水下生产系统液压控制系统脐带缆液容效应研究

温明明，刘俊波

(1．广州海洋地质调查局技术方法所，广东广州 510075) (2．浙江大学海洋学院海洋工程与技术研究所，浙江杭州 310058)

水下生产系统液压控制系统脐带缆液容效应研究

温明明1，刘俊波2

(1．广州海洋地质调查局技术方法所，广东广州 510075) (2．浙江大学海洋学院海洋工程与技术研究所，浙江杭州 310058)

油气田水下生产系统液压控制系统多数采用长脐带缆液压驱动完成，由于长行程积累的液阻大、能耗损失大．提出一种利用长脐带缆的液容储能特性优化设计其液压系统流量的方法，对长脐带缆精确分布参数模型进行分析推导，从而最大限度地降低长脐带缆供、回油过程的流动阻力，提高水下生产系统的驱动效率．最后以我国某油气田某井口为例，对供油管路系统进行了阻尼匹配优化设计和仿真，仿真结果与实际非常吻合．

油气田水下生产系统;液压控制;长脐带缆;液容效应;分布参数模型

海上油气田水下生产系统液压控制系统多数采用平台集中供油、海底分配的结构，即液压动力单元(hydraulic power unit，HPU)位于海面的平台上，通过长达几公里甚至几百公里长的脐带缆到海底的分配单元(sub-sea distribution unit，SDU)［1－4］，一路分成多路连到各个井口的控制阀(sub-sea control module，SCM)，最后再从控制阀分出多路管线驱动水下生产系统上液压缸执行器［5－6］．其工作原理如图1．

由于水下生产系统中脐带缆长度长，为节省工程造价，减少长行程管路能耗，往往需要对生产系统液压系统进行优化，而不是按常规液压系统以其流量需求来选用管道直径［7－9］．同时，水下生产系统对液压油的需求往往是断续的，且间隔时间较长．而长脐带缆工作特性集液阻、液容和液感于一体，模型复杂，其液容的储能效果正好可以大幅降低脐带缆供、回油过程的流动阻力．因此，文中提出了一种水下生产系统液压系统流量的最优设计方法，以充分利用脐带缆的液容特性，最大限度地提高水下生产系统的驱动效率．

图1 水下生产系统液压驱动系统结构Fig．1 Sub-sea product system's hydraulic driving system

1 液压控制系统结构及工作原理

水下生产系统的液压系统主要用于控制水下生产设施上各井口生产管道上闸阀的开关，是一套由液压阀来控制闸阀上液压缸执行器动作的液压驱动控制系统，其原理如图2．

图2 水下生产系统液压驱动系统原理Fig．2 Sub-sea product system's hydraulic control system

该液压系统主要由三部分组成:液压动力站(HPU)、水下控制模块(SCM)和阀执行器．HPU位于水面生产平台上，为整个液压系统提供液压动力;脐带缆内的液压流体经水下液压分配单元(SDU)分配后输送到SCM，由SCM实现对多井口的控制．SCM安装在水下生产设施上，确保系统快速响应．

系统工作的基本过程为:HPU出口的液压油液通过脐带缆5、数十米长的钢管11、SCM，然后经由数米长的钢管13直接控制采油树上的阀执行器8的开关．当电液换向阀9置位，液压力克服执行器弹簧力及其他外力将阀打开，执行器打开时的瞬时流量会使SCM供油压力下降，若SCM供、回油压力差小于电液换向阀9的复位压差，则SCM上所有电液换向阀将复位，相应执行器在自身弹簧力作用下误关闭．系统要求执行器能够快速开启，但由于HPU与执行器之间距离长达几公里甚至几百公里，HPU的高压油不能马上到达执行器，且脐带缆的储油能力较弱，远远达不到系统要求，因此需要由蓄能器6保证执行器的快速开启．执行器的关闭过程主要依靠它自身弹簧所储存的能量．当SCM把执行器工作侧的压力与回油直接短接后，执行器就可在其自身弹簧力的作用下复位，基本上不需要通过长脐带缆来传递流量，从而保证了关闭过程的快速性．弹性储能器7用来在关闭过程中吞吐油液的，保证SCM回油侧的压力等于海底的环境压力．

2 长脐带缆的数学模型

长脐带缆的集中参数模型［10］如图3．用RP，CP和LP分别表示回路中的集中参数液阻、液容和液感．

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

根据图3中的模型，可推导出管道入口压力P1，流量 Q1与出口压力 P2，Q2的微分方程如下［11－12］:

其中液阻的集中参数值RP可由流体阻力方程得到:

式中:d为管道的直径，l为管道长度，v为油液的运动粘度，ρ为液压油液密度．

液感的集中参数值LP为:

式中:βhose为脐带缆材料的弹性模量，βfluid为油液的体积弹性模量．

由微分方程组(1)可知，液容液阻时间常数和液感液阻时间常数分别为:

对于海上油气田水下生产系统的液压控制系统，脐带缆长度长，液感的影响相对来说可以忽略．表1为长8.7 km、但直径规格不同的脐带缆以及相应的液感液阻时间常数和液容液阻时间常数．

表1 不同直径脐带缆时间常数表Table1 Time constants of umbilical hydraulic pipes with different diameter

忽略液感影响，长脐带缆集中参数模型如图4．

图4 脐带缆集中参数模型Fig．4 Lumped model of the umbilical hydraulic pipes

由此可得脐带缆出口压力P2、流量Q2与入口压力P1、流量Q1有如下传递函数:

若将长脐带缆等分为i段，则每一段的液阻、液容分别变为原来的1/i，如图5．

图5 等分为i段的脐带缆模型Fig．5 Model of the umbilical hydraulic pipes divided into I parts

若进一步将脐带缆无限等分，即当i→∞时，对u11，u12，u21，u22中CpRpS的系数取i→∞时的极限有:

则由式(8，10，11)可得:

考虑到脐带缆进、出口特性的对称性，需要证明u11u22－u12u21=1，证明过程如下:

式(14)即为长脐带缆分布参数模型的一般通式．

3 长脐带缆的液容效应

令供、回油脐带缆的集中参数液阻值分别为RS和RR，集中参数液容值分别为CS和CR，则其瞬态液阻值RS'和RR'均可通过式(14)得到，其供油脐带缆入口压力P1恒为常值:P1=PS+ρgh．

对于供油管路，式(14)变为:

同理，回油管路出口压力P2=ρgh为恒定常数，式(14)变为:

4 液压系统最大允许流量

出于安全考虑，水下生产系统上的执行器带有两级自动关闭保护功能．

第二级保护装置位于执行器上，控制执行器的液压缸是一个弹簧缸．当SCM上的控制阀控制执行器开启时，高压油克服弹簧力推动活塞打开球阀，而当SCM上的控制阀不能提供高压油时，活塞在弹簧力作用下自动复位，关闭球阀．

第一级保护装置位于SCM的控制阀上，该控制阀是一个电磁先导式的液动阀，当SCM的入口压力降低到一定值时，液动阀在弹簧作用下复位，关闭执行器球阀．

为了防止某一个执行器动作的时候，脐带缆的沿程损耗过大，导致SCM控制阀组的整体入口压力降低，复位其他已经打开的执行器，国际标准ISO13628－6［13］规定了水下开采控制系统的设计要求:维持SCM供液侧与回液侧的压差高于50%的控制阀最大复位压力PLV，即要求在供、回油脐带缆上的总压差小于PS－1.5PLV．

在平台供油驱动水下执行器动作的过程中，如果执行器的供油侧与回油侧的面积比为k∶1，对于已选定的脐带缆，可以根据集中液阻和集中液容值推算出对最大负载流量(供油侧)Qc的限制．

由式(19)与(20)可得:

由式(22)可知，在脐带缆刚刚开始为执行器供油的时候，可以提供大负载流量，但随着动作时间的延长，脐带缆允许提供的流量越来越小，直到液容效应完全被用完．该过程可以理解为:随着脐带缆接近执行器端的储油量被不断消耗(或充入)，更多的液压油需要流过更长的管路，为了保证脐带缆两端的压差不随之增大，管道中允许的过流流量越来越小．

如果系统以一个固定的流量来驱动一个总容积为Vc的执行器油缸，由于油缸动作时间 t≪CRRR和CSRS．如果对式(22)在零点附近一阶截断简化:

5 仿真验证

仿真参数采用我国东海某油气田海底原油水下采油树液压控制系统进行分析:HPU系统的压力PS为190 bar;海水深度为145 m;液压油的弹性模量为24 000 bar;脐带管长度为8.7 km，脐带缆的弹性模量为5 308 bar;电液换向阀的复位压力PLV为45 bar;电液换向阀的流量压力系数为Rh≈430(bar/(l/s)2);液压缸输入和输出截流钢管的直径为6.3 mm，长度为5 m，截流钢管的参数值是由通过系统关闭的时间要求并在电液换向阀开启时维持一定系统压差计算得到，文中不涉及这部分计算，但这并不影响其对系统的整体分析;液压缸的直径为138 mm，行程为116 mm，弹簧侧容积为1.589 L，另一侧的容积为1.563 L，弹簧完全压缩时的力为68.5 kN，当闸阀关闭时弹簧的完全伸展时的预压缩力38.4 kN．系统要求闸阀的开启时间不大于20 s，关闭时间小于10 s．按照前面分析将供油脐带缆直径优化为12.7 mm，回油脐带缆直径优化为19 mm．用AMESim对低压系统进行仿真［10］，曲线如图6，7．

图6 4 s执行器开关过程曲线Fig．6 Switching process curve of 4s actuator

图7 2 s执行器开关过程曲线Fig．7 Switching process curve of 2s actuator

图6中4 s执行器的开启时间为9 s，SCM供油侧压力最低点Pa=180 bar＞PL=115 bar，SCM供、回油压差Pa－PR＞110 bar＞1.5Plv=67.5 bar;

图7中2 s执行器的开启时间为1.7 s，SCM供油侧压力最低点 Pa=200 bar＞PL=115 bar，SCM供、回油压差 Pa－PR＞110 bar＞1.5Plv= 67.5 bar．

图6，7显示，在脐带缆液容的增强作用下，执行器开启后的SCM供油侧最低压力均大于设定的最低压力，表明所设计优化的供油脐带缆直径和回油脐带缆直径能够满足水下生产系统的安全要求．

6 结论

通过对海上油气田水下生产系统液压系统长脐带缆液容效应的研究，得出了利用脐带缆的液容储能效果，对其液压系统的流量进行优化设计的方法，在此基础上建立了长脐带缆水下端压力、流量的分布参数模型，得出水下执行器的最大允许流量，并以我国某海上油气田某井口为例进行了计算、仿真分析，得出以下结论:

1)海上油气田水下生产系统液压系统中的长脐带缆，由于其长度特别长，导致液感液阻时间常数远小于执行器动作时间以及液容液阻时间常数，因此可以只考虑液容的影响;此时脐带缆的集中参数模型可由式(14)得到．

2)长脐带缆在其液容特性的作用下，对瞬时液阻的需求由RP减少为，当执行器持续动作时间较短时，可以有效放宽对脐带缆液阻的限制，选用液阻较大且直径较小的管道以降低成本．

4)仿真数据表明设计的供、回油脐缆液容增强后满足水下安全要求．

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(责任编辑:顾 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

国家863计划(2013AA092501)

温明明(1976—)，男，高级工程师，研究方向为海洋地质与物探．E-mail:wenmm@21cn．com

温明明，刘俊波．水下生产系统液压控制系统脐带缆液容效应研究［J］．江苏科技大学学报:自然科学版，2015，29(5):431－436．