井口控制盤皮囊式蓄能器放熱研究

摘 要：井口控制盤是控制海上油井的關(guān)鍵設(shè)備，皮囊式蓄能器是井口控制盤的核心元件，在高壓系統(tǒng)中若選用不當(dāng)，容易導(dǎo)致蓄能器在排液過(guò)程中放熱過(guò)度，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致皮囊破裂，影響設(shè)備的使用壽命。針對(duì)此問(wèn)題，以某平臺(tái)實(shí)際案例為基礎(chǔ)，著重研究皮囊式蓄能器工作過(guò)程排液放熱問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：井口控制盤；蓄能器；絕熱；放熱

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.058

皮囊式蓄能器在井口控制盤中主要作用是做輔助動(dòng)力源，常規(guī)選型一般是將工作循環(huán)看作一個(gè)絕熱過(guò)程，根據(jù)玻義爾定律進(jìn)行計(jì)算。但在高壓系統(tǒng)中，操作壓力、環(huán)境溫度變化對(duì)蓄能器的影響很大，若選用不當(dāng)，容易導(dǎo)致蓄能器在排液過(guò)程中放熱過(guò)度，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致皮囊破裂。因此在高壓系統(tǒng)中，蓄能器計(jì)算和選型中必須考慮在排液過(guò)程中放熱的問(wèn)題。

1 皮囊式蓄能器工作過(guò)程

皮囊式蓄能器作為系統(tǒng)輔助動(dòng)力源，系統(tǒng)啟動(dòng)后，液壓泵首先向蓄能器充液，直至壓力達(dá)到最高操作壓力，液壓泵停止工作[1]。初始充液過(guò)程一般控制在10分鐘之內(nèi)。充液完成后，儲(chǔ)存液壓油不會(huì)迅速被用掉，蓄能器中的氮?dú)鉁囟茸罱K會(huì)與環(huán)境溫度一致，對(duì)蓄能器中的氣體來(lái)說(shuō)，初始充液是一個(gè)等溫壓縮的過(guò)程。

在井口控制盤的工作過(guò)程中，蓄能器的主要工作過(guò)程就是排液-補(bǔ)液循環(huán)。

1.1 蓄能器排液過(guò)程

開井時(shí)，蓄能器中的氣體快速膨脹，迅速排液，輸出液壓油時(shí)間非常短（動(dòng)作時(shí)間小于5秒），且排液后的壓力仍不小于其預(yù)充壓力。故排液過(guò)程是一個(gè)絕熱過(guò)程[2]。

1.2 蓄能器補(bǔ)液過(guò)程

蓄能器向液壓回路提供液壓油，直至壓力降至一定值，液壓泵重新啟動(dòng)，為蓄能器補(bǔ)液。補(bǔ)液時(shí)間一般較短（時(shí)間小于3分鐘），可以將其過(guò)程看作一個(gè)絕熱過(guò)程。

2 計(jì)算模型

蓄能器的排液是一個(gè)絕熱過(guò)程，補(bǔ)液過(guò)程可以看作一個(gè)絕熱過(guò)程，基于玻義爾定律[3]：

（公式1）

式中：為蓄能器的預(yù)充壓力，一般為最小操作壓力的0.9倍[4]；為所需蓄能器的容積；

為安全閥最小操作壓力；蓄能器最小操作壓力是的容積；

為安全閥最大操作壓力；蓄能器最大操作壓力是的容積；

? 為蓄能器的充液容積（有效輸出容積）；n為絕熱指數(shù)；

由公式（1）計(jì)算蓄能器的容積：

（公式2）

其中是校正系數(shù)。

3 蓄能器選型計(jì)算

3.1 某平臺(tái)基本參數(shù)

（1）最高環(huán)境溫度：33℃，最低環(huán)境溫度：-6℃；（2）控制井下安全閥執(zhí)行器容積為0.1L，操作壓力21～50MPa；（3）井口控制盤距井下安全閥320米，液壓管線選用直徑1/4英寸壁厚0.065英寸鋼管；（4）在不啟動(dòng)液壓泵的情況下，蓄能器需要滿足兩口井井下安全閥兩次開關(guān)循環(huán)；（5）蓄能器的容積按照2×50%配置。

3.2 蓄能器容積計(jì)算

將項(xiàng)目的數(shù)據(jù)代入公式2，計(jì)算需要蓄能器的有效氣體容積為1.882L。查詢蓄能器廠家樣本[5]，選擇2個(gè)1L蓄能器。

4 蓄能器選型驗(yàn)算

初步選定蓄能器后，核算在工作過(guò)程中放熱的影響，按照模型中的相關(guān)參數(shù)和1L蓄能器進(jìn)行軟件模擬，以驗(yàn)證蓄能器的選型。

4.1 工作循環(huán)中溫度變化曲線

使用蓄能器廠家模擬軟件[6]，模擬在最高操作壓力50MPa，環(huán)境溫度33℃和-6℃時(shí)四個(gè)工作過(guò)程，模擬曲線如圖1所示。

紅線表示從最高環(huán)境溫度33℃開始四個(gè)循環(huán)過(guò)程溫度變化，藍(lán)線表示從最高環(huán)境溫度-6℃開始四個(gè)工作過(guò)程溫度變化。對(duì)比圖中曲線，在工作循環(huán)過(guò)程中，1L的蓄能器溫度震蕩范圍較大。每次排液后的溫度如表1所示。

4.2 分析結(jié)論

由模擬曲線，在環(huán)境溫度33℃，蓄能器選擇1L是能滿足工作要求。但若是在最低環(huán)境溫度中，1L蓄能器在工作過(guò)程中放熱過(guò)度，系統(tǒng)液壓油最低溫度-37.2℃，在此溫度下蓄能器出口液壓油的流動(dòng)性變差，同時(shí)也會(huì)對(duì)皮囊的壽命產(chǎn)生影響。故1L的蓄能器不推薦使用。

4.3 重新選型驗(yàn)證

根據(jù)廠家產(chǎn)品樣本，選擇2.5L的蓄能器。模擬在最高操作壓力50MPa，環(huán)境溫度33℃和-6℃時(shí)四個(gè)工作過(guò)程，模擬曲線如圖2所示。

對(duì)比圖中曲線，在工作循環(huán)過(guò)程中，2.5L的蓄能器溫度震蕩范圍較小。每次排液后的溫度如表2所示。

若選擇2.5L蓄能器，在最高環(huán)境溫度33℃時(shí)，排油后溫度下降較少。在最低環(huán)境溫度下-6℃的時(shí)候，放熱變化相對(duì)較小，且恢復(fù)迅速。整體上選擇2.5L的蓄能器效果較好。

5 總結(jié)

井口控制盤的蓄能器計(jì)算與選型時(shí)，在壓力較低時(shí)，可以直接將工作過(guò)程看作玻義爾定律，直接計(jì)算選型。但是在高壓系統(tǒng)中需要特別考慮蓄能器放熱過(guò)度情況。因?yàn)闇囟葎×易兓粌H影響到液壓油的流動(dòng)性，而且還會(huì)影響皮囊的使用壽命。本文借助蓄能器仿真軟件對(duì)整個(gè)工作循環(huán)進(jìn)行模擬，曲線顯示了工作循環(huán)過(guò)程中的溫度變化，借助曲線判定蓄能器選型是否合理。驗(yàn)證高壓皮囊蓄能器選型，最大程度發(fā)揮蓄能器的作用，提高設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性。本文也為同類產(chǎn)品選型提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王強(qiáng)，韓旭平，倪學(xué)莉.井口控制盤重要部件的計(jì)算問(wèn)題[J].中國(guó)造船，2004（45）：326-333.

[2]齊桂卿，吳朝暉，張玉斌.井口盤氣囊式蓄能器的一種新計(jì)算方法探討[A].第十五屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集（下）[C].2011：1700-1702.

[3]楊洪慶，范玉揚(yáng)，張鳳紅.井口盤液壓回路蓄能器和液壓泵的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].中國(guó)修船，2008（21）：66-68.

[4]劉鴻雁，趙波，張偉娜等.Q/HS3025-2014 海上油氣田固定式生產(chǎn)平臺(tái)液壓動(dòng)力單元設(shè)計(jì)指南[S].北京：石油工業(yè)出版社，2014：18-19.

[5]HYDAC INTERNATIONAL Bladder Accumulators High pressure E3.203.3/03.12：36-37.

[6]HYDAC ASP 5.0.

作者簡(jiǎn)介：楊建義（1983-），男，河北人，學(xué)士，工程師，從事機(jī)電液一體化設(shè)計(jì)工作。