水下液控单元应用现状分析

张宪阵， 肖易萍, 张 凡 , 李 伟, 陈 伟, 白 勇

(1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451; 2. 浙江大学结构工程研究所, 杭州 310058)

水下液控单元应用现状分析

张宪阵1， 肖易萍1, 张 凡2, 李 伟1, 陈 伟2, 白 勇2

(1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451; 2. 浙江大学结构工程研究所, 杭州 310058)

该文首先分析了水下液控单元的主要结构和功能，以Aker公司, Logan公司, Cross Group公司和英国Babbage公司为例，对国外在水下液控单元的制造和使用典型案例进行调研，分析了水下液控单元主要组成部件及其技术特点,并对水下液控单元(HPU)制造工艺进行了初步调研。最后分析了在未来5年国内水下生产设备的市场需求。

液控单元；制造；工艺；调研

0 引言

由于经济发展对能源的急切需求，各大石油公司逐渐加强对高风险、高成本的海洋石油进行开发。随着石油勘探开发重点逐渐从浅海向深海转移，国际上对水下产品的需求也随之增加。水下液控单元(HPU)是深海采油不可缺少的设备，我国目前对其研究还处于起步阶段，因此对HPU在国外的应用现状进行分析，了解其基本结构、分类及适用范围对以后国内的应用以及研发工作具有重要意义。

1 水下液控单元概述

水下液控单元(HPU)的组成部件主要包括主结构、泵、过滤系统、油罐、蓄能器、阀门、管件、截止和泄放系统以及控制面板。其中HPU主结构采用开放式结构以便为所有接触型设备提供方便，同时可使占地面积最小。橇装HPU采用4点提升和搬运设计，并配有凹槽供叉车搬运和滑行。

按照海洋油气田开采用途不同，液压动力单元(HPU)可分为以下几种：水下生产用HPU；上部井口用HPU；海洋平台用HPU；钻井用HPU；测试和冲刷用HPU；安装和修井系统所用HPU。

无论是哪种液压动力单元，其作用都是为上部设施或者水下阀门和工具提供稳定和清洁的高压流体，对设备的HSE、人机界面、可靠度和流体清洁度都有很高的要求。同时，通过配置水下液控单元(HPU)相关制造设施，HPU还可用于化学试剂注入系统(CIU)、修井控制系统(IWOCS)以及其它配套产品的制造[1, 2]。

图1 HPU内部结构图

2 水下液控单元制造实例

2.1 Aker Solution 公司HPU

该液压动力单元由Aker Solutions公司委托EL ES DE Engineering公司为其建造。Aker Solutions公司要求所有的组件都需要用316L不锈钢，表面处理和焊接资格依据AWS D1.1标准。EL ES DE Engineering公司制造车间配置有20 t行吊，并有允许方便进入的装卸台。Aker Solutions公司HPU内部结构图如图1所示。

2.2 美国Logan公司

图2 液压动力单元

Logan公司制造的水下液控单元(HPU)主要组成部件包括压力补偿变量柱塞泵、直接动作高压溢流阀、10 nm全流量回路过滤器、5 nm offline(Kidney Loop)冷却过滤器和不锈钢储液罐(带有可以液位计和温度计)。

此外附属组件还包括用于监测泵工作状态的排泄流量计、单向阀、装有10 nm高压过滤器的管汇、Swagelok管接头以及压力表、压力变换器和传感器。

其他可选组件还包括：电子防爆组件；气油耐腐蚀热交换器；噪音消减设备；PLC控制器用于系统监测和泵的循环；实时液体清洁度监测器；泵的吸入阀开/关安全连锁装置。Logan公司液压动力单元如图2所示。

Logan公司除了为海上石油钻采提供水下液控单元(HPU)外，还制造立管张紧器、IWOCS、管道张紧器、脐带缆绞盘等。

3 水下液控单元(HPU)使用现状分析

3.1 Cross Group公司 HPU

该液压动力单元由Cross Group公司委托Stella Maris为其设计和制造，可以提供压力为5 000 psi的低压控制流体，也可以供压力为10 000 psi的高压控制流体。该设备可用于调试、实验、干预海底油井，同时控制需要设计的设备及单元结构，设计和批准参照DNV2.7-1的相关准则。该单元也运用独立的油罐来保持控制流体的清洁，从而保证使用寿命内的清洁等级。

3.1.1 HPU的设计与制度

高压回路(HP)的供给选择了两个配有Class1 Div1 25 HP 460 VAC电动机的3.6 GPM，10 000 psi的球形柱塞选择泵。HPU系统的蓄能设备由两台18.93 L， 453.6 kg的不锈钢活塞蓄能器组成[3]。任何一个蓄能器都配有独立的分隔装置以及沿着压力释放的末端设置泄放阀。低压回路(LP)的供给选择两个配有Class1 Div1 25 HP 460 VAC电动机的6.0 GPM,6 000 Psi的球形柱塞选择泵。LP系统的蓄能设备是由两台37.85 L、2 721.55 kg的气囊式蓄能器组成，用于提供水和其他液体。任何一个LP蓄能器都配有独立的分隔装置以及沿着压力释放的末端设置泄放阀。制动器的剩余空间可用于在未来增加两个37.85 L, 2 721.55 kg的气囊式制动器。

316不锈钢油罐包括两个舱：一个回收部分，一个供给部分。气囊的气体总体积为2 082 L。一台循环泵运用于控制流体的循环，以保持较高的清洁程度，同时填充能力可使新的流体填充到该系统中。每个油罐当中设置的取样点用于对样本进行检测及周期性的取样；设置液位表可对任意位置的液位进行检测；电动液位开关可用于各舱室禁止HP和LP泵在低液位下工作。

该单元采用总体控制从而使各区域的区域接触最少。电机气动运用于该区域的开关并密封于Class 1 Div 1的防爆等级箱中。一个手动高压配电盘用于给各自独立的HP、LP及再循环马达启动器供能。任一个HP及LP泵都提供一个三档选择开关，即手动、关闭及自动挡。在自动档时，HP和LP的启动及停止是通过一个独立调节的压力开关进行控制的。LP泵的排出总管及HP泵的排出总管均设有特殊的PSVs设备，来进行超压保护。

图3 Babbage采气平台HPU

HP蓄能器的排出处设有不锈钢滤器、流量计及累加器，用于测量流量及总体积。HP的排出头包含两个4 535.92 kg的调节电路，任意一个都设有两个出口及相连的三通阀以及压力表[4]。 HP和LP的排出流量计、三通阀、压力表及调节阀安装于316不锈钢控制板中间，以便于通过IWOCS单元的监测及控制。HP、LP的出口及冲洗返回舱壁均位于一个普通的舱壁板。

冲刷返回头配有一个流量计及累加器来监测流量及总体积，同时在回收滤器中还铺有多层纱布，使得污染达到最小化以提高系统的清洁度。

3.1.2 测试

任何压力循环需要通过1.5倍的额定工作压力的测试。Stella Maris 同样也提供了460 v 三相电来测试各循环的功能，冲刷返回头的泵及回流管路的流速测定，所有的测试数据均记录和备份在FAT文件中。

3.2 英国北海Babbage采气平台HPU

该液压动力单元安装于E.O.N. Ruhrgas UK北海作业公司Babbage平台上，平台作业平均水深42 m。该液压动力单元防爆等级为Zone 1 IIB T3，平台上偶尔会出现易燃易爆气体。压力设备和分配系统被安置在由316L制造的封闭箱子内，箱子基座适合在海洋平台上固定。Babbage采气平台HPU如图3所示。

该液压动力单元产生低压和高压控制流体，供应给井下安全阀(DHSV)和七个采油树上的处理翼阀(PWV)、处理主阀(PMV)和服务翼阀(SWV)等[5]。

液压动力单元的具体参数见表1。

表1 Babbage采气平台HPU参数表

该HPU设计工作环境温度为-10℃ ～ 30℃，此外其满足Zone 1 IIB T3 使用环境并满足压力设备规程(97/23/EC)。

3.3 尼日利亚FPSO HPU

图4 尼日利亚FPSO HPU

该液压动力单元采用316L建造，同时在顶部四个角有吊耳，在下部有叉车槽，底部设计成方便于在FPSO上固定的结构。尼日利亚FPSO HPU如图4所示。

该液压动力单元被安装在位于尼日利亚近海75 km的FPSO上，用于给水下生产设备提供液压源。由于操作环境恶劣，该液压动力单元的设计最大允许操作温度为70℃，其内部还安装了一台空调来保证内部温度不超过最大允许温度。

液压动力单元使用双冗余PLC控制，PLC由DCS通过双冗余ModBus TCP/IP控制和监测。PLC可以监测储液罐液位、输出压力和液压泵的状态等。这样当HPU设置为自动控制模式时，该HPU的运转不需要操作人员现场管理，所有的错误状态和警告都会被标记并发送给总控制台的操作人员。

它的再循环系统可以通过HPU外部的冲液点给回收罐冲液，一旦有液体进入，位于回收罐附近的再循环泵可以通过循环回路净化液体，直到清洁度满足要求。只有当液体清洁度满足要求时，液体才会被泵入送入罐。回收罐和供应罐直接的循环系统采用PLC控制自动化的三路选择阀来实现。尼日利亚FPSO HPU参数见表2。

表2 尼日利亚FPSO HPU参数表

该HPU同样需满足Zone 1 IIB T3使用环境要求，设计工作环境温度为30℃～70℃，湿度范围0～100 %。同时还需满足美国船级社(ABS)ATEX Directive 94/9/EC规范[6]。

4 总结

HPU设计制造是一项系统工程，它涉及到材料、力学、机械、电子、液压等各方面内容，同时在设计过程中实际操作经验同样起重要作用。通过对国外一些具有代表性的HPU制造实例进行分析，对HPU基本结构及功能有了初步了解。通过对一些HPU制造公司调研，掌握了HPU制造技术某些关键参数，这些参数是HPU制造工程中所必需的。除了这些参数外，HPU制造过程中的工艺更重要，它决定着HPU在使用过程中的可靠度。

[1] 刘志浩，高世伦. 水下作业工具液压动力源的研制[J]. 海洋技术，2002,21 (2): 21-23.

[2] 刘银水，王肖斌，吴德发，等. 移动式海水液压水下作业工具系统[J]. 机床与液压，2008, 36(10): 14-17.

[3] 孟庆鑫，王茁，袁鹏，等. 水下作业工具系统的关键技术研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2003, 23 (1): 76-79.

[4] 周延军，龙芝辉，李文飞. 钻井环空气液两相流动及气相漂移上升速度规律研究[J]. 油气田地面工程, 2009, 28 (11): 1-3.

[5] 许元松，黄玲. 储罐液量监测控制新技术[J]. 仪表自控, 2012, 31 (10): 73-74.

[6] 于宗文. 车载式油井井口自动计量装置[J]. 油气田地面工程, 2007, 26 (2): 37.

Current Application Status of Hydraulic Power Unit

ZHANG Xian-zhen1， XIAO Yi-ping1， ZHANG Fan2， LI Wei1，CHEN Wei2， BAI Yong2

(1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China;2. Structural Engineering Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

This article analyzes the structure and functionality of Hydraulic power unit (HPU). Based on the cases of Aker solution, Logan ltd, Cross Group and Babbage ltd, we also analyzed the typical HPU manufacture and usage cases in abroad, as well as the manufacturing craft of HPU. The requirements of subsea engineering facilities in domestic market are also analyzed at last.

hydraulic power unit; manufacture; technique craft; investigate and survey

2013-11-14

国家重大专项(2011ZX05027-004)。

张宪阵(1983-)，男，工程师。

1001-4500(2015)05-0001-04

P75

A