井口控制盤皮囊式蓄能器放熱研究

摘 要：井口控制盤是控制海上油井的關鍵設備，皮囊式蓄能器是井口控制盤的核心元件，在高壓系統中若選用不當，容易導致蓄能器在排液過程中放熱過度，嚴重時導致皮囊破裂，影響設備的使用壽命。針對此問題，以某平臺實際案例為基礎，著重研究皮囊式蓄能器工作過程排液放熱問題。

關鍵詞：井口控制盤；蓄能器；絕熱；放熱

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

皮囊式蓄能器在井口控制盤中主要作用是做輔助動力源，常規選型一般是將工作循環看作一個絕熱過程，根據玻義爾定律進行計算。但在高壓系統中，操作壓力、環境溫度變化對蓄能器的影響很大，若選用不當，容易導致蓄能器在排液過程中放熱過度，嚴重時導致皮囊破裂。因此在高壓系統中，蓄能器計算和選型中必須考慮在排液過程中放熱的問題。

1 皮囊式蓄能器工作過程

皮囊式蓄能器作為系統輔助動力源，系統啟動后，液壓泵首先向蓄能器充液，直至壓力達到最高操作壓力，液壓泵停止工作[1]。初始充液過程一般控制在10分鐘之內。充液完成后，儲存液壓油不會迅速被用掉，蓄能器中的氮氣溫度最終會與環境溫度一致，對蓄能器中的氣體來說，初始充液是一個等溫壓縮的過程。

在井口控制盤的工作過程中，蓄能器的主要工作過程就是排液-補液循環。

1.1 蓄能器排液過程

開井時，蓄能器中的氣體快速膨脹，迅速排液，輸出液壓油時間非常短（動作時間小于5秒），且排液后的壓力仍不小于其預充壓力。故排液過程是一個絕熱過程[2]。

1.2 蓄能器補液過程

蓄能器向液壓回路提供液壓油，直至壓力降至一定值，液壓泵重新啟動，為蓄能器補液。補液時間一般較短（時間小于3分鐘），可以將其過程看作一個絕熱過程。

2 計算模型

蓄能器的排液是一個絕熱過程，補液過程可以看作一個絕熱過程，基于玻義爾定律[3]：

（公式1）

式中：為蓄能器的預充壓力，一般為最小操作壓力的0.9倍[4]；為所需蓄能器的容積；

為安全閥最小操作壓力；蓄能器最小操作壓力是的容積；

為安全閥最大操作壓力；蓄能器最大操作壓力是的容積；

? 為蓄能器的充液容積（有效輸出容積）；n為絕熱指數；

由公式（1）計算蓄能器的容積：

（公式2）

其中是校正系數。

3 蓄能器選型計算

3.1 某平臺基本參數

（1）最高環境溫度：33℃，最低環境溫度：-6℃；（2）控制井下安全閥執行器容積為0.1L，操作壓力21～50MPa；（3）井口控制盤距井下安全閥320米，液壓管線選用直徑1/4英寸壁厚0.065英寸鋼管；（4）在不啟動液壓泵的情況下，蓄能器需要滿足兩口井井下安全閥兩次開關循環；（5）蓄能器的容積按照2×50%配置。

3.2 蓄能器容積計算

將項目的數據代入公式2，計算需要蓄能器的有效氣體容積為1.882L。查詢蓄能器廠家樣本[5]，選擇2個1L蓄能器。

4 蓄能器選型驗算

初步選定蓄能器后，核算在工作過程中放熱的影響，按照模型中的相關參數和1L蓄能器進行軟件模擬，以驗證蓄能器的選型。

4.1 工作循環中溫度變化曲線

使用蓄能器廠家模擬軟件[6]，模擬在最高操作壓力50MPa，環境溫度33℃和-6℃時四個工作過程，模擬曲線如圖1所示。

紅線表示從最高環境溫度33℃開始四個循環過程溫度變化，藍線表示從最高環境溫度-6℃開始四個工作過程溫度變化。對比圖中曲線，在工作循環過程中，1L的蓄能器溫度震蕩范圍較大。每次排液后的溫度如表1所示。

4.2 分析結論

由模擬曲線，在環境溫度33℃，蓄能器選擇1L是能滿足工作要求。但若是在最低環境溫度中，1L蓄能器在工作過程中放熱過度，系統液壓油最低溫度-37.2℃，在此溫度下蓄能器出口液壓油的流動性變差，同時也會對皮囊的壽命產生影響。故1L的蓄能器不推薦使用。

4.3 重新選型驗證

根據廠家產品樣本，選擇2.5L的蓄能器。模擬在最高操作壓力50MPa，環境溫度33℃和-6℃時四個工作過程，模擬曲線如圖2所示。

對比圖中曲線，在工作循環過程中，2.5L的蓄能器溫度震蕩范圍較小。每次排液后的溫度如表2所示。

若選擇2.5L蓄能器，在最高環境溫度33℃時，排油后溫度下降較少。在最低環境溫度下-6℃的時候，放熱變化相對較小，且恢復迅速。整體上選擇2.5L的蓄能器效果較好。

5 總結

井口控制盤的蓄能器計算與選型時，在壓力較低時，可以直接將工作過程看作玻義爾定律，直接計算選型。但是在高壓系統中需要特別考慮蓄能器放熱過度情況。因為溫度劇烈變化不僅影響到液壓油的流動性，而且還會影響皮囊的使用壽命。本文借助蓄能器仿真軟件對整個工作循環進行模擬，曲線顯示了工作循環過程中的溫度變化，借助曲線判定蓄能器選型是否合理。驗證高壓皮囊蓄能器選型，最大程度發揮蓄能器的作用，提高設備的穩定性、可靠性。本文也為同類產品選型提供一定的參考。

參考文獻：

[1]王強，韓旭平，倪學莉.井口控制盤重要部件的計算問題[J].中國造船，2004（45）：326-333.

[2]齊桂卿，吳朝暉，張玉斌.井口盤氣囊式蓄能器的一種新計算方法探討[A].第十五屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集（下）[C].2011：1700-1702.

[3]楊洪慶，范玉揚，張鳳紅.井口盤液壓回路蓄能器和液壓泵的設計與計算[J].中國修船，2008（21）：66-68.

[4]劉鴻雁，趙波，張偉娜等.Q/HS3025-2014 海上油氣田固定式生產平臺液壓動力單元設計指南[S].北京：石油工業出版社，2014：18-19.

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

[6]HYDAC ASP 5.0.

作者簡介：楊建義（1983-），男，河北人，學士，工程師，從事機電液一體化設計工作。