Konsep Aktuator Hibrid Tingkatkan Keandalan Kontrol Klep Subsea

Dalam sistem produksi subsea minyak dan gas, "Christmas tree" subsea dipasang di sumur minyak. Setiap pohon mengontrol produksi minyak dan gas dari sumur masing-masing melalui banyak klep proses. Setiap klep proses diaktifkan oleh aktuator klep subsea (SVA) yang harus dapat menutup klep dengan aman dalam setiap status operasi, bahkan saat gagal daya.

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

Konsep baru untuk SVA hibrid menggabungkan elektromekanika dan elektrohidrolik dalam unit kompak untuk aplikasi laut dalam seperti operasi klep gate 2" ( Gambar 1). SVA hibrid ini dirancang untuk memenuhi persyaratan keselamatan hingga SIL3, menahan tekanan eksternal hingga 300 bar dalam lingkungan air laut, mengonsumsi hingga 75 persen lebih sedikit energi, dan beroperasi 24 jam per hari selama umur 25 tahun dengan kemungkinan pemeliharaan yang terbatas.

Sumbu Terkontain dengan Drive Hidrostatik

SVA yang baru saja dikembangkan memberikan alternatif hemat energi dan aman dari aktuator hidrolik atau elektromekanis tradisional yang sebelumnya digunakan yang membuka dan menutup klep gate ( Gambar 2). SVA hibrid adalah modul terkontain dengan sirkuit fluida tertutup sendiri yang berisi hanya beberapa liter cairan hidrolik ramah lingkungan. Motor listrik kecepatan variasi memompa hidrolik tahan lama, yang menghasilkan aliran yang diperlukan untuk mengaktifkan silinder hidrolik. Batang silinder dikaitkan secara mekanis dengan tangga klep sumur untuk membuka atau menutupnya sesuai kebutuhan.

Klep selamat dengan pegas mekanis di dalam SVA memastikan silinder juga menarik kembali secara aman ke posisi fail-safe jika daya gagal, tanpa kebutuhan akan sumber daya eksternal atau baterai. Selain itu, silinder dapat dioperasikan secara eksternal oleh robot bawah air melalui override. Komponen kunci dari rangkaian drive terpasang secara redundan. Secara keseluruhan, SVA menyediakan keselamatan pada berbagai level dengan kontrol redundan, pegas fail-safe, dan opsi intervensi dari luar.

Manfaat SVA hibrid jelas ketika solusi dibandingkan dengan keadaan saat ini dari teknologi aktuator. Mayoritas aktuator bawah air yang digunakan di seluruh dunia masih didasarkan pada hidrolik konvensional. Struktur umum ini telah membuktikan daya tahan dan keselamatan jangka panjang selama 50 tahun terakhir. Namun, operator ingin mengurangi upaya yang diperlukan untuk mengelola klep sumur karena hidrolik konvensional biasanya memerlukan unit daya hidrolik besar, sentral (HPU) di atas permukaan. Ini menyediakan cairan ke aktuator klep sumur melalui garis, yang dikenal sebagai umbilikal, dan jumper yang dapat berjarak kilometer. Pada kedalaman kerja 3.000 meter, ratusan liter cairan dapat terkumpul dalam garis sendirian. Selain itu, pengaturan konvensional ini memerlukan akumulasi hidrolik tambahan dan klep arah untuk mengontrol dan memerintahkan actuasi.

Sebagai alternatif, pemasok peralatan mencoba merancang solusi elektromekanis murni. Ini hanya perlu disuplai melalui kabel listrik dan terhubung melalui baris data ke modul kontrol aktuator (ACM) yang terletak di atas permukaan atau di dasar laut. Namun, karena mereka tidak memiliki opsi untuk intervensi mekanis eksternal untuk penyesuaian, solusi elektromekanis memiliki keuntungan yang terkait dengan keselamatan. Dan karena densitas daya yang lebih rendah dibandingkan sistem hidrolik, mereka juga memerlukan casing yang lebih besar dan baterai listrik. Desainnya menghasilkan gesekan tinggi, yang menyebabkan aus mekanis pada transmisi daya dan mengurangi periode operasi 25 tahun yang diperlukan. Untuk alasan ini, solusi elektromekanis berada pada keuntungan yang kritis untuk aplikasi subsea ketika penutupan darurat fail-safe diperlukan.

Hingga 75 Persen Konsumsi Energi yang Lebih Sedikit

SVA hibrid menggabungkan manfaat kedua solusi hidrolik dan elektromekanis dan menghilangkan keterbantuan yang ada. Sirkuit fluida terkontain terdesentralisasi berarti HPU di atas permukaan, modul kontrol hidrolik subsea, dan garis umbilikal berkilometer-kilometer tidak lagi diperlukan untuk cairan. SVA membutuhkan supl daya dan baris data seperti yang ditentukan oleh Subsea Instrumentation Interface Standardization (SIIS) — mirip dengan aktuator elektromekanis.

Selama operasi, pompa hidrolik displasi tetap/putaran variabel efisiensi tinggi menghasilkan aliran untuk mendorong silinder gesekan rendah. Sistem hidrolik disederhanakan karena klep proporsional tidak diperlukan, yang secara signifikan meningkatkan efisiensi energi. Dibandingkan dengan aktuator elektromekanis murni, SVA mengonsumsi hingga 75 persen lebih sedikit daya pada kinerja puncak.

Dengan mempertimbangkan semua aktuator yang digunakan untuk mengoperasikan lapangan subsea, dapat diperoleh penghemat biaya besar untuk infrastruktur listrik saja (kabel listrik, transformator, konverter frekuensi, dll.) dibandingkan dengan penggunaan aktuator elektromekanis, misalnya ( Gambar 3). Motor listrik yang menggerakkan pompa hidrolik dapat kemudian dikonfigurasikan jauh lebih kecil tetapi dengan gaya penyesuaian yang sama dari aktuator, yang pada gilirannya menghemat ruang pemasangan dan biaya. Penghematan biaya lebih lanjut juga dapat direalisikan dengan mengganti umbilikal hidrolik dengan umbilikal listrik, dan tidak perlu membuang cairan hidrolik yang diperlukan untuk aktuator hidrolik konvensional.

Selain itu, SVA menawarkan kemampuan pemantauan kondisi, dengan teknologi sensor built-in yang terus-menerus mencatat status operasional di dalam aktuator dan melaporkannya ke master controller tingkat lebih tinggi. Tren kemudian dapat dianalisis, memungkinkan deviasi untuk diidentifikasi dan diselesaikan lebih awal.

Teknologi Terbukti dari Aplikasi Industri

Prinsip operasi untuk SVA berasal dari penggunaan yang diterima dari sumbu terkontain yang sering ditemukan dalam aplikasi industri. Komponen individual untuk SVA diproduksi dalam skala besar di bawah sistem manajemen kualitas seperti yang digunakan dalam mesin industri. Standarisasi ini mengurangi biaya dan menciptakan ketersediaan jangka panjang untuk produksi. Selain itu, sensor dan elektronika yang digunakan dalam SVA telah membuktikan keandalan dari penggunaan dalam aplikasi kendaraan otomotif. Di tempat yang diperlukan, modifikasi telah dilakukan pada komponen untuk memenuhi syarat untuk penggunaan laut dalam pada kedalaman hingga 6.000 meter. Sistem dan komponen inti juga memenuhi persyaratan khusus dari berbagai klasifikasi masyarakat untuk penggunaan laut, offshore, dan subsea.

Di dalam SVA, ada dua bar overpressure pada setiap kedalaman karena sistem kompensasi tekanan redundan. Ini mencegah penetrasi air laut dan kebutuhan akan casing besar dengan desain netral tekanan. Selain persyaratan standar, hanya kabel dan koneksi yang ditingkatkan subsea yang digunakan di dalam sumbu. Komponen listrik yang tidak ditingkatkan subsea juga dienkapsulasi secara mekanis dan listrik dengan bagian tahan tekanan.

Bekerja sama dengan pemasok peralatan dan operator terkemuka, teknologi simulasi terbaru digunakan untuk menciptakan bukti konsep dan prototipe untuk uji lapangan. Teknologi drive inovatif ini menggabungkan yang terbaik dari elektromekanika dan hidrolik untuk membantu memastikan kontrol gerak yang aman dan andal di dasar laut, membantu membawa visi "pabrik subsea penuh" menjadi kenyataan.

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