水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)臍帶纜液容效應(yīng)研究

溫明明，劉俊波

(1．廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局技術(shù)方法所，廣東廣州 510075) (2．浙江大學(xué)海洋學(xué)院海洋工程與技術(shù)研究所，浙江杭州 310058)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)臍帶纜液容效應(yīng)研究

溫明明1，劉俊波2

(1．廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局技術(shù)方法所，廣東廣州 510075) (2．浙江大學(xué)海洋學(xué)院海洋工程與技術(shù)研究所，浙江杭州 310058)

油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)多數(shù)采用長臍帶纜液壓驅(qū)動(dòng)完成，由于長行程積累的液阻大、能耗損失大．提出一種利用長臍帶纜的液容儲(chǔ)能特性優(yōu)化設(shè)計(jì)其液壓系統(tǒng)流量的方法，對(duì)長臍帶纜精確分布參數(shù)模型進(jìn)行分析推導(dǎo)，從而最大限度地降低長臍帶纜供、回油過程的流動(dòng)阻力，提高水下生產(chǎn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率．最后以我國某油氣田某井口為例，對(duì)供油管路系統(tǒng)進(jìn)行了阻尼匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真，仿真結(jié)果與實(shí)際非常吻合．

油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng);液壓控制;長臍帶纜;液容效應(yīng);分布參數(shù)模型

海上油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)多數(shù)采用平臺(tái)集中供油、海底分配的結(jié)構(gòu)，即液壓動(dòng)力單元(hydraulic power unit，HPU)位于海面的平臺(tái)上，通過長達(dá)幾公里甚至幾百公里長的臍帶纜到海底的分配單元(sub-sea distribution unit，SDU)［1－4］，一路分成多路連到各個(gè)井口的控制閥(sub-sea control module，SCM)，最后再從控制閥分出多路管線驅(qū)動(dòng)水下生產(chǎn)系統(tǒng)上液壓缸執(zhí)行器［5－6］．其工作原理如圖1．

由于水下生產(chǎn)系統(tǒng)中臍帶纜長度長，為節(jié)省工程造價(jià)，減少長行程管路能耗，往往需要對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，而不是按常規(guī)液壓系統(tǒng)以其流量需求來選用管道直徑［7－9］．同時(shí)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)液壓油的需求往往是斷續(xù)的，且間隔時(shí)間較長．而長臍帶纜工作特性集液阻、液容和液感于一體，模型復(fù)雜，其液容的儲(chǔ)能效果正好可以大幅降低臍帶纜供、回油過程的流動(dòng)阻力．因此，文中提出了一種水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)流量的最優(yōu)設(shè)計(jì)方法，以充分利用臍帶纜的液容特性，最大限度地提高水下生產(chǎn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率．

圖1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．1 Sub-sea product system's hydraulic driving system

1 液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)主要用于控制水下生產(chǎn)設(shè)施上各井口生產(chǎn)管道上閘閥的開關(guān)，是一套由液壓閥來控制閘閥上液壓缸執(zhí)行器動(dòng)作的液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其原理如圖2．

圖2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理Fig．2 Sub-sea product system's hydraulic control system

該液壓系統(tǒng)主要由三部分組成:液壓動(dòng)力站(HPU)、水下控制模塊(SCM)和閥執(zhí)行器．HPU位于水面生產(chǎn)平臺(tái)上，為整個(gè)液壓系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力;臍帶纜內(nèi)的液壓流體經(jīng)水下液壓分配單元(SDU)分配后輸送到SCM，由SCM實(shí)現(xiàn)對(duì)多井口的控制．SCM安裝在水下生產(chǎn)設(shè)施上，確保系統(tǒng)快速響應(yīng)．

系統(tǒng)工作的基本過程為:HPU出口的液壓油液通過臍帶纜5、數(shù)十米長的鋼管11、SCM，然后經(jīng)由數(shù)米長的鋼管13直接控制采油樹上的閥執(zhí)行器8的開關(guān)．當(dāng)電液換向閥9置位，液壓力克服執(zhí)行器彈簧力及其他外力將閥打開，執(zhí)行器打開時(shí)的瞬時(shí)流量會(huì)使SCM供油壓力下降，若SCM供、回油壓力差小于電液換向閥9的復(fù)位壓差，則SCM上所有電液換向閥將復(fù)位，相應(yīng)執(zhí)行器在自身彈簧力作用下誤關(guān)閉．系統(tǒng)要求執(zhí)行器能夠快速開啟，但由于HPU與執(zhí)行器之間距離長達(dá)幾公里甚至幾百公里，HPU的高壓油不能馬上到達(dá)執(zhí)行器，且臍帶纜的儲(chǔ)油能力較弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到系統(tǒng)要求，因此需要由蓄能器6保證執(zhí)行器的快速開啟．執(zhí)行器的關(guān)閉過程主要依靠它自身彈簧所儲(chǔ)存的能量．當(dāng)SCM把執(zhí)行器工作側(cè)的壓力與回油直接短接后，執(zhí)行器就可在其自身彈簧力的作用下復(fù)位，基本上不需要通過長臍帶纜來傳遞流量，從而保證了關(guān)閉過程的快速性．彈性儲(chǔ)能器7用來在關(guān)閉過程中吞吐油液的，保證SCM回油側(cè)的壓力等于海底的環(huán)境壓力．

2 長臍帶纜的數(shù)學(xué)模型

長臍帶纜的集中參數(shù)模型［10］如圖3．用RP，CP和LP分別表示回路中的集中參數(shù)液阻、液容和液感．

圖3 管道的“T”形模型Fig．3“T-shaped”model of pipeline

根據(jù)圖3中的模型，可推導(dǎo)出管道入口壓力P1，流量 Q1與出口壓力 P2，Q2的微分方程如下［11－12］:

其中液阻的集中參數(shù)值RP可由流體阻力方程得到:

式中:d為管道的直徑，l為管道長度，v為油液的運(yùn)動(dòng)粘度，ρ為液壓油液密度．

液感的集中參數(shù)值LP為:

式中:βhose為臍帶纜材料的彈性模量，βfluid為油液的體積彈性模量．

由微分方程組(1)可知，液容液阻時(shí)間常數(shù)和液感液阻時(shí)間常數(shù)分別為:

對(duì)于海上油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)，臍帶纜長度長，液感的影響相對(duì)來說可以忽略．表1為長8.7 km、但直徑規(guī)格不同的臍帶纜以及相應(yīng)的液感液阻時(shí)間常數(shù)和液容液阻時(shí)間常數(shù)．

表1 不同直徑臍帶纜時(shí)間常數(shù)表Table1 Time constants of umbilical hydraulic pipes with different diameter

忽略液感影響，長臍帶纜集中參數(shù)模型如圖4．

圖4 臍帶纜集中參數(shù)模型Fig．4 Lumped model of the umbilical hydraulic pipes

由此可得臍帶纜出口壓力P2、流量Q2與入口壓力P1、流量Q1有如下傳遞函數(shù):

若將長臍帶纜等分為i段，則每一段的液阻、液容分別變?yōu)樵瓉淼?/i，如圖5．

圖5 等分為i段的臍帶纜模型Fig．5 Model of the umbilical hydraulic pipes divided into I parts

若進(jìn)一步將臍帶纜無限等分，即當(dāng)i→∞時(shí)，對(duì)u11，u12，u21，u22中CpRpS的系數(shù)取i→∞時(shí)的極限有:

則由式(8，10，11)可得:

考慮到臍帶纜進(jìn)、出口特性的對(duì)稱性，需要證明u11u22－u12u21=1，證明過程如下:

式(14)即為長臍帶纜分布參數(shù)模型的一般通式．

3 長臍帶纜的液容效應(yīng)

令供、回油臍帶纜的集中參數(shù)液阻值分別為RS和RR，集中參數(shù)液容值分別為CS和CR，則其瞬態(tài)液阻值RS'和RR'均可通過式(14)得到，其供油臍帶纜入口壓力P1恒為常值:P1=PS+ρgh．

對(duì)于供油管路，式(14)變?yōu)?

同理，回油管路出口壓力P2=ρgh為恒定常數(shù)，式(14)變?yōu)?

4 液壓系統(tǒng)最大允許流量

出于安全考慮，水下生產(chǎn)系統(tǒng)上的執(zhí)行器帶有兩級(jí)自動(dòng)關(guān)閉保護(hù)功能．

第二級(jí)保護(hù)裝置位于執(zhí)行器上，控制執(zhí)行器的液壓缸是一個(gè)彈簧缸．當(dāng)SCM上的控制閥控制執(zhí)行器開啟時(shí)，高壓油克服彈簧力推動(dòng)活塞打開球閥，而當(dāng)SCM上的控制閥不能提供高壓油時(shí)，活塞在彈簧力作用下自動(dòng)復(fù)位，關(guān)閉球閥．

第一級(jí)保護(hù)裝置位于SCM的控制閥上，該控制閥是一個(gè)電磁先導(dǎo)式的液動(dòng)閥，當(dāng)SCM的入口壓力降低到一定值時(shí)，液動(dòng)閥在彈簧作用下復(fù)位，關(guān)閉執(zhí)行器球閥．

為了防止某一個(gè)執(zhí)行器動(dòng)作的時(shí)候，臍帶纜的沿程損耗過大，導(dǎo)致SCM控制閥組的整體入口壓力降低，復(fù)位其他已經(jīng)打開的執(zhí)行器，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO13628－6［13］規(guī)定了水下開采控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求:維持SCM供液側(cè)與回液側(cè)的壓差高于50%的控制閥最大復(fù)位壓力PLV，即要求在供、回油臍帶纜上的總壓差小于PS－1.5PLV．

在平臺(tái)供油驅(qū)動(dòng)水下執(zhí)行器動(dòng)作的過程中，如果執(zhí)行器的供油側(cè)與回油側(cè)的面積比為k∶1，對(duì)于已選定的臍帶纜，可以根據(jù)集中液阻和集中液容值推算出對(duì)最大負(fù)載流量(供油側(cè))Qc的限制．

由式(19)與(20)可得:

由式(22)可知，在臍帶纜剛剛開始為執(zhí)行器供油的時(shí)候，可以提供大負(fù)載流量，但隨著動(dòng)作時(shí)間的延長，臍帶纜允許提供的流量越來越小，直到液容效應(yīng)完全被用完．該過程可以理解為:隨著臍帶纜接近執(zhí)行器端的儲(chǔ)油量被不斷消耗(或充入)，更多的液壓油需要流過更長的管路，為了保證臍帶纜兩端的壓差不隨之增大，管道中允許的過流流量越來越?。?/p>

如果系統(tǒng)以一個(gè)固定的流量來驅(qū)動(dòng)一個(gè)總?cè)莘e為Vc的執(zhí)行器油缸，由于油缸動(dòng)作時(shí)間 t?CRRR和CSRS．如果對(duì)式(22)在零點(diǎn)附近一階截?cái)嗪喕?

5 仿真驗(yàn)證

仿真參數(shù)采用我國東海某油氣田海底原油水下采油樹液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行分析:HPU系統(tǒng)的壓力PS為190 bar;海水深度為145 m;液壓油的彈性模量為24 000 bar;臍帶管長度為8.7 km，臍帶纜的彈性模量為5 308 bar;電液換向閥的復(fù)位壓力PLV為45 bar;電液換向閥的流量壓力系數(shù)為Rh≈430(bar/(l/s)2);液壓缸輸入和輸出截流鋼管的直徑為6.3 mm，長度為5 m，截流鋼管的參數(shù)值是由通過系統(tǒng)關(guān)閉的時(shí)間要求并在電液換向閥開啟時(shí)維持一定系統(tǒng)壓差計(jì)算得到，文中不涉及這部分計(jì)算，但這并不影響其對(duì)系統(tǒng)的整體分析;液壓缸的直徑為138 mm，行程為116 mm，彈簧側(cè)容積為1.589 L，另一側(cè)的容積為1.563 L，彈簧完全壓縮時(shí)的力為68.5 kN，當(dāng)閘閥關(guān)閉時(shí)彈簧的完全伸展時(shí)的預(yù)壓縮力38.4 kN．系統(tǒng)要求閘閥的開啟時(shí)間不大于20 s，關(guān)閉時(shí)間小于10 s．按照前面分析將供油臍帶纜直徑優(yōu)化為12.7 mm，回油臍帶纜直徑優(yōu)化為19 mm．用AMESim對(duì)低壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真［10］，曲線如圖6，7．

圖6 4 s執(zhí)行器開關(guān)過程曲線Fig．6 Switching process curve of 4s actuator

圖7 2 s執(zhí)行器開關(guān)過程曲線Fig．7 Switching process curve of 2s actuator

圖6中4 s執(zhí)行器的開啟時(shí)間為9 s，SCM供油側(cè)壓力最低點(diǎn)Pa=180 bar＞PL=115 bar，SCM供、回油壓差Pa－PR＞110 bar＞1.5Plv=67.5 bar;

圖7中2 s執(zhí)行器的開啟時(shí)間為1.7 s，SCM供油側(cè)壓力最低點(diǎn) Pa=200 bar＞PL=115 bar，SCM供、回油壓差 Pa－PR＞110 bar＞1.5Plv= 67.5 bar．

圖6，7顯示，在臍帶纜液容的增強(qiáng)作用下，執(zhí)行器開啟后的SCM供油側(cè)最低壓力均大于設(shè)定的最低壓力，表明所設(shè)計(jì)優(yōu)化的供油臍帶纜直徑和回油臍帶纜直徑能夠滿足水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全要求．

6 結(jié)論

通過對(duì)海上油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)長臍帶纜液容效應(yīng)的研究，得出了利用臍帶纜的液容儲(chǔ)能效果，對(duì)其液壓系統(tǒng)的流量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，在此基礎(chǔ)上建立了長臍帶纜水下端壓力、流量的分布參數(shù)模型，得出水下執(zhí)行器的最大允許流量，并以我國某海上油氣田某井口為例進(jìn)行了計(jì)算、仿真分析，得出以下結(jié)論:

1)海上油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)中的長臍帶纜，由于其長度特別長，導(dǎo)致液感液阻時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)間以及液容液阻時(shí)間常數(shù)，因此可以只考慮液容的影響;此時(shí)臍帶纜的集中參數(shù)模型可由式(14)得到．

2)長臍帶纜在其液容特性的作用下，對(duì)瞬時(shí)液阻的需求由RP減少為，當(dāng)執(zhí)行器持續(xù)動(dòng)作時(shí)間較短時(shí)，可以有效放寬對(duì)臍帶纜液阻的限制，選用液阻較大且直徑較小的管道以降低成本．

4)仿真數(shù)據(jù)表明設(shè)計(jì)的供、回油臍纜液容增強(qiáng)后滿足水下安全要求．

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(責(zé)任編輯:顧 琳)

Research on the capacitance effect of umbilical hydraulic pipes in sub-sea product system's hydraulic control system in offshore oilfield

Wen Mingming1，Liu Junbo2
(1．Institute of Marine Technology，Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou Guangdong 510075，China) (2．Institute of Underwater Technology，Ocean College，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310058，China)

In most offshore oilfields，hydraulic actuators of sub-sea production systems are controlled locally but the power supply and tank are still located in the platform above sea level．In this paper，a flow-rate optimal design method is put forward，via the capacitance effect of the long umbilical hydraulic pipes between the platform and SDU(sub-sea distribution unit)，to reduce the cost of these umbilical pipes．Through the precise distributed parameter model of the umbilical hydraulic pipes，the resistance along the long pipe could be reduced to its minimum value，and the total driving efficiency could be enhanced．Simulation results show that the damping match design rules agree with a certain sub-sea product device of offshore oilfield in South China Sea．

offshore oilfield underwater production system;hydraulic control;long umbilical pipe;capacitance effect;distributed parameter model

TG156

:A

:1673－4807(2015)05－0431－06

10．3969/j．issn．1673－4807．2015．05．005

2015－05－11

國家863計(jì)劃(2013AA092501)

溫明明(1976—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ蟮刭|(zhì)與物探．E-mail:wenmm@21cn．com

溫明明，劉俊波．水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)臍帶纜液容效應(yīng)研究［J］．江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，29(5):431－436．