活塞式蓄能器應(yīng)用于井口盤的設(shè)計(jì)與計(jì)算

齊桂卿，王 強(qiáng)，鄧 銳

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

井口控制盤直接控制井上翼閥、井上主閥和井下安全閥的開關(guān)邏輯。當(dāng)海上平臺(tái)無(wú)氣源時(shí)，工藝管線上的關(guān)斷閥、控制閥需采用液壓控制，此時(shí)井口盤也要向這些閥門提供液壓源。目前，海上石油平臺(tái)井口控制盤內(nèi)的蓄能器多選用氣囊式[1]。但氣囊式蓄能器的固有特點(diǎn)導(dǎo)致其并不適用于某些特殊工況。本文重點(diǎn)研究了活塞式蓄能器在井口控制盤上的應(yīng)用原則及相關(guān)計(jì)算，并提出了外接氣瓶方案的計(jì)算方法及實(shí)施意義。

1 蓄能器

蓄能器是用來(lái)儲(chǔ)存“壓力能”作為備用的動(dòng)力源，并在需要的時(shí)候釋放“壓力能”的裝置[2]。海上石油生產(chǎn)平臺(tái)通常具有遠(yuǎn)離陸地、作業(yè)面積小、備品備件有限的特點(diǎn)。當(dāng)井口盤液壓泵發(fā)生故障時(shí)，需要在供液回路中使用蓄能器，以便在液壓泵故障情況下保持生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行[3]。常見的蓄能器有活塞式和氣囊式蓄能器。

從表1可以看出，相較于氣囊式蓄能器，活塞式蓄能器在工作容積、有效容積、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度方面，有個(gè)更大的適用范圍。同時(shí)活塞式蓄能器具有壽命長(zhǎng)，容量大，可靠性高及供油壓力穩(wěn)定的特點(diǎn)[5]。單就井口控制盤而言，由于蓄能器主要用作輔助動(dòng)力源，氣囊承受較大沖擊是小概率事件，皮囊破裂的可能性較小，再考慮到皮囊式蓄能器的價(jià)格通常要比活塞式便宜，皮囊式蓄能器仍然是首選。但當(dāng)井口盤液壓回路的工作壓力、蓄能器容積及有效容積超出皮囊式蓄能器的適用范圍時(shí)，則應(yīng)考慮選用活塞式蓄能器。下面幾種工況應(yīng)重點(diǎn)考慮采用活塞式蓄能器。表1為兩種型式的蓄能器的性能比較。

表1 蓄能器性能比較

（1）液壓回路工作壓力超過(guò)63 MPa

這主要取決于液壓用戶的需求壓力，通常情況下，井下安全閥的工作壓力較高。因此，在設(shè)計(jì)前期無(wú)法得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)而預(yù)估數(shù)據(jù)較接近或超過(guò)63 MPa時(shí)，應(yīng)選用活塞式蓄能器。

（2）工作壓力介于31.5～63 MPa，容積大于40 L

GB/T-20663-2006中規(guī)定，當(dāng)工作壓力介于31.5～63 MPa時(shí)，氣囊式蓄能器的容積最大可以做到50 L，而JB/T 7035-2006亦有類似規(guī)定，但允許的容積為40 L.基于此，該工況下應(yīng)優(yōu)先考慮使用活塞式蓄能器。

（3）總?cè)莘e需求偏大，需外接氣瓶擴(kuò)充容積

當(dāng)最低工作壓力和最高工作壓力之間的壓差較大時(shí)，預(yù)充氣體需要大量被壓縮，對(duì)總?cè)莘e要求較高，對(duì)活塞式蓄能器，可以通過(guò)外接氣瓶的方式，整個(gè)活塞上方的氣體空間可以作為有效容積考慮。

以近期海有工程所承接的卡塔爾NFA項(xiàng)目海上平臺(tái)的井口盤為例，平臺(tái)無(wú)氣源，所有關(guān)斷閥、控制閥均需采用液壓控制，除此之外，平臺(tái)還配置了HPU模塊，也需要井口盤提供液壓源，而且需按2×100%配置蓄能器。這些因素的疊加使該項(xiàng)目對(duì)蓄能器的容積要求達(dá)480 L，且最高工作壓力超過(guò)40 MPa.項(xiàng)目采用多個(gè)活塞式蓄能器組成的蓄能器組，確保了蓄能器的有效容積滿足井口盤的排液需求。

2 蓄能器的計(jì)算

2.1 井口盤蓄能器的工作過(guò)程

活塞（或氣囊）將蓄能器分為上下兩部分，其中上側(cè)充氮?dú)?，下?cè)充液壓油。根據(jù)蓄能器的工作過(guò)程，蓄能器的工作可以分為三個(gè)典型工作狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 蓄能器工作的三個(gè)典型狀態(tài)

1）預(yù)充壓狀態(tài)：指蓄能器充液壓油之前的狀態(tài)；

2）最小工作壓力狀態(tài)：指蓄能器內(nèi)的壓力達(dá)到維持液壓回路正常工作的最小壓力值；

3）最大工作壓力狀態(tài)：指蓄能器內(nèi)的壓力達(dá)到維持液壓回路正常工作的最大壓力值。

在井口控制盤上，蓄能器用作應(yīng)急動(dòng)力源，一方面要在液壓回路出現(xiàn)故障及時(shí)補(bǔ)充液壓油并將壓力保持在最下壓力Pmin之上，另一方面還需要在緊急關(guān)井的情況下能夠快速排出一定的液量的液壓油。

2.2 蓄能器容積的計(jì)算方法

對(duì)于井口盤蓄能器而言，其充液時(shí)間通常大于10 min，且充液結(jié)束后，只有在緊急工況下才會(huì)用于排液以維持壓力在最小工作壓力之上，在正常工況下它是被“閑置”的[6]，這使蓄能器可以與外界進(jìn)行充分的熱交換，因此，對(duì)蓄能器中的氣體來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)等溫壓縮的過(guò)程[7]。根據(jù)玻義爾定律：

一旦蓄能器在緊急情況下投入使用，其完成排液和泄壓的速度非?？欤ㄍǔＪ菐酌耄瑳](méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行熱交換，因此其排液過(guò)程應(yīng)按照絕熱過(guò)程處理。

式（1）、（2）、（3）中，P0為預(yù)充壓力，通常取 P0=0.9Pmin，kPaG；V0為蓄能器在預(yù)充壓狀態(tài)下的體積，它通常等于或略小于蓄能器的標(biāo)稱體積（L）；Pmax為蓄能器最大工作壓力（kPaG）；V2為蓄能器在最大工作壓力下的體積（L）；Pmin為蓄能器最小工作壓力（kPaG）；V1為蓄能器在最小工作壓力下的體積（L）；n為絕熱指數(shù)，絕熱過(guò)程取n=1.4.

蓄能器的計(jì)算就是要根據(jù)排液量需求、最大工作壓力、最小工作壓力得出所需的蓄能器體積，基于（1）、（2）、（3）式可得：

將P0=0.9Pmin帶入上式，可得：

上式即為蓄能器容積的計(jì)算公式，該公式同時(shí)適用于皮囊式蓄能器及活塞式蓄能器。

2.3 計(jì)算方法的推演

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化蓄能器的計(jì)算，此處引入壓差比和容積率的概念。壓差比為最大工作壓力和最小工作壓力的比值，即：

容積率是指有效容積同預(yù)充壓狀態(tài)體積的比值：

由此可得：

由式（9）可以看出，壓強(qiáng)比K是影響容積率VE的唯一參數(shù)，據(jù)此完成如表2所示的容積率查詢表。

表2 容積率查詢表

對(duì)工程設(shè)計(jì)人員而言，容積率查詢表非常實(shí)用，可以迅速得出容積率，從而得出蓄能器容積。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，各井口盤廠家在蓄能器計(jì)算方法上并無(wú)統(tǒng)一的原則，有的是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出不同壓力變化范圍內(nèi)的容積率，也有廠家將蓄能器充液過(guò)程也看做絕熱過(guò)程來(lái)計(jì)算，給工程人員審圖造成極大的不便。容積率查詢表可以讓設(shè)計(jì)人員避開廠家繁瑣的計(jì)算，直接根據(jù)其計(jì)算結(jié)果判斷選型計(jì)算的合理性。

3 計(jì)算方法的應(yīng)用

由于井下安全閥和井上安全閥的操作壓力的差異，井口控制盤在設(shè)計(jì)時(shí)通常需要設(shè)計(jì)兩路液壓回路，當(dāng)關(guān)斷閥、控制閥需要液壓源時(shí)，則同井上安全閥共用液壓回路。限于篇幅，此處僅以卡塔爾項(xiàng)目井上安全閥為例進(jìn)行計(jì)算。

卡塔爾項(xiàng)目的相關(guān)參數(shù)如下：

Pmin=16 550 KPaG

Pmax=29 870 KPaG

根據(jù)式（9）可得容積率：VE=0.261

△V需要根據(jù)每個(gè)液壓用戶所需求的排液量來(lái)計(jì)算，在卡塔爾NFA項(xiàng)目中，井口盤需要分別向井上安全閥（SSV）、關(guān)斷閥及ESD閥門提供液壓油。液壓油用量如表3所示。

表3 NFA項(xiàng)目井上設(shè)施液壓油用量表

由上表可得，△V=48.4 L

為確保選用的蓄能器能夠在惡劣環(huán)境（高溫或低溫）下依然能夠有效的工作，并考慮到液壓油在管線和閥件處的泄漏等，在計(jì)算蓄能器容積時(shí)要乘以一個(gè)安全系數(shù)，卡塔爾項(xiàng)目要求安全系數(shù)為1.3，且要求蓄能器按照2×100%配置，因此所需的蓄能器總?cè)莘e為：

根據(jù)最終的蓄能器總?cè)莘e需求，即可為井口控制盤配置一組蓄能器。

4 外接氣瓶方案的計(jì)算方法

如前所述，外接蓄能器可以極大的提高蓄能器的有效容積，最理想的情況是整個(gè)活塞上方的充氣空間均為有效容積。此時(shí)，前面所計(jì)算出的V0′不僅包括蓄能器容積，而是進(jìn)一步外延到外接氣瓶。如圖2所示。

圖2 蓄能器外接氣瓶示意圖

仍以卡塔爾NFA項(xiàng)目為例，全蓄能器方案時(shí)，可以選用8個(gè)公稱體積為63L的蓄能器。而當(dāng)采用外接氣瓶方案時(shí)，則有：

其中，Va為蓄能器容積（L）；Vc為外接氣瓶的容積（L）；Va不應(yīng)小于排液需求的有效容積，由于在前期計(jì)算中已經(jīng)考慮安全系數(shù)，?。?/p>

按照2×100%配置要求，可以按照4×32L配置蓄能器。外接氣瓶的容積需求：

可選用6個(gè)63 L的氣瓶串接至蓄能器。

通過(guò)以上的計(jì)算可以看出，采用外接氣瓶的方案后，蓄能器的規(guī)格和數(shù)量都遠(yuǎn)小于原方案，有效容積之外的蓄能器容積可以用外接氣瓶代替。由于氣瓶的價(jià)格成本遠(yuǎn)低于蓄能器的價(jià)格成本，因而具有良好的經(jīng)濟(jì)性，即單位容量的成本價(jià)格低[8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

容積率和壓差比概念的提出，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了蓄能器的選型計(jì)算，對(duì)工程設(shè)計(jì)人員的而言很有實(shí)用性。該計(jì)算方法不僅適用于井口盤蓄能器，對(duì)其他采用蓄能器的場(chǎng)合也具有借鑒意義。采用外接氣瓶的方案后，可以降低活塞式蓄能器數(shù)量及容積，從而降低其成撬尺寸，有效降低成本。

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