專利名稱：模擬臍帶電纜的制作方法
技術領域：
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、測試海底流體抽取井的控制設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：
與例如烴類抽取井等海底流體抽取井一起的可以長達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)、電功率、液壓和化學品。臍帶電纜的類型和復雜度取決于受控的井的數目和該海底控制設備的供應范圍。因此對每個應用具體地設計臍帶電纜。由于臍帶電纜的長度和特性，它可以引起對通過它傳送的信號和電力的有害影響(例如電力損耗、信號的衰減和可以引起過電壓的反射等)。在整個系統的設計中必須考慮這些方面。當海底控制設備在安裝之前集合在一起并且采用它的系統配置組裝以用于測試 (例如在工廠或在系統測試場所)時，因為利用實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測試時提供在它的終端處的預期的信號和電力特性。需要測試的海底控制設備的主要電氣方面是包括對要安裝在海床上的各種設備的電功率的控制和分布以及水面設備和海底設備之間的通信的電氣方面。通常采用的通信方法稱為電力上通信(COP)，其中通信信號疊加在電功率供應上。必須模擬由于長臍帶電纜的特別電特性造成的由該長臍帶電纜的使用引起的任何電效應，來確保施加于采用測試配置的海底控制設備的電功率與當在海床上安裝和操作時相同，并且通信(例如，COP)的方法和特性是相同。目前，采用的測試方法使用采用特別設計的電氣電路(無源部件的設置)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和測試中的海底控制設備之間。必須對每個測試配置設計并且建立新的臍帶電纜模擬器，這是昂貴且耗時的。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 (使用功率電子轉換器用于電負載仿真的快速原型制作工具)”Industrial Electronics & Applications, 2009，ISBM :978-1-4244-468_0。

發(fā)明內容
從一個方面根據本發(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調節(jié)輸入電信號，用于產生表征已經通過這樣的臍帶電纜的信號的輸出信號。從另一個方面根據本發(fā)明，提供測試海底流體抽取井的控制設備的方法，該方法包括模擬臍帶電纜，其中使用已編程處理單元來調節(jié)輸入電信號以便產生表征已經通過這樣的臍帶電纜的信號的輸出信號，以及包括將該信號供應給該控制設備。
在每個這樣的方法中，輸入電信號可以是DC，并且該DC輸入電信號由DC-AC轉換器調節(jié)。該轉換器可使用脈沖寬度調制調節(jié)該輸入電信號。該DC-AC轉換器可包括H橋路， 并且例如包括多個開關，這些開關的操作時序由已編程的處理單元控制來實現該調節(jié)。從另外的方面根據本發(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，其可編程或已經編程成用于調節(jié)輸入電信號以便產生表征已經通過這樣的臍帶電纜的信號的輸出信號。這樣的裝置可以包括用于調節(jié)輸入電信號的DC-AC轉換器。該轉換器可使用脈沖寬度調制調節(jié)該輸入電信號。該DC-AC轉換器可包括H橋路，并且例如包括多個開關，這些開關的操作時序由已編程的處理單元控制來實現該調節(jié)。本發(fā)明實現新穎的一般或通用可編程臍帶電纜模擬器的設計，其可以容易地適應于在測試所有海底控制設備中使用。這通過在模擬器中包括可編程處理單元使得僅軟件需要適應于根據要求改變該模擬器的特性而實現。


圖1是典型的海底流體抽取井控制系統的示意圖；圖2是根據本發(fā)明的模擬器的實施例的示意圖；以及圖3是圖2的模擬器的部件的更詳細的示意圖。
具體實施例方式典型的海底流體抽取井控制系統的配置在圖1中示出。處于浮動平臺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2 提供安置在海底的海底控制設備8所要求的所有電功率供應。線路4上的電功率供應傳遞給組合器和分離器設備5，其中線路3上來自該主控制站的通信信號(即，到該海底控制設備的控制信號)與該電功率供應組合。線路6上該組合的電功率和通信信號然后經由臍帶電纜7傳送到該海底控制設備8。同樣，線路6上來自該海底控制設備的返回傳感器信號由該分離器5分離并且經由線路3由站1接收。臍帶電纜7展現處于電功率供應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，例如信號衰減、沿它的長度的功率損失以及由于負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踐經驗確定。特別地，要使用的銅的物理尺寸和數量是已知的，并且因此也可確定臍帶電纜對于各種頻率的每單位長度阻抗。另外，有經驗的井操作員還具有關于各種頻率的信號如何受各種尺寸的臍帶電纜影響的數據。要描述的可編程臍帶電纜模擬器是單個設備，可以對其編程來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，并且計劃用單個可編程的臍帶電纜模擬器來代替目前的多種臍帶電纜模擬器?？删幊棠殠щ娎|模擬器的配置在圖2中示出。該裝置包括耦合于DC至AC轉換器 (即，逆變器)13的可編程中央處理單元(CPU) 9，該DC至AC轉換器13在輸入10處接收輸入DC電信號。圖3更詳細示出這兩個部件。該轉換器13(采用在圖3中更詳細地示出并且在下文更深入地描述的所謂的H橋路的形式)使用數字可控脈沖寬度調制(PWM)技術將DC轉換成AC來產生由CPU 9作用于其上的功率波形。更特別地，已經為該CPU 9編程使得它將轉換器13產生的該波形失真使得將適當的諧波含量添加到該功率波形，使得來自轉換器13的輸出是特定臍帶電纜的輸出的模擬。如果期望模擬是來自臍帶電纜的COP信號中的一個，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實現此。提供信號輸入16用于接收輸入信號，例如“純”正弦波形。上文的模擬器將被用在測試場所用于測試海底控制設備，從轉換器13的輸出經由輸出15供應給要測試的設備(如果需要的話經由可選的低通濾波器14)。如果在測試場所僅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轉換器11和DC鏈路12來提供由DC-AC轉換器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、監(jiān)測器等(沒有示出)用于指示CPU 9提供期望的模擬。備選地，模擬器可例如經由通用串行總線(USB)連接或其類似物連接到單獨的計算部件。圖3更詳細地示出CPU 9和DC-AC轉換器13。該轉換器13包括標準H橋路，其中在該“H”的每個臂上的開關包括晶體管并且可在DC輸入10上操作。為了方便，來自轉換器13的輸出示為簡單負載17。每個開關由CPU 9的驅動器18驅動，這些驅動器18由處理部件19控制。處理部件19可操作來從數據庫20獲得信息，該數據庫20存儲包含頻率依賴脈沖寬度調制(PWM)時序的查找表。提供讀取/寫入單元21，使操作員能夠與CPU 9交互，例如以便更新或修改存儲在數據庫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，或可實現到外部計算部件的連接。操作為了圖示的目的，將描述模擬器操作的下列說明，其中要求測試用于海底裝備的使用AC輸入的標準COP系統。最初，CPU 9的數據庫20加載有查找表，其提供可能的臍帶電纜物理特性集的PWM 時序。因為臍帶電纜將采用不同的方式影響不同的頻率信號，這些查找表是依賴頻率的。該步驟將典型地在模擬器的初始設置期間僅進行一次(除非例如在后面的階段發(fā)現錯誤)。 將這些查找表聯系起來，使得可對感興趣頻率、即COP頻率導出單個PWM時序序列。要測試的海底設備連接到模擬器的輸出15，并且信號源連接到AC輸入16，該源等同于將在海底設備的使用中被供應的那個源。一般，盡管因為利用COP系統存在相對復雜的頻率疊加，即，使用許多不同的頻率輸入，該輸入可能不表現為特別純的，但該信號源將是相對“純的”，即具有很少失真的各種頻率的正弦信號的疊加。要使用的臍帶電纜的特性經由單元21輸入CPU 9，并且處理部件19在數據庫20 中選擇對應的查找表并且檢索相關的PWM開關時序。處理部件19然后控制驅動器18以正確的PWM開關時序操作轉換器13的每個開關。AC輸入由AC/DC轉換器11轉換成DC，并且經由鏈路12傳遞到轉換器13的輸入 10。轉換器13然后將輸入DC信號10轉換器成AC，然而諧波將由于由轉換器13使用的開關時序而被引入該AC信號。也就是說，該信號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> 來自轉換器13的AC輸出如果要求的話則通過低通濾波器14，并且然后經由輸出 15輸出到測試設備。使用本發(fā)明的優(yōu)勢下文闡述根據本發(fā)明的可編程臍帶電纜模擬器的一些優(yōu)勢?？梢赃M行系統的更全面測試，因為可編程模擬器使能夠對單個測試配置模擬更寬范圍的臍帶電纜特性和不同的系統可能性。必須對要測試的每個海底控制設備設計、開發(fā)和建立臍帶電纜模擬器是耗時的， 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。這是因為需要的變化限于軟件內容，而硬件設計不需要修改?？删幊棠殠щ娎|模擬器本身是產品，因為它可以被供應為形成供應給客戶用于測試和維護的測試設備的一部分的測試工具，或供應為單獨的產品。
權利要求
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調節(jié)輸入電信號以便產生表征已經通過這樣的臍帶電纜的信號的輸出信號。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述輸入電信號是DC，并且所述DC輸入電信號由 DC-AC轉換器調節(jié)。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述轉換器使用脈沖寬度調制調節(jié)所述輸入電信號。
4.如權利要求2和3中任一項所述的方法，其中所述DC-AC轉換器包括H橋路。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述H橋路包括多個開關，所述開關的操作時序由所述已編程的處理單元控制來實現所述調節(jié)。
6.一種測試海底流體抽取井的控制設備的方法，所述方法包括模擬臍帶電纜，其使用已編程的處理單元來調節(jié)輸入電信號以便產生表征已經通過這樣的臍帶電纜的信號的輸出信號，以及將所述輸出信號供應給所述控制設備。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述輸入電信號是DC，并且所述DC輸入電信號由 DC-AC轉換器調節(jié)。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述轉換器使用脈沖寬度調制調節(jié)所述輸入電信號。
9.如權利要求7和8中任一項所述的方法，其中所述DC-AC轉換器包括H橋路。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述H橋路包括多個開關，所述開關的操作時序由所述已編程的處理單元控制來實現所述調節(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，其可編程或已經編程成用于調節(jié)輸入電信號以便產生表征已經通過這樣的臍帶電纜的信號的輸出信號。
12.如權利要求11所述的裝置，包括用于調節(jié)所述輸入電信號的DC-AC轉換器。
13.如權利要求12所述的裝置，其中所述轉換器使用脈沖寬度調制調節(jié)所述輸入電信號。
14.如權利要求12和13中任一項所述的裝置，其中所述DC-AC轉換器包括H橋路。
15.如權利要求14所述的裝置，其中所述H橋路包括多個開關，所述開關的操作時序由所述已編程的處理單元控制來實現所述調節(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)來調節(jié)輸入電信號以便產生表征已經通過這樣的臍帶電纜的信號的輸出信號。
文檔編號G05B19/04GK102566457SQ20111028425
公開日2012年7月11日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權日2010年9月13日
發(fā)明者S·普基亞努 申請人:韋特柯格雷控制系統有限公司