活塞式蓄能器應用于井口盤的設計與計算

2018-05-07 06:39:48齊桂卿

裝備制造技術 2018年2期

齊桂卿，王強，鄧銳

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

井口控制盤直接控制井上翼閥、井上主閥和井下安全閥的開關邏輯。當海上平臺無氣源時，工藝管線上的關斷閥、控制閥需采用液壓控制，此時井口盤也要向這些閥門提供液壓源。目前，海上石油平臺井口控制盤內的蓄能器多選用氣囊式[1]。但氣囊式蓄能器的固有特點導致其并不適用于某些特殊工況。本文重點研究了活塞式蓄能器在井口控制盤上的應用原則及相關計算，并提出了外接氣瓶方案的計算方法及實施意義。

1 蓄能器

蓄能器是用來儲存“壓力能”作為備用的動力源，并在需要的時候釋放“壓力能”的裝置[2]。海上石油生產平臺通常具有遠離陸地、作業面積小、備品備件有限的特點。當井口盤液壓泵發生故障時，需要在供液回路中使用蓄能器，以便在液壓泵故障情況下保持生產的連續進行[3]。常見的蓄能器有活塞式和氣囊式蓄能器。

從表1可以看出，相較于氣囊式蓄能器，活塞式蓄能器在工作容積、有效容積、設計壓力和設計溫度方面，有個更大的適用范圍。同時活塞式蓄能器具有壽命長，容量大，可靠性高及供油壓力穩定的特點[5]。單就井口控制盤而言，由于蓄能器主要用作輔助動力源，氣囊承受較大沖擊是小概率事件，皮囊破裂的可能性較小，再考慮到皮囊式蓄能器的價格通常要比活塞式便宜，皮囊式蓄能器仍然是首選。但當井口盤液壓回路的工作壓力、蓄能器容積及有效容積超出皮囊式蓄能器的適用范圍時，則應考慮選用活塞式蓄能器。下面幾種工況應重點考慮采用活塞式蓄能器。表1為兩種型式的蓄能器的性能比較。

表1 蓄能器性能比較

（1）液壓回路工作壓力超過63 MPa

這主要取決于液壓用戶的需求壓力，通常情況下，井下安全閥的工作壓力較高。因此，在設計前期無法得到準確數據而預估數據較接近或超過63 MPa時，應選用活塞式蓄能器。

（2）工作壓力介于31.5～63 MPa，容積大于40 L

GB/T-20663-2006中規定，當工作壓力介于31.5～63 MPa時，氣囊式蓄能器的容積最大可以做到50 L，而JB/T 7035-2006亦有類似規定，但允許的容積為40 L.基于此，該工況下應優先考慮使用活塞式蓄能器。

（3）總容積需求偏大，需外接氣瓶擴充容積

當最低工作壓力和最高工作壓力之間的壓差較大時，預充氣體需要大量被壓縮，對總容積要求較高，對活塞式蓄能器，可以通過外接氣瓶的方式，整個活塞上方的氣體空間可以作為有效容積考慮。

以近期海有工程所承接的卡塔爾NFA項目海上平臺的井口盤為例，平臺無氣源，所有關斷閥、控制閥均需采用液壓控制，除此之外，平臺還配置了HPU模塊，也需要井口盤提供液壓源，而且需按2×100%配置蓄能器。這些因素的疊加使該項目對蓄能器的容積要求達480 L，且最高工作壓力超過40 MPa.項目采用多個活塞式蓄能器組成的蓄能器組，確保了蓄能器的有效容積滿足井口盤的排液需求。

2 蓄能器的計算

2.1 井口盤蓄能器的工作過程

活塞（或氣囊）將蓄能器分為上下兩部分，其中上側充氮氣，下側充液壓油。根據蓄能器的工作過程，蓄能器的工作可以分為三個典型工作狀態，如圖1所示。

圖1 蓄能器工作的三個典型狀態

1）預充壓狀態：指蓄能器充液壓油之前的狀態；

2）最小工作壓力狀態：指蓄能器內的壓力達到維持液壓回路正常工作的最小壓力值；

3）最大工作壓力狀態：指蓄能器內的壓力達到維持液壓回路正常工作的最大壓力值。

在井口控制盤上，蓄能器用作應急動力源，一方面要在液壓回路出現故障及時補充液壓油并將壓力保持在最下壓力Pmin之上，另一方面還需要在緊急關井的情況下能夠快速排出一定的液量的液壓油。

2.2 蓄能器容積的計算方法

對于井口盤蓄能器而言，其充液時間通常大于10 min，且充液結束后，只有在緊急工況下才會用于排液以維持壓力在最小工作壓力之上，在正常工況下它是被“閑置”的[6]，這使蓄能器可以與外界進行充分的熱交換，因此，對蓄能器中的氣體來說，這是一個等溫壓縮的過程[7]。根據玻義爾定律：

一旦蓄能器在緊急情況下投入使用，其完成排液和泄壓的速度非常快（通常是幾秒），沒有足夠的時間進行熱交換，因此其排液過程應按照絕熱過程處理。

式（1）、（2）、（3）中，P0為預充壓力，通常取 P0=0.9Pmin，kPaG；V0為蓄能器在預充壓狀態下的體積，它通常等于或略小于蓄能器的標稱體積（L）；Pmax為蓄能器最大工作壓力（kPaG）；V2為蓄能器在最大工作壓力下的體積（L）；Pmin為蓄能器最小工作壓力（kPaG）；V1為蓄能器在最小工作壓力下的體積（L）；n為絕熱指數，絕熱過程取n=1.4.

蓄能器的計算就是要根據排液量需求、最大工作壓力、最小工作壓力得出所需的蓄能器體積，基于（1）、（2）、（3）式可得：

將P0=0.9Pmin帶入上式，可得：

上式即為蓄能器容積的計算公式，該公式同時適用于皮囊式蓄能器及活塞式蓄能器。

2.3 計算方法的推演

為了進一步簡化蓄能器的計算，此處引入壓差比和容積率的概念。壓差比為最大工作壓力和最小工作壓力的比值，即：

容積率是指有效容積同預充壓狀態體積的比值：

由此可得：

由式（9）可以看出，壓強比K是影響容積率VE的唯一參數，據此完成如表2所示的容積率查詢表。

表2 容積率查詢表

對工程設計人員而言，容積率查詢表非常實用，可以迅速得出容積率，從而得出蓄能器容積。根據筆者的經驗，各井口盤廠家在蓄能器計算方法上并無統一的原則，有的是根據經驗給出不同壓力變化范圍內的容積率，也有廠家將蓄能器充液過程也看做絕熱過程來計算，給工程人員審圖造成極大的不便。容積率查詢表可以讓設計人員避開廠家繁瑣的計算，直接根據其計算結果判斷選型計算的合理性。