水下生产系统是海洋油气开发的重要生产方式,其中全电式水下生产系统具有响应速度快,功耗小,成本低,扩展性强,零排放等优点,更适应于深水环境下的油气井开发,是未来海洋油气开发的重要方向。全电式水下控制模块是全电式水下生产系统的核心装备,本课题研制出国内首台500米水深全电式水下控制模块原理样机。本论文完成了全电式水下控制模块总体方案设计与结构研究,搭建了双冗余控制系统,并完成了全电式水下控制模块原理样机的实验研究,具体完成的工作如下: 在分析了全电式水下控制系统工作原理的基础上,提出了全电式水下控制模块的设计要求以及性能指标,完成了全电式水下控制模块机械结构及电气系统的总体方案设计。 完成了耐压壳体、对接锁紧机构、水下ROV操作电连接器的结构研究。针对水下电子模块及驱动箱,采用有限元法完成了二者的温度场分析、耐压壳体强度及稳定性分析。完成了锁紧机构的结构设计,通过对锁紧过程的力学分析和锁紧块、剪断销的ANSYS仿真,完成了锁紧块斜面接触强度与剪断销剪切强度分析。完成了对接盘的布局设计,确定了对接盘上电连接器布置方式,完成了对中精度的计算及对接盘的ANSYS应力应变分析,保证了对接盘上电连接器的安全稳定插拔。提出了水下ROV操作电连接器设计要求及性能指标,完成了整体结构设计。提出了基于滑销套管式动密封结构和锁紧钩解锁环式插拔结构,实现了电连接器的水下ROV操作带电插拔。依据线弹性理论,完成了水下ROV操作电连接器在插拔过程中锁紧机构力学模型的建立与插拔力的分析。采用变形能法完成了插拔过程中锁紧环与锁紧钩形变与力的分析,通过理论推导得到了插拔力与锁紧钩形变量的关系式,得到了插拔力的最大值。通过对水下ROV操作电连接器的模型简化,完成了温度场的数值模拟,得到了接触电阻与环境温度对水下ROV操作电连接器温度场的影响。 针对双冗余控制系统的特点,对水下电子模块控制模块与控制电路进行了详细设计。硬件上采用两套水下电子模块系统热备份方式,采用软硬件可剪裁的PC104板卡技术完成了双冗余控制系统的硬件搭建,实现了控制系统的功能冗余化,采用冗余供电技术实现了电力输送的冗余化,极大的提高了水下控制系统的可靠性与稳定性;基于Vxworks嵌入式实时操作系统,完成了水下电子模块多任务程序设计,完成了软件系统主作业模块、CAN通讯模块、数据采集模块以及TCP通讯模块的详细设计。基于永磁同步电机驱动技术,完成了驱动系统的硬件及软件的详细设计,从而实现了对全电式阀门执行器的驱动。 针对全电式水下控制模块所需验证的功能,完成了全电式水下控制模块测试平台的搭建。完成了对所设计500米水深全电式水下控制模块原理样机的功能测试。通过对全电式水下控制模块的监测功能、控制功能及机械功能的完整测试,验证了全电式水下控制模块功能的完整性和可靠性。所研制的全电式水下控制模块达到设计要求。