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作者简介:罗高生,男,1975年12月生,浙江大学机械电子工程专业博士生,主要从事海底原油水下生产系统、水下运载器及其作业工具、电液伺服系统等的研究。E-mail:kendysnow@zju.edu.cn近海水下原油采油树液压控制系统脐带缆液容效应研究罗高生,顾临怡,李林,李世伦(浙江大学流体传动与控制国家重点实验室,中国杭州,310027)摘要:为优化近海水下原油采油树液压控制系统脐带缆尺寸并减少费用,在不考虑脐带缆液感的影响下,对脐带缆的液容和液阻进行研究得出了脐带缆的频域集中参数数学模型。利用该数学模型和海底原油水下生产系统间断工作的特性,提出了利用液压动力单元和海底分配单元之间的脐带缆的液容效应和蓄能器组合方式来对近海水下原油采油树液压控制系统的流量进行优化设计的方法优化脐带缆尺寸。研究表明脐带缆的瞬时等效液阻明显的减少了,脐带缆的液容补偿效应和蓄能器的组合大大增强了脐带缆的过流能力。关键词:近海水下原油采油树液压控制系统;脐带缆;频域集中参数数学模型;液容补偿效应;等效液阻ResearchonthecapacitanceeffectofumbilicalhydrauliclinesintheoffshoresubseaChristmastreehydrauliccontrolsystemGaoshengLUO*,LinyiGU,LinLI,ShilunLIStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou,China,310027ABSTRACT:TooptimizetheumbilicallinedesignoftheOffshoreSubseaChristmasTreeControlSystem(OSCTCS)andreduceitscost,amathematicallumpedparametermodelinfrequencydomainoftheumbilicalisdevelopedinignoranceofhydraulicinductance.Takingadvantageoftheintermittentflow-rateneedoftheOSCTCSandthehydrauliccapacitancecompensationeffectofthelongumbilicallinesbetweentheHydraulicPowerUnit(HPU)andtheSubseaDistributeUnit(SDU)combiningwithasubseaaccumulatortooptimizethesystem'sflowcapacityandtheumbilicallinedesign,anoffshorehydraulicsystemdesignmethodispresented.Thestudyresultsshowthattheinstantaneousequivalenthydraulicresistancesoftheumbilicalarereducedandthecombinationofthehydrauliccapacitanceandtheaccumulatorcapacitancecouldenhancetheumbilical’sflowcapacity.Keywords:offshoresubseaChristmastreehydrauliccontrolsystem;umbilicalline;mathematiclumpedparametermodelinfrequencydomain;hydrauliccapacitancecompensationeffect;equivalenthydraulicresistance大多数近海油气田水下生产系统的液压控制系统都采用执行器就地控制水下采油树,压力油则由距水下生产系统几千米甚至上万米的原油生产平台上的液压动力单元(HydraulicPowerUnit)提供[1][2],如图1所示。利用脐带缆将水面的液压单元(HUP)与海底分配单元(SubseaDistributeUnit)连接起来,水下分配单元(SDU)是一个多路分配器将水下各个井口的海底执行器控制单元(SubseaControlModule)连接在一起,执行器控制单元(SCM)主要是由电液控制换向阀组成的,用来控制采油树上执行器的动作,如控制原油输送系统的闸阀上的液压缸开启和关闭,来打开和关闭闸阀。由于几千甚至上万米长的脐带缆的沿程液阻很大,脐带缆的截流严重,按照传统的设计方法根据执行器的流量需求选用脐带缆的直径会很大;由于脐带缆长度长,费用高[3][4],因此不能按照传统的设计方法来设计近海水下原油采油树液压控制系统的脐带缆。本文通过研究近海水下原油采油树液压控制系统的工作特性,即控制系统的执行器流量需求的间歇性,以及执行器连续动作之间的时间间隔长,能够保证脐带缆内的油液被重新充满特点;通过利用长脐带缆的液容效应以及通过在SCM侧增加蓄能器,来增强液压控制系统的液感效应的方法达到优化设计脐带缆尺寸的目的。本文的结构为:第一部分对近海水下原油生产系统的结构和工作原理进行简单描述;第二部分研究了长脐带缆的频域集中参数数学模型;第三部分研究了长脐带管的液容效应在近海原油采油树液压控制系统中所产生等效液阻;第四部分研究了利用长脐带缆等效液容以及蓄能器的组合增强系统液容效应的近海水下原油采油树液压控制系统的设计方法。原油生产平台液压单元HPU海面水下分配单元SDU海底SCMSCM水下采油树水下采油树脐带缆原油输送管道通往生产平台闸阀闸阀油缸控制阀组控制阀组油缸图1.海底原油水下采油树液压控制系统结构图FIGURE1.STRUCTUREDIAGRAMOFOSCTCS1.近海水下原油采油树液压控制系统的结构和原理近海原油水下采油树液压控制系统原理图如图2所示,该液压控制系统主要用于驱动采油树上的原油输出系统管道上的闸阀液压缸执行器开关动作以及其他辅助设施的液压执行器的驱动[1][3]。该系统主要由以下几个个部分组成:位于采油平台上的液压动力单元(HPU)、脐带缆、位于海底的液压分配单元(SDU)、位于海底采油树上的水下控制模块(SCM)以及采油树上带有弹簧液压缸执行器的闸阀。HPU为所有海底液压执行器提供液压动力源;脐带缆将HPU的高压油输送到SDU,并将SDU的低压油输送回HPU;SDU是一个集中分配点,为各采油树提供液压油;SCM是由电液控制阀组成的控制阀组用于控制采油树上闸阀的液压缸执行器,SCM安装位置与采油树很近,用于提高系统的响应速度。近海原油水下采油液压控制系统的基本工作过程为:当SCM上的电液换向阀开启时,高压油就流到了采油树上相应的液压缸执行器的弹簧侧,使油缸上的活塞动作并开启闸阀,同时压缩油缸上的压缩弹簧;在SCM电液换向阀关闭同时将液压缸的两个容腔通过其两侧的供油截流管和回油节流管直接连接时,储存在弹簧上的能量能使油缸活塞复位关闭原油输送管道上的闸阀的;油缸两侧的供油截流管和回油节流管是用来在SCM电液换向阀开启时维持系统的供油和回油压力在安全值以上。由于系统在关闭过程中,系统的关闭时间仅与油缸上的弹簧提供的复位油压、供油截流管和回油节流管的直径和长度有关,脐带缆并未参与系统的关闭过程。因此本文主要针对系统的开启过程展开研究。近海水下原油采油树液压控制系统通常要求在系统压降维持在一定值之上时能够在20到30秒内开启原油输送管道上的闸阀;但为保证近海原油生产系统的可靠性,闸阀的关闭时间应该越快越好;而连续开启原油输送管道上的周期通常在几个小时以上。因此海底原油水下采油树液压控制系统具有开启时间短,瞬时系统流量需求大,而在大多数的时间里采油树液压控制系统是处于不工作状态的特点。图2.海底原油水下采油树液压控制系统原理图FIGURE2.HYDRAULICSHEMATICDIAGRAMOFOSCTCS2.长脐带缆频域集中参数模型文献[5]研究了几种流体管道模型及其时变流量和时变压力下的近似模型。有理多项式的近似方法[6]给出了适用于变步长积分器的研究方法。在[7]中提出了用于层流摩擦建模的改进型方法来模拟在层流管道中的与频率有关的摩擦。文献[8]系统的研究了具有时变非线性边界条件的复杂管道系统。这几种管道模型和研究方法大多集中在管道对系统的高频响应的影响;由于在近海水下原油采油树液压控制系统中,系统的响应时间要求比较慢,对于管道的高频响应基本上可以忽略,本文采用集中参数模型[9][10]分段频域方法来研究长脐带缆集中参数频域响应的数学模型。集中参数数学模型的液阻、液感和液容可以按照如下进行表述:对于具有几千甚至上万米长的脐带缆,相对于液阻和液容来说,液感的影响相对较小。表1是8.7公里长脐带缆的液感+液阻和液容+液阻的时间常数。gh,QR表18.7公里长脐带缆液感+液阻及液容+液阻的系统时间常数TABLE1.TIMECONSTANTSCAUSEDBYHYDRAULICINDUCTANCES+RESISTANCES,ANDCAPACITANCES+RESISTANCESFORAN8.7-KILOMETERUMBILICALLINE从表1中可以看出,液感+液阻的系统时间参数相对液容+液感的系统时间参数小很多,液感效对液压系统的影响短时间内迅速消失,因此可以忽略其对系统的影响,因此长脐带缆的集中参数数学模型[11]可简化为如图3示。图3长脐带软管集中参数数学模型FIGURE3.LUMPEDPARAMETERMODELOFLONGUMBILICALLINES对于图3的脐带缆模型,系统输入与输出频域的压力和流量关系可以描述为:[][][]将长脐带缆等分成i段,液容和液阻也相应的等分成i个部分,如图4所示。图4i等分脐带软管FIGURE4.UNIFORMLYDIVIDEDLUMPEDPARAMENTERMODELOFLONGUMBILICALLINES通过归纳整理,等分了的脐带缆模型的系统输入与输出的关系可以表述为:[][][]其中,∑∏()∑∏()∑∏()∑∏()如果分段数i趋于无穷即i→∞,则系数A,B,C和D变成:∑∏()∑∏∑同理,∑∑()∑假设,∑脐带管的直径(mm)6.39.512.715.919由液感+液阻的系统时间常数(s)0.410.941.682.633.76由液容+液阻的系统时间参数(s)476.5250.7161.7115.589.4因此,由方程(5)、(10)至(14),方程(4)可以改写为下式:[][][]在方程(15)中,[∑][∑()][∑√][∑(√)][∑√∑√][∑√∑√](√)(√)因此,[][][]方程(17)即是具有多参数的集中参数长脐带缆频域响应数学模型。4.长脐带缆液容补偿研究在这一节中我们忽略海底原油水下采油树液压控制系统SCM模块中的蓄能器(如图2)来单独分析在SCM上的电液换向阀瞬间开启时供油脐带缆和回油脐带缆的液容效应。如果系统没有安装蓄能器,那么设,回油脐带缆的流量和供油脐带缆的流量分别为和,供油脐带缆和回油脐带缆生产平台侧的油压为常量,即分别为和,因此其拉氏变换,.供油和回油脐带缆的集中参数液阻分别和,它们的集中参数液阻分别为和均可以从方程(1)和方程(3)得到,那么由方程(17)得供油脐带缆SDU侧的压力和生产平台侧的流量为:同样,回油脐带缆SDU侧的压力和生产平台侧的流量为:由于脐带缆的时间常数很大,因此多项式A和E可以通过忽略S的二次和高次项近似简化,则有:在SCM的电液换向阀开启前,系统处于平衡状态,其初始状态为,因此供油脐带缆的生产平台侧输入流量和SDM侧压力时域响应可以简化为:()-(--)同样,对于回油脐带缆,系统处于平衡态时,其初始状态为,因此回油脐带缆的生产平台侧输出流量和SDM侧的压力时域响应为:(--)--方程(26)和(28)表明脐带缆的液感效应为:其瞬时的等效液阻由变
本文标题:近海水下生产原油采油树控制系统脐带缆液容补偿研究
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