海底バルブを作動させるための新しいハイブリッドコンセプト

石油およびガスの海底生産システムでは、海底の「クリスマスツリー」が坑口に取り付けられます。各ツリーは、複数のプロセスバルブを介してそれぞれの井戸の石油とガスの生産を制御します。各プロセスバルブは、海中バルブアクチュエータ（SVA）によって作動します。このアクチュエータは、停電時でも、すべての動作状態でバルブを安全に閉じることができる必要があります。

海底生産システムの要件は非常に高いです。運用の可用性と安全性は、人と環境を保護するために石油とガスを生産する水中システムにとって特に重要です。さらに、従来のSVAで使用されていた油圧作動油の廃棄によって引き起こされる汚染から海を保護することも重要な優先事項になりつつあります。

ハイブリッドSVAの新しいコンセプトは、2インチゲートバルブの操作などの深海アプリケーション向けのコンパクトなユニットに電気機械と電気油圧を組み合わせたものです（図1）。このハイブリッドSVAは、SIL3までの安全要件を満たし、外部に耐えるように設計されています。塩水環境で最大300バールの圧力、最大75％少ないエネルギーを消費し、25年間の寿命にわたって1日24時間稼働し、メンテナンスの可能性は限られています。

静水圧ドライブを備えた自己完結型の軸

最近開発されたSVAは、ゲートバルブを開閉する以前に使用されていた従来の油圧または電気機械式アクチュエータに代わる、エネルギー効率が高く安全な代替手段を提供します（図2）。ハイブリッドSVAは、わずか数リットルの環境に優しい油圧作動油を含む独自の閉流体回路を備えた自己完結型のモジュールです。可変速電気モーターが耐久性のある油圧ポンプを駆動し、油圧シリンダーの作動に必要な流量を生成します。シリンダーのロッドは、ウェルのゲートバルブステムと機械的に結合されており、必要に応じて開閉します。

SVA内に機械式スプリングを備えた安全弁は、外部電源やバッテリーを必要とせずに、電源が落ちた場合にシリンダーがフェイルセーフ位置に安全に格納されることを保証します。さらに、シリンダーは、オーバーライドを介して水中ロボットによって外部から駆動することができます。ドライブトレインのすべての主要コンポーネントは冗長にインストールされます。全体として、SVAは、冗長制御、フェイルセーフスプリング、および外部からの介入オプションにより、さまざまなレベルで安全性を提供します。

ハイブリッドSVAの利点は、ソリューションをアクチュエータ技術の現在の状態と比較すると明らかです。世界的に使用されている水中アクチュエータの大部分は、依然として従来の油圧に基づいています。この共通の構造は、過去50年にわたってその耐久性と長期的な安全性を証明しています。ただし、従来の油圧では通常、上面に大きな中央油圧パワーユニット（HPU）が必要になるため、オペレーターはウェルバルブの管理に必要な労力を削減したいと考えています。これらは、アンビリカルと呼ばれるラインを介してウェルバルブアクチュエータに流体を供給し、ジャンパーは数キロメートルの長さになる可能性があります。作業深度3,000メートルでは、数百リットルの液体がラインだけに蓄積する可能性があります。さらに、その従来のセットアップでは、作動を制御および命令するために追加の油圧アキュムレータと方向制御弁が必要です。

別の方法として、機器サプライヤは純粋に電気機械的なソリューションを設計しようとします。これらは、電源ケーブルを介して供給され、データラインを介して上面または海底に配置されたアクチュエータ制御モジュール（ACM）に接続する必要があるだけです。ただし、調整のための外部の機械的介入のオプションがないため、電気機械ソリューションには安全性に関連する欠点があります。また、油圧システムに比べて電力密度が低いため、より大きなハウジングと電池も必要になります。この設計により摩擦が大きくなり、動力伝達装置に機械的摩耗が発生し、必要な25年の動作期間が短縮されます。これらの理由により、フェイルセーフ緊急閉鎖が必要な場合、電気機械ソリューションは海中アプリケーションにとって重大な不利益を被ります。

エネルギー消費量を最大75％削減

ハイブリッドSVAは、油圧ソリューションと電気機械ソリューションの両方の利点を組み合わせて、既存の欠点を排除します。分散型の自己完結型流体回路は、上面のHPU、海中油圧制御モジュール、およびキロメートル長のアンビリカルラインが流体に不要であることを意味します。 SVAには、電気機械式アクチュエータと同様に、海底計装インターフェース標準化（SIIS）で指定されている電源とデータラインが必要です。

運転中、高効率の固定容量/可変回転油圧ポンプは、低摩擦シリンダーを駆動するための流れを生成します。比例弁が不要なため油圧システムが簡素化され、エネルギー効率が大幅に向上します。純粋な電気機械式アクチュエータと比較して、SVAはピークパフォーマンスで最大75％少ない電力を消費します。

海底フィールドの操作に使用されるすべてのアクチュエーターを考慮すると、たとえば電気機械式アクチュエーターを使用する場合と比較して、電気インフラストラクチャー（電力ケーブル、変圧器、周波数変換器など）だけで大幅なコスト削減を実現できます（図3）。油圧ポンプを駆動する電気モーターは、かなり小さく構成できますが、アクチュエーターの調整力は同じであるため、設置スペースとコストを節約できます。油圧アンビリカルを電気アンビリカルに置き換えることで、さらにコストを削減することもできます。従来の油圧アクチュエータに必要な油圧作動油を廃棄する必要はありません。

さらに、SVAは、アクチュエータ内の動作状態を継続的に記録し、それらを上位レベルのマスターコントローラに報告する組み込みのセンサー技術を備えた状態監視機能を提供します。その後、傾向を分析して、逸脱を早期に特定して解決することができます。

産業用アプリケーションからの実証済みのテクノロジー

SVAの動作原理は、産業用アプリケーションでよく見られる自己完結型の軸の使用が認められていることに由来しています。 SVAの個々のコンポーネントは、産業機械で使用されるような品質管理システムの下で大規模なシリーズで製造されます。この標準化により、コストが削減され、本番環境での長期的な可用性が実現します。さらに、SVAで使用されるセンサーと電子機器は、自動車アプリケーションでの使用から信頼性が証明されています。必要に応じて、最大6,000メートルの深海での使用に適したコンポーネントに変更が加えられています。システムとコアコンポーネントは、海洋、オフショア、および海底での使用に関するさまざまな船級協会の特別な要件も満たしています。

SVA内では、冗長な圧力補償システムのために、すべての深さに2つの過圧バーがあります。これにより、塩水の浸透と、圧力に中立な設計の大型ハウジングの必要性が防止されます。標準要件に加えて、海底下の配線と接続のみが軸内で使用されます。海底下にないすべての電気部品も、耐圧部品で機械的および電気的にカプセル化されています。

主要な機器サプライヤーやオペレーターと緊密に協力して、最新のシミュレーション技術を使用して、フィールドトライアルの概念実証とプロトタイプを作成しました。この革新的な駆動技術は、最高の電気機械と油圧を組み合わせて、海底での安全で信頼性の高いモーションコントロールを保証し、「すべての海底工場」のビジョンを実現するのに役立ちます。

この記事は、Bosch Rexroth Corp.（ミシガン州プリマス）のMarine＆SubseaTechnologiesの責任者であるDr.AlexandreOrthとテストエンジニアのAmadeuPlacidoNetoによって書かれました。詳細については、こちらをご覧ください 。