bawaan yang terus merekam status pengoperasian dalam aktuator dan melaporkannya ke pengontrol master tingkat yang lebih tinggi. Tren kemudian dapat dianalisis, sehingga penyimpangan dapat diidentifikasi dan diselesaikan lebih awal.

Teknologi Terbukti dari Aplikasi Industri

Prinsip operasi untuk SVA berasal dari penggunaan kapak mandiri yang sering ditemukan dalam aplikasi industri. Komponen individu untuk SVA diproduksi dalam seri skala besar di bawah sistem manajemen kualitas seperti yang digunakan pada mesin industri. Standarisasi ini mengurangi biaya dan menciptakan ketersediaan jangka panjang untuk produksi. Selain itu, sensor dan elektronik yang digunakan dalam SVA telah terbukti keandalannya dari penggunaan dalam aplikasi kendaraan otomotif. Jika diperlukan, modifikasi telah dilakukan pada komponen agar memenuhi syarat untuk penggunaan laut dalam pada kedalaman hingga 6.000 meter. Sistem dan komponen inti juga memenuhi persyaratan khusus dari berbagai lembaga klasifikasi untuk penggunaan laut, lepas pantai, dan bawah laut.

Di dalam SVA, ada dua bar tekanan berlebih di setiap kedalaman karena sistem kompensasi tekanan yang berlebihan. Ini mencegah penetrasi air asin dan kebutuhan akan rumah besar dengan desain netral tekanan. Selain persyaratan standar, hanya kabel dan sambungan bawah laut yang digunakan di dalam sumbu. Semua komponen listrik yang tidak diberi peringkat bawah laut juga dienkapsulasi secara mekanis dan elektrik dengan suku cadang tahan tekanan.

Bekerja sama dengan pemasok dan operator peralatan terkemuka, teknologi simulasi terbaru digunakan untuk membuat bukti konsep dan prototipe untuk uji coba lapangan. Teknologi penggerak inovatif ini menggabungkan elektromekanik dan hidraulik terbaik untuk membantu memastikan kontrol gerakan yang aman dan andal di dasar laut, membantu mewujudkan visi "pabrik bawah laut" menjadi kenyataan.

Artikel ini ditulis oleh Dr. Alexandre Orth, Kepala Teknologi Kelautan &Bawah Laut, dan Amadeu Placido Neto, Insinyur Uji, di Bosch Rexroth Corp. (Plymouth, MI). Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .