水下液壓控制系統淺水測試專用仿真測試軟件*

肖仕紅，沈亞坤，劉立新，候 莉，張 薇，梁 政

(1.西南石油大學機電工程學院，四川成都610500;2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

0 引言

深水油氣開發屬于高風險和高技術領域，對水下生產系統的可靠性要求極高，在投產前，需開展一系列的測試［1-2］。淺水測試是水下生產裝備到貨后進行的系統完整性測試內容之一，需使用修井控制系統和水下生產控制系統進行采油樹功能試驗［3］。然而，目前水下生產控制路徑已達到150 km，水深也接近3 000 m，測試中難以模擬真實的控制系統和測試環境，與實際工況存在差異，無法驗證到貨系統的性能，需借助仿真驗證［4-5］。目前，國內常用AMESim 軟件對水下液控系統進行仿真研究［6-8］。其中，中海油和浙江大學還利用Visual Basic 軟件對AMESim 軟件進行了二次開發。因SimulationX 軟件具有專門的水下仿真環境和相關水下液壓元件庫，相對其他液壓軟件具有一定的優勢，也逐漸被國內研究機構接受，已在水下控制系統、水下閘閥、深水防噴器組控制系統等的仿真研究中［9-12］得到應用。

某淺水測試場確定SimulationX 軟件為水下生產液壓控制系統的仿真軟件。但該軟件專業化程度高、相關參數輸入值只默認一個［13］，不易為淺水測試場操作人員掌握，且操作繁瑣，重復工作量大。

鑒于SimulationX 軟件能輸出完整模型的C 代碼文件和相關參數文件;而VC 軟件具有便捷的界面設計，能實現輸入與輸出數據的保存與調用。課題針對水下液壓控制系統淺水測試需求，結合兩套軟件特點，開展VC 軟件對SimulationX 軟件的二次開發研究。

1 測試原理及測試方法

1.1 測試原理

標準要求，測試系統需模擬實際系統的主要操作。本研究參考實際水下液壓控制系統的工作原理和國外淺水測試系統［14-16］，建立了水下液控系統的淺水測試原理框圖如圖1所示［17］。

圖1 液壓系統測試原理圖(含SCM)

淺水測試場配置的測試用液壓動力單元(THPU)提供所需的測試液通過地面管道傳送到水面控制纜終端(TUTA)，再通過臍帶纜或液壓軟管將TUTA 與安裝在淺水池中的水下采油樹或水下管匯上的SCM 或執行器連接，從而測試水下液壓系統的性能。若測試系統中配置臍帶纜模擬器，則可模擬臍帶纜的傳輸特性，減小測試誤差。此外，若設備制造方提供實際使用的液壓動力單元(HPU)，則須替換測試系統中淺水測試場所提供的THPU。

1.2 測試方法

本研究通過對標準分析及國內外淺水測試現狀調研［18］，確定液壓控制系統淺水測試主要進行水下液驅閥門的功能測試及其泄漏測試，具體包括SCM 試運行測試和閥操作測試:通過SCM 試運行檢查THPU 在內部管路充壓后的油箱液位高度;檢查整個高/低壓液壓系統各自的充壓時間及充壓后THPU 的油箱液位高度;檢查系統充壓后SCM 內部高/低系統的壓力值是否達到期望值。通過閥操作測試水下采油樹、水下管匯等水下生產裝備上任一水下閥的開/關性能，以及液壓系統的泄漏程度;驗證整個控制系統的ESD 功能。其中，閥操作測試期間，每次只允許操作一個閥門，禁止多個閥門同時操作。實際測試可獲取液壓系統充壓時間、系統充壓后SCM 內部壓力值、閥的開/關性能、液壓線路泄漏程度等參數值。

由于實測值難以直接驗證被測設備的性能，淺水測試中通常在THPU 或控制臺里安裝仿真測試軟件，利用仿真測試軟件獲取被測系統的仿真值。通過對比分析實際測試值和仿真值，判斷到貨產品的性能。

2 專用仿真測試軟件的功能要求

淺水測試中，被測設備眾多，且廠家及型號各異，再加上測試設備可用設備制造方提供的對應設備替換，則具體測試設備未固定，因此仿真模型和仿真參數值都在變化。為此，針對淺水測試特點及需求進行SimulationX 二次開發的專用仿真測試軟件至少具有如下功能:

(1)專用仿真測試軟件的輸出結果至少包含:SCM 蓄能器壓力(驗證高/低壓液壓系統充壓時間及系統充壓后SCM 內部壓力值)、執行器開啟腔壓力、執行器彈簧腔壓力、執行器位置(驗證閥的開關性能)和執行器開啟腔流量(驗證液壓系統的泄漏程度)。

(2)測試人員無需建模、參數輸入工作量小、操作簡單。

(3)能進行無SCM 時的仿真測試。為了高效地利用淺水測試場及其測試設備，淺水測試場還可為設備制造方提供水下生產裝備液壓控制單元的功能測試，測試時通常無SCM 配置。

(4)能實現仿真測試值與實際測試值的對比。

3 二次開發中SimulationX 軟件設計

通常仿真分析需完成建模、仿真參數設置和仿真運行3 個基本操作流程后獲得仿真結果。專用仿真測試軟件針對淺水測試特點，在完成其功能要求的基礎上，融合SimulationX 軟件和VC 軟件各自的優勢開發而成。

3.1 仿真模型的建立

專用仿真測試軟件利用SimulationX 軟件進行建模。由THPU 供液、含SCM 的水下閘閥的淺水測試仿真模型如圖2所示。

圖2 水下液控系統淺水測試仿真模型

模型中所有單元(除THPU 外)可直接調用軟件中基本液壓庫和水下液壓庫內相應元件。其中，過濾器、TUTA、水下分配單元、彎管、接頭等元件產生的液阻由節流閥單元表述。由于THPU 與SimulationX 軟件中提供的HPU 單元原理不同，不能直接調用，需利用軟件的基本液壓庫元件構建，還可進一步通過“TypeDesigner”命令對THPU 元件進行封裝。若制造商提供HPU，需單獨建立仿真模型，除THPU 替換成HPU單元外，其他元件基本相同。對于無SCM 的水下生產裝備液壓控制單元測試系統，也需單獨建立測試仿真模型，其控制液由THPU 提供。此外，常用液控水下閥主要為水下閘閥和水下球閥，需分別建立水下閘閥和水下球閥的測試仿真模型。因此，整個專用仿真測試軟件需建立6 個獨立的仿真模型。

3.2 C 代碼輸出設置

系統在SimulationX 軟件的C 代碼輸出命令中進行Outputs 命令和Parameters 命令設置，并完成C 代碼生成和編譯。

系統在Outputs 命令設置中，選中SCM 蓄能器壓力、執行器開啟腔壓力、執行器彈簧腔壓力、執行器位置和執行器開啟腔流量作為輸出參數。

測試系統中被測設備參數、THPU(或HPU)的控制參數可能發生變化，為變量，其他模型參數為常量。為了減少輸入工作量，測試工作人員只需在專用仿真測試軟件中錄入測試系統中的變量，而常量固化在仿真模型中。在Parameters 命令設置中，選中仿真模型中的變量為輸出參數，如THPU(或HPU)蓄能器的預充壓力、環境溫度、水下閥執行器各參數等。

系統在完成了Outputs 和Parameters 命令設置后，通過C 代碼生成和編譯命令，即生成可供VC 調用的可執行程序及對應的模型參數文件(Parameters.txt)、仿真控制參數文件(Solversettings.txt)和仿真結果文件(Outputs1.txt)。

水下閘閥執行器和水下球閥執行器的工作機理和結構基本相同，在SimulationX 軟件中其特征參數一致，不需區分其可執行程序，所以實質上只有3 個獨立的仿真模型，并生成3 個可執行程序和相應的參數文件，分別放在不同的文件夾中。

4 VC 軟件開發設計

為實現人機交互操作以滿足淺水測試需要，通過VC 軟件的二次開發完成了仿真參數輸入、驅動仿真運行、讀取仿真結果、傳感器參數采集和結果對比等功能。主要開發內容如下:

(1)可執行程序選擇設置。由于專用仿真測試軟件中包含3 個獨立的仿真模型及其對應可執行程序，需設置可執行程序選擇框，即通過選擇THPU/HPU、有/無SCM、閘閥/球閥選項，確定本次仿真測試選用的可執行程序，并指向其保存路徑，同時界面上顯示對應的仿真模型圖。

(2)仿真參數輸入設計。VC 仿真參數輸入主要包括模型參數和仿真控制參數兩大類，并與模型參數文件和仿真控制參數文件內容一一對應。為了便于參數管理和操作方便，筆者設置兩個主對話框以分類輸入模型參數和仿真控制參數。此外，因水下閘閥執行器和水下球閥執行器的特征參數相同，不需區分輸入界面，實質上仍只有3 個獨立的的仿真參數輸入界面。數據輸入界面上顯示對應的仿真模型圖，以便于模型單元識別和仿真參數輸入。

下面以THPU 供液、含SCM 的水下閘閥測試系統仿真為例，進行仿真參數輸入設計。仿真模型的數據輸入界面如圖3所示。由于測試仿真中模型參數眾多，則系統對參數進行了分類設置，主要分為THPU、臍帶纜、SCM、水下閥、回路和附件6 類。其中THPU中只需設置蓄能器的預充壓力、預充溫度、環境溫度、初始氣體溫度和陸上電磁閥的啟閉控制參數，其他參數已固化在仿真模型中;回路主要包括圖2 中硬管7和補償器參數;附件包含硬管1、硬管2、硬管3、軟管和節流閥2 參數。水下閥常用的閘閥和球閥兩大類已經標準化和系列化，為此，建立“測試件庫”，對測試過的同廠家的同型號測試件，可直接調用相關參數，而不需重復輸入，若是新型號測試件，通過設置“增加”按鈕，在圖4 中輸入新型號測試件的相關參數，并保存在“測試件庫”里，以逐步豐富“測試件庫”。測試件庫中文件的參數順序和格式應嚴格按照對應模型參數文件的順序和格式存儲。同時，參數輸入具有記憶功能，每次默認最后一次成功仿真過的參數值。系統在仿真參數輸入對話框中設置“保存”命令，點擊該命令后，VC軟件將更新同文件夾內對應模型參數文件和仿真控制參數文件內參數值。

圖3 仿真模型的數據輸入(含SCM)

圖4 閘閥新型號數據輸入

(3)仿真運行設計。VC 操作界面上設置“仿真運行”按鈕，軟件通過ShellExecute 函數自動調用指定保存路徑下對應的可執行程序。可執行程序運行時，自動調用同目錄下的模型參數文件和仿真控制參數文件，同時，在同目錄下生成或更新仿真結果文件。從而實現兩套軟件的聯合仿真。

(4)仿真結果讀取設計。系統設置讀取仿真結果對話框，以曲線方式直觀顯示結果參數的動態性能，方便對仿真結果的分析。

(5)傳感器參數采集。為了能觀察到實際測試中通過傳感器采集到的參數性能，系統設置“傳感器參數采集”對話框，調用由傳感器獲取的參數數據文件，并以曲線方式直觀顯示傳感器采集到的參數值。

(6)結果對比。結果對比圖如圖5所示。用戶選擇不同的仿真輸出參數按鈕，則顯示相應的仿真測試和實際測試對比圖(注:為了描述需要，圖5 中實際曲線為虛擬值，非實測值)。此外，系統可以以word 文檔形式記錄專用仿真測試軟件操作時所輸入的參數值、產生的圖形等信息，便于仿真測試后的數據分析和處理。

圖5 結果對比

5 淺水測試專用仿真測試軟件特點

所開發的專業仿真測試軟件具有如下特點:

(1)對模型參數中的常量進行了屏蔽，仿真測試時只需輸入變量參數，同時，通過“測試件庫”的建立和記憶功能的設置，減少了操作人員的輸入工作量。

(2)專用仿真測試軟件的功能進行了拓展。專門建立了無SCM 仿真模型，可輔助水下生產裝備液壓控制單元設計及測試;通過對仿真模型、模型參數和VC輸入參數界面的局部調整還可用于擴展出廠驗收測試(EFAT)和系統集成測試的仿真測試或水下生產液壓控制系統的優化設計。

(3)操作簡單，對操作人員的專業化程度要求低。軟件可在無SimulationX 軟件環境中運行，操作人員只需根據實際測試系統點選THPU/HPU、有/無SCM、閘閥/球閥選項，并依照軟件提示輸入仿真測試相關參數，然后點擊“仿真運行”就可以得到仿真結果。仿真模型參數可從被測設備制造商提供的說明書獲取或淺水測試場實際操作參數獲取，而仿真控制參數主要是設置仿真時間、仿真步長、誤差控制等，亦可采用默認形式，或根據測試需要適當調整。

(4)由于淺水測試主要進行低壓系統測試，該仿真測試軟件僅針對低壓系統進行了仿真測試。高壓系統的仿真測試可采取同樣原理開發。

6 結束語

本研究在分析水下液壓控制系統的淺水測試原理和測試方法基礎上，利用SimulationX 軟件強大的建模特點和C 代碼輸出特點及VC 軟件便捷的界面操作和數據管理能力，開發出了水下液壓控制系統專用淺水測試仿真測試軟件。研制的仿真測試軟件可在無SimulationX 軟件環境中操作，并具有操作簡單、專業化程度要求低、重復工作量少等特點。此外，通過無SCM 的仿真模塊，可輔助水下生產裝備液壓控制單元設計及測試;若對模型、模型參數及VC 輸入參數界面的局部調整還可用于擴展出廠驗收測試(EFAT)和系統集成測試的仿真測試或生產液壓控制系統的優化設計。

由于淺水測試場是一個系統工程，支撐本課題的淺水測試場還沒建立，目前難以獲取實測值。還需進一步獲取實測值，通過與同本課題研究獲得的仿真測試值對比，以界定仿真測試結果的精度。

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