水下生產系統液壓控制系統臍帶纜液容效應研究

溫明明，劉俊波

(1．廣州海洋地質調查局技術方法所，廣東廣州 510075) (2．浙江大學海洋學院海洋工程與技術研究所，浙江杭州 310058)

水下生產系統液壓控制系統臍帶纜液容效應研究

溫明明1，劉俊波2

(1．廣州海洋地質調查局技術方法所，廣東廣州 510075) (2．浙江大學海洋學院海洋工程與技術研究所，浙江杭州 310058)

油氣田水下生產系統液壓控制系統多數采用長臍帶纜液壓驅動完成，由于長行程積累的液阻大、能耗損失大．提出一種利用長臍帶纜的液容儲能特性優化設計其液壓系統流量的方法，對長臍帶纜精確分布參數模型進行分析推導，從而最大限度地降低長臍帶纜供、回油過程的流動阻力，提高水下生產系統的驅動效率．最后以我國某油氣田某井口為例，對供油管路系統進行了阻尼匹配優化設計和仿真，仿真結果與實際非常吻合．

油氣田水下生產系統;液壓控制;長臍帶纜;液容效應;分布參數模型

海上油氣田水下生產系統液壓控制系統多數采用平臺集中供油、海底分配的結構，即液壓動力單元(hydraulic power unit，HPU)位于海面的平臺上，通過長達幾公里甚至幾百公里長的臍帶纜到海底的分配單元(sub-sea distribution unit，SDU)［1－4］，一路分成多路連到各個井口的控制閥(sub-sea control module，SCM)，最后再從控制閥分出多路管線驅動水下生產系統上液壓缸執行器［5－6］．其工作原理如圖1．

由于水下生產系統中臍帶纜長度長，為節省工程造價，減少長行程管路能耗，往往需要對生產系統液壓系統進行優化，而不是按常規液壓系統以其流量需求來選用管道直徑［7－9］．同時，水下生產系統對液壓油的需求往往是斷續的，且間隔時間較長．而長臍帶纜工作特性集液阻、液容和液感于一體，模型復雜，其液容的儲能效果正好可以大幅降低臍帶纜供、回油過程的流動阻力．因此，文中提出了一種水下生產系統液壓系統流量的最優設計方法，以充分利用臍帶纜的液容特性，最大限度地提高水下生產系統的驅動效率．

圖1 水下生產系統液壓驅動系統結構Fig．1 Sub-sea product system's hydraulic driving system

1 液壓控制系統結構及工作原理

水下生產系統的液壓系統主要用于控制水下生產設施上各井口生產管道上閘閥的開關，是一套由液壓閥來控制閘閥上液壓缸執行器動作的液壓驅動控制系統，其原理如圖2．

圖2 水下生產系統液壓驅動系統原理Fig．2 Sub-sea product system's hydraulic control system

該液壓系統主要由三部分組成:液壓動力站(HPU)、水下控制模塊(SCM)和閥執行器．HPU位于水面生產平臺上，為整個液壓系統提供液壓動力;臍帶纜內的液壓流體經水下液壓分配單元(SDU)分配后輸送到SCM，由SCM實現對多井口的控制．SCM安裝在水下生產設施上，確保系統快速響應．

系統工作的基本過程為:HPU出口的液壓油液通過臍帶纜5、數十米長的鋼管11、SCM，然后經由數米長的鋼管13直接控制采油樹上的閥執行器8的開關．當電液換向閥9置位，液壓力克服執行器彈簧力及其他外力將閥打開，執行器打開時的瞬時流量會使SCM供油壓力下降，若SCM供、回油壓力差小于電液換向閥9的復位壓差，則SCM上所有電液換向閥將復位，相應執行器在自身彈簧力作用下誤關閉．系統要求執行器能夠快速開啟，但由于HPU與執行器之間距離長達幾公里甚至幾百公里，HPU的高壓油不能馬上到達執行器，且臍帶纜的儲油能力較弱，遠遠達不到系統要求，因此需要由蓄能器6保證執行器的快速開啟．執行器的關閉過程主要依靠它自身彈簧所儲存的能量．當SCM把執行器工作側的壓力與回油直接短接后，執行器就可在其自身彈簧力的作用下復位，基本上不需要通過長臍帶纜來傳遞流量，從而保證了關閉過程的快速性．彈性儲能器7用來在關閉過程中吞吐油液的，保證SCM回油側的壓力等于海底的環境壓力．

2 長臍帶纜的數學模型

長臍帶纜的集中參數模型［10］如圖3．用RP，CP和LP分別表示回路中的集中參數液阻、液容和液感．

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

根據圖3中的模型，可推導出管道入口壓力P1，流量 Q1與出口壓力 P2，Q2的微分方程如下［11－12］:

其中液阻的集中參數值RP可由流體阻力方程得到:

式中:d為管道的直徑，l為管道長度，v為油液的運動粘度，ρ為液壓油液密度．

液感的集中參數值LP為:

式中:βhose為臍帶纜材料的彈性模量，βfluid為油液的體積彈性模量．

由微分方程組(1)可知，液容液阻時間常數和液感液阻時間常數分別為:

對于海上油氣田水下生產系統的液壓控制系統，臍帶纜長度長，液感的影響相對來說可以忽略．表1為長8.7 km、但直徑規格不同的臍帶纜以及相應的液感液阻時間常數和液容液阻時間常數．

表1 不同直徑臍帶纜時間常數表Table1 Time constants of umbilical hydraulic pipes with different diameter

忽略液感影響，長臍帶纜集中參數模型如圖4．

圖4 臍帶纜集中參數模型Fig．4 Lumped model of the umbilical hydraulic pipes

由此可得臍帶纜出口壓力P2、流量Q2與入口壓力P1、流量Q1有如下傳遞函數:

若將長臍帶纜等分為i段，則每一段的液阻、液容分別變為原來的1/i，如圖5．

圖5 等分為i段的臍帶纜模型Fig．5 Model of the umbilical hydraulic pipes divided into I parts

若進一步將臍帶纜無限等分，即當i→∞時，對u11，u12，u21，u22中CpRpS的系數取i→∞時的極限有:

則由式(8，10，11)可得:

考慮到臍帶纜進、出口特性的對稱性，需要證明u11u22－u12u21=1，證明過程如下:

式(14)即為長臍帶纜分布參數模型的一般通式．

3 長臍帶纜的液容效應

令供、回油臍帶纜的集中參數液阻值分別為RS和RR，集中參數液容值分別為CS和CR，則其瞬態液阻值RS'和RR'均可通過式(14)得到，其供油臍帶纜入口壓力P1恒為常值:P1=PS+ρgh．

對于供油管路，式(14)變為:

同理，回油管路出口壓力P2=ρgh為恒定常數，式(14)變為:

4 液壓系統最大允許流量

出于安全考慮，水下生產系統上的執行器帶有兩級自動關閉保護功能．

第二級保護裝置位于執行器上，控制執行器的液壓缸是一個彈簧缸．當SCM上的控制閥控制執行器開啟時，高壓油克服彈簧力推動活塞打開球閥，而當SCM上的控制閥不能提供高壓油時，活塞在彈簧力作用下自動復位，關閉球閥．

第一級保護裝置位于SCM的控制閥上，該控制閥是一個電磁先導式的液動閥，當SCM的入口壓力降低到一定值時，液動閥在彈簧作用下復位，關閉執行器球閥．

為了防止某一個執行器動作的時候，臍帶纜的沿程損耗過大，導致SCM控制閥組的整體入口壓力降低，復位其他已經打開的執行器，國際標準ISO13628－6［13］規定了水下開采控制系統的設計要求:維持SCM供液側與回液側的壓差高于50%的控制閥最大復位壓力PLV，即要求在供、回油臍帶纜上的總壓差小于PS－1.5PLV．

在平臺供油驅動水下執行器動作的過程中，如果執行器的供油側與回油側的面積比為k∶1，對于已選定的臍帶纜，可以根據集中液阻和集中液容值推算出對最大負載流量(供油側)Qc的限制．

由式(19)與(20)可得:

由式(22)可知，在臍帶纜剛剛開始為執行器供油的時候，可以提供大負載流量，但隨著動作時間的延長，臍帶纜允許提供的流量越來越小，直到液容效應完全被用完．該過程可以理解為:隨著臍帶纜接近執行器端的儲油量被不斷消耗(或充入)，更多的液壓油需要流過更長的管路，為了保證臍帶纜兩端的壓差不隨之增大，管道中允許的過流流量越來越小．

如果系統以一個固定的流量來驅動一個總容積為Vc的執行器油缸，由于油缸動作時間 t?CRRR和CSRS．如果對式(22)在零點附近一階截斷簡化:

5 仿真驗證

仿真參數采用我國東海某油氣田海底原油水下采油樹液壓控制系統進行分析:HPU系統的壓力PS為190 bar;海水深度為145 m;液壓油的彈性模量為24 000 bar;臍帶管長度為8.7 km，臍帶纜的彈性模量為5 308 bar;電液換向閥的復位壓力PLV為45 bar;電液換向閥的流量壓力系數為Rh≈430(bar/(l/s)2);液壓缸輸入和輸出截流鋼管的直徑為6.3 mm，長度為5 m，截流鋼管的參數值是由通過系統關閉的時間要求并在電液換向閥開啟時維持一定系統壓差計算得到，文中不涉及這部分計算，但這并不影響其對系統的整體分析;液壓缸的直徑為138 mm，行程為116 mm，彈簧側容積為1.589 L，另一側的容積為1.563 L，彈簧完全壓縮時的力為68.5 kN，當閘閥關閉時彈簧的完全伸展時的預壓縮力38.4 kN．系統要求閘閥的開啟時間不大于20 s，關閉時間小于10 s．按照前面分析將供油臍帶纜直徑優化為12.7 mm，回油臍帶纜直徑優化為19 mm．用AMESim對低壓系統進行仿真［10］，曲線如圖6，7．

圖6 4 s執行器開關過程曲線Fig．6 Switching process curve of 4s actuator

圖7 2 s執行器開關過程曲線Fig．7 Switching process curve of 2s actuator

圖6中4 s執行器的開啟時間為9 s，SCM供油側壓力最低點Pa=180 bar＞PL=115 bar，SCM供、回油壓差Pa－PR＞110 bar＞1.5Plv=67.5 bar;

圖7中2 s執行器的開啟時間為1.7 s，SCM供油側壓力最低點 Pa=200 bar＞PL=115 bar，SCM供、回油壓差 Pa－PR＞110 bar＞1.5Plv= 67.5 bar．

圖6，7顯示，在臍帶纜液容的增強作用下，執行器開啟后的SCM供油側最低壓力均大于設定的最低壓力，表明所設計優化的供油臍帶纜直徑和回油臍帶纜直徑能夠滿足水下生產系統的安全要求．

6 結論

通過對海上油氣田水下生產系統液壓系統長臍帶纜液容效應的研究，得出了利用臍帶纜的液容儲能效果，對其液壓系統的流量進行優化設計的方法，在此基礎上建立了長臍帶纜水下端壓力、流量的分布參數模型，得出水下執行器的最大允許流量，并以我國某海上油氣田某井口為例進行了計算、仿真分析，得出以下結論:

1)海上油氣田水下生產系統液壓系統中的長臍帶纜，由于其長度特別長，導致液感液阻時間常數遠小于執行器動作時間以及液容液阻時間常數，因此可以只考慮液容的影響;此時臍帶纜的集中參數模型可由式(14)得到．

2)長臍帶纜在其液容特性的作用下，對瞬時液阻的需求由RP減少為，當執行器持續動作時間較短時，可以有效放寬對臍帶纜液阻的限制，選用液阻較大且直徑較小的管道以降低成本．

4)仿真數據表明設計的供、回油臍纜液容增強后滿足水下安全要求．

References)

［1］Davis P，Brockhurst J．Subsea pipeline infrastructure monitoring:A framework for technology review and selection［J］．Ocean Engineering，2015，104:540－548．

［2］Skiftesvik P，Svaeren J．Application and status of new building blocks for subsea boosting and processing systems［C］//In Proceedings Offshore Technology Conference．USA:Houston［s．l．］，2000．

［3］Yu J，Zhao H L．All-electric subsea production control system［J］．New Trends in Mechanical Engineering and Materials，2013，251:196－200．

［4］Casey M D，Lawlor CDF．Development and testing of a nouel subsea production system and control buoy for the east spar field development，off shore western Au stralia［C］//Society of Petroleum Engineers．USA: Department of Energy，1996:69－80．

［5］Nielsen F G，Soreide T H．Dynamic response of pipeline in long free spans or multi-spans［J］．Structural Dynamics－eurodyn，2005，(1－3):187－192．

［6］Burns R F．Troika subsea production control system［J］．Sea Technology，1999，40(4):63－68．

［7］Lee S E，Paik J K，Ha Y C，et al．An efficient design methodology for subsea manifold piping systems based on parametric studies［J］．Ocean Engineering，2014，84:273－282．

［8］Cai Baoping，Liu Yonghong，Fan Qian，et al．Performance evaluation of subsea BOP control systems using dynamic Bayesian networks with imperfect repair and preventive maintenance［J］．Engineering Applications of Artificial Intelligence，2013，26(10):2661－2672．

［9］Woo J H，Jong H N，Kwang H K．Development of a simulation method for the subsea production system［J］．Journal of Computational Design and Engineering，2014，1(3):173－186．

［10］ 張勇，程珩．軟管集中參數模型的建立和仿真研究［J］．機械工程與自動化，2007，3(142):4－6．

Zhang Yong，Cheng Hang．Study on model building and simulation of the hose［J］．Mechanical Engineering and Automation，2007，3(142):4－6．(in Chinese)

［11］ 路甬祥．液壓氣動技術手冊［M］．北京:機械工業出版社，2002:20－21．

［12］ 潘朝峰，郭利強．液壓回轉系統仿真［J］．江蘇科技大學學報:自然科學版，2014，28(1):37－40．

Pan Chaofeng，Guo Liqiang．Slewing hydraulic system simulation［J］．Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Edition，2014，28(1): 37－40．(in Chinese)

［13］ISO．ISO 13628－6．Petroleum and natural gas industries-design and operation of subsea production systems-Part 6:subsea production control systems［S］．Switzerland:2006:4－49．

(責任編輯:顧 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

國家863計劃(2013AA092501)

溫明明(1976—)，男，高級工程師，研究方向為海洋地質與物探．E-mail:wenmm@21cn．com

溫明明，劉俊波．水下生產系統液壓控制系統臍帶纜液容效應研究［J］．江蘇科技大學學報:自然科學版，2015，29(5):431－436．