考虑液压流体压力损失的水下生产控制系统的布局优化

中文题目：考虑液压流体压力损失的水下生产控制系统的布局优化
论文题目：Optimization of subsea production control system layout considering hydraulic fluid pressure loss
录用期刊/会议：【Ocean Engineering】 (JCR Q1)

原文DOI：【10.1016/j.oceaneng.2023.116047】

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0029801823024 319

录用/见刊时间：2023.7.23/2023.10.10

封面摘要：

作者列表：

1） 岳元龙 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 自动化系 高级工程师

2） 李宇航 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 控制科学与工程专业 硕士 21

3） 左   信 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 自动化系 教授

文章简介:

本研究建立了SPCS布局多目标优化模型，包括设备建设成本、液压流体压力损失和电液功能管线路径，同时考虑海底三维地形和障碍物位置。采用NSGA-II和Lazy Theta*的混合算法，整体优化SDU的位置，管线连接拓扑，最终确定脐带缆和电液飞线的最优铺设路径，并应用实例验证所提模型和算法的有效性。

摘要:

传统的水下生产控制系统(SPCS, Subsea Production Control System)布局优化只考虑设备建设成本，忽略海底三维地形对液压动力配送过程中压力损失的影响，增加了油气田生命周期内系统的运维成本。本文提出一种考虑液压压力损失的SPCS布局优化方法。针对多级星树型SPCS，综合考虑海底三维地形和障碍，建立了多目标优化模型，包含建设成本、压力损失和管线路径。利用NSGA-II与Lazy Theta*混合算法，确定SDU的位置，优化管线连接拓扑以及压力损失，最终确定最优铺设路径。最后，采用包含20个SCM和一个FPSO的SPCS为例，仿真结果显示本方法有效降低了液压压力损失。本研究成果适合作为SPCS设计阶段的决策工具，提供了布局设计的理论支持。

背景与动机:

油气资源对现代社会的经济发展起着重要的支撑作用。随着陆地石油资源日益匮乏，海上油气生产已经成为重要的能源增长点。随着海洋油气资源的勘探水深不断增加、规模不断扩大，依托水上设施、利用水下生产系统(SPS, Subsea Production System)开发海上油气田逐渐成为一种主流的开发模式。

SPS由油气集输系统和水下生产控制系统(SPCS, Subsea Production Control System)两部分组成。油气集输系统的作用是将水下采油树产出的油气集中到管汇，然后通过海底管线输送至FPSO。SPCS主要作用是安全控制水下装备和实时监测水下生产工艺参数，从而保证水下装备可靠运行、水下油气田安全生产。

水下生产控制系统的简化框架

目前，复合电液控制系统是目前开发海洋油气资源主流的SPCS，尤其在深水大型油气田的开发中得到广泛应用，作业水深已突破3000米。电液复合控制系统在提高油气田采收率、加快开发速度和获得可观经济效益等方面具有明显优势。

电液复合控制系统主要由FPSO、Pipeline(包括脐带缆、电液飞线)、SDU、SCM等组成。FPSO上与电液复合控制系统相关的设备包括主控站、HPU、EPU、CIU。脐带缆是一种由电缆、光缆、液压或化学药剂管线等组合复合功能管线。电液飞线主要包括电飞线(Electrical Flying Lead)、液飞线(Hydraulic Flying Lead)。SDU运行在海底泥线位置，主要功能是分配脐带缆中的电力、液压和化学药剂，并通过电液飞线与SCM连接。SCM安装在水下采油树或管汇上，其位置由井口和管汇决定的，监控井下和水下设备的运行状态，并通过电飞线和脐带缆与主控站通信。SCM监控水下设备的电液动力需要从FPSO经过长距离电液功能管线配送，配送距离长达百公里，导致系统运行中液压流体配送存在压力损失。因此，电液复合控制系统面临高昂的建设和运维成本的挑战。为了提高海洋油气田开发经济效益，特别是大规模深水油田，SPCS布局优化需要综合考虑水下生产控制系统的设备建设成本和液压流体压力损失引起的长期投入，但是目前鲜有文献报告相关研究成果。

设计与实现:

文章首先结合地形、位置等约束基于液压损失与费用成本建立水下生产控制系统布局的多目标布局优化模型。

利用最速下降法、线性整数规划、NSGA-Ⅱ、Lazy Theta*的混合优化算法优化TDP位置、SDU类型、连接方式、个数及位置以及脐带缆和飞线的敷设路径，从而降低水下生产控制系统投建和运维时投入的成本和系统的液压损失。

混合算法求解流程图

实验结果及分析:

与其他主流算法组合进行了对比，本方法有效降低了压力损失。通过优化SDU位置，从而减少重力势能压力损失；避开高起伏的陡坡，可以减少管线长度从而减少摩擦损失；避开障碍区域的同时，尽量减少弯头的角度，避免弯头造成的压力损失，能够提高SPCS的性能和效率。

不同算法组合优化结果对比

结论:

本研究针对应用最为广泛的多级星树型拓扑结构的SPCS，综合考虑海底三维地形和障碍物位置，建立了多目标优化模型。通过此模型，能够确定在此布局结构下最优的SDU数量和位置、管线连接拓扑、液压流体压力损失、电液功能管线路径以及设备建设成本。

本研究的关键点在于：多目标优化模型不仅反映地形和障碍物对布局结果的影响，还将压力损失作为优化目标之一，从而使得结果更加符合实际工程需求。为了求解这个问题，创新性地将NSGA-II多目标优化算法和Lazy Theta*路径规划算法相结合，以实现在满足各种约束的情况下，实现压力损失最小化，并将该混合算法与GA、A*,Theta*算法进行比较，得到所用混合算法是相对最优的结论。此外，从全局角度对该问题进行深入考虑，实现相互耦合的变量，如SDU位置、功能管线的连接拓扑、液压流体压力损失和管线路径的整体优化，进一步提高系统的性能和效率。

作者简介:

岳元龙，博士，中国石油大学(北京)信息科学与工程学院/人工智能学院自动化系，高级工程师，从事深海油气水下控制系统关键技术研究、数据融合和嵌入式硬件开发。

联系方式：yueyuanlong232@126.com