井口控制盘皮囊式蓄能器放热研究

摘 要：井口控制盘是控制海上油井的关键设备，皮囊式蓄能器是井口控制盘的核心元件，在高压系统中若选用不当，容易导致蓄能器在排液过程中放热过度，严重时导致皮囊破裂，影响设备的使用寿命。针对此问题，以某平台实际案例为基础，着重研究皮囊式蓄能器工作过程排液放热问题。

关键词：井口控制盘；蓄能器；绝热；放热

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

皮囊式蓄能器在井口控制盘中主要作用是做辅助动力源，常规选型一般是将工作循环看作一个绝热过程，根据玻义尔定律进行计算。但在高压系统中，操作压力、环境温度变化对蓄能器的影响很大，若选用不当，容易导致蓄能器在排液过程中放热过度，严重时导致皮囊破裂。因此在高压系统中，蓄能器计算和选型中必须考虑在排液过程中放热的问题。

1 皮囊式蓄能器工作过程

皮囊式蓄能器作为系统辅助动力源，系统启动后，液压泵首先向蓄能器充液，直至压力达到最高操作压力，液压泵停止工作[1]。初始充液过程一般控制在10分钟之内。充液完成后，储存液压油不会迅速被用掉，蓄能器中的氮气温度最终会与环境温度一致，对蓄能器中的气体来说，初始充液是一个等温压缩的过程。

在井口控制盘的工作过程中，蓄能器的主要工作过程就是排液-补液循环。

1.1 蓄能器排液过程

开井时，蓄能器中的气体快速膨胀，迅速排液，输出液压油时间非常短（动作时间小于5秒），且排液后的压力仍不小于其预充压力。故排液过程是一个绝热过程[2]。

1.2 蓄能器补液过程

蓄能器向液压回路提供液压油，直至压力降至一定值，液压泵重新启动，为蓄能器补液。补液时间一般较短（时间小于3分钟），可以将其过程看作一个绝热过程。

2 计算模型

蓄能器的排液是一个绝热过程，补液过程可以看作一个绝热过程，基于玻义尔定律[3]：

（公式1）

式中：为蓄能器的预充压力，一般为最小操作压力的0.9倍[4]；为所需蓄能器的容积；

为安全阀最小操作压力；蓄能器最小操作压力是的容积；

为安全阀最大操作压力；蓄能器最大操作压力是的容积；

? 为蓄能器的充液容积（有效输出容积）；n为绝热指数；

由公式（1）计算蓄能器的容积：

（公式2）

其中是校正系数。

3 蓄能器选型计算

3.1 某平台基本参数

（1）最高环境温度：33℃，最低环境温度：-6℃；（2）控制井下安全阀执行器容积为0.1L，操作压力21～50MPa；（3）井口控制盘距井下安全阀320米，液压管线选用直径1/4英寸壁厚0.065英寸钢管；（4）在不启动液压泵的情况下，蓄能器需要满足两口井井下安全阀两次开关循环；（5）蓄能器的容积按照2×50%配置。

3.2 蓄能器容积计算

将项目的数据代入公式2，计算需要蓄能器的有效气体容积为1.882L。查询蓄能器厂家样本[5]，选择2个1L蓄能器。

4 蓄能器选型验算

初步选定蓄能器后，核算在工作过程中放热的影响，按照模型中的相关参数和1L蓄能器进行软件模拟，以验证蓄能器的选型。

4.1 工作循环中温度变化曲线

使用蓄能器厂家模拟软件[6]，模拟在最高操作压力50MPa，环境温度33℃和-6℃时四个工作过程，模拟曲线如图1所示。

红线表示从最高环境温度33℃开始四个循环过程温度变化，蓝线表示从最高环境温度-6℃开始四个工作过程温度变化。对比图中曲线，在工作循环过程中，1L的蓄能器温度震荡范围较大。每次排液后的温度如表1所示。

4.2 分析结论

由模拟曲线，在环境温度33℃，蓄能器选择1L是能满足工作要求。但若是在最低环境温度中，1L蓄能器在工作过程中放热过度，系统液压油最低温度-37.2℃，在此温度下蓄能器出口液压油的流动性变差，同时也会对皮囊的寿命产生影响。故1L的蓄能器不推荐使用。

4.3 重新选型验证

根據厂家产品样本，选择2.5L的蓄能器。模拟在最高操作压力50MPa，环境温度33℃和-6℃时四个工作过程，模拟曲线如图2所示。

对比图中曲线，在工作循环过程中，2.5L的蓄能器温度震荡范围较小。每次排液后的温度如表2所示。

若选择2.5L蓄能器，在最高环境温度33℃时，排油后温度下降较少。在最低环境温度下-6℃的时候，放热变化相对较小，且恢复迅速。整体上选择2.5L的蓄能器效果较好。

5 总结

井口控制盘的蓄能器计算与选型时，在压力较低时，可以直接将工作过程看作玻义尔定律，直接计算选型。但是在高压系统中需要特别考虑蓄能器放热过度情况。因为温度剧烈变化不仅影响到液压油的流动性，而且还会影响皮囊的使用寿命。本文借助蓄能器仿真软件对整个工作循环进行模拟，曲线显示了工作循环过程中的温度变化，借助曲线判定蓄能器选型是否合理。验证高压皮囊蓄能器选型，最大程度发挥蓄能器的作用，提高设备的稳定性、可靠性。本文也为同类产品选型提供一定的参考。

参考文献：

[1]王强，韩旭平，倪学莉.井口控制盘重要部件的计算问题[J].中国造船，2004（45）：326-333.

[2]齐桂卿，吴朝晖，张玉斌.井口盘气囊式蓄能器的一种新计算方法探讨[A].第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集（下）[C].2011：1700-1702.

[3]杨洪庆，范玉扬，张凤红.井口盘液压回路蓄能器和液压泵的设计与计算[J].中国修船，2008（21）：66-68.

[4]刘鸿雁，赵波，张伟娜等.Q/HS3025-2014 海上油气田固定式生产平台液压动力单元设计指南[S].北京：石油工业出版社，2014：18-19.

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

[6]HYDAC ASP 5.0.

作者简介：杨建义（1983-），男，河北人，学士，工程师，从事机电液一体化设计工作。