Experimental and theoretical analysis of an electrohydrostatic actuator for ultra deepwater applications

Abstract

Ultimamente, em sistemas submarinos de produção de petróleo e gás, o uso de sistemas totalmente elétricos (All-Electric Systems - AES) aumentou devido às suas várias vantagens em comparação com suas contrapartes eletro-hidráulicas convencionais, como redução nos custos de instalação e operacionais, resposta rápida do sistema, redução no diâmetro de cabos umbilicais, alto nível de flexibilidade operacional e projeto sustentável. Neste contexto, um atuador eletro-hidrostático (Electro-Hydrostatic Actuator - EHA) - composto por um servomotor, uma transmissão hidrostática e um cilindro hidráulico com uma mola para efetuar a função de falha-segura ? trata-se de uma solução que pode ser aplicada a sistemas de produção totalmente elétricos, preservando as melhores características de sistemas electro-hidráulicos convencionais, como confiabilidade, compacidade, robustez e densidade de energia em um projeto sustentável e de interface totalmente elétrica. Neste trabalho, um atuador de válvula submárina eletro-hidrostático - desenvolvido especialmente para operar com válvulas gaveta com diâmetro nominal de 2 polegadas em profundidades de até 3.000 metros - é modelado matematicamente, simulado numericamente e validado pelo confronto de seus resultados com os de experimentos em um protótipo. O modelo validado é então simulado, com um modelo de válvula gaveta, em vários cenários diferentes e avaliado em termos de funcionalidade e consumo energético. Os resultados obtidos através das simulações realizadas apresentam um sistema com comportamento robusto durante as operações nominais de abertura e fechamento da válvula gaveta, bem como durante as funções de falha segura, em todos os cenários avaliados. O EHA demonstra ter baixo consumo energético, com a possibilidade de se predefinir um consumo máximo de potência, o qual é controlado pela limitação da velocidade angular do seu servomotor. As influências da profundidade de instalação do equipamento e da pressão do poço no comportamento do sistema também são investigadas.

Abstract: Recently, in subsea oil & gas production systems, the use of All-Electric Systems (AES) has increased due to their several advantages in comparison with the conventional electro-hydraulic counterparts, such as installation and operational costs reduction, fast system response, reduction of umbilical cables diameter, high level of operational flexibility and environment-friendly design. In this context, an Electro-Hydrostatic Actuator (EHA) ? a system comprised of a servomotor, a hydrostatic transmission and a hydraulic cylinder with a fail-safe spring ? is a solution that can be applied in AES while preserving the best characteristics of conventional electro-hydraulic systems, such as reliability, compactness, robustness and power density in an environmental friendly and power-by-wire connectivity design. In this research, a subsea valve EHA ? particularly devised to operate with 2 inches gauge gate valves at water depths of up to 3,000 meters ? is mathematically modeled, numerically simulated and validated by the confrontation of its results with those of experiments in a prototype. The validated model is then simulated with a gate valve model in several different scenarios and evaluated in terms of functionality and power consumption. The obtained results through the carried out simulations present a system with robust behavior during the opening and closing operations of the gate valve as well as during the fail-safe functions in all simulated scenarios. The EHA demonstrates to have low power consumption, with the possibility of predefine a maximum power consumption, which is controlled by limiting the electric motor angular velocity. The influence of the equipment installation water depth and wellbore pressure in the system behavior are investigated as well.