近海水下生产原油采油树控制系统脐带缆液容补偿研究

作者简介 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 近海水下原油采油树液压控制系统脐带缆液容近海水下原油采油树液压控制系统脐带缆液容 效应研究效应研究 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 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 Research on the capacitance effect of umbilical hydraulic lines in the offshore subsea Christmas tree hydraulic control system Gaosheng LUO Linyi GU Lin LI Shilun LI State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control Zhejiang University Hangzhou China 310027 ABSTRACT To optimize the umbilical line design of the Offshore Subsea Christmas Tree Control System OSCTCS and reduce its cost a mathematical lumped parameter model in frequency domain of the umbilical is developed in ignorance of hydraulic inductance Taking advantage of the intermittent flow rate need of the OSCTCS and the hydraulic capacitance compensation effect of the long umbilical lines between the Hydraulic Power Unit HPU and the Subsea Distribute Unit SDU combining with a subsea accumulator to optimize the system s flow capacity and the umbilical line design an offshore hydraulic system design method is presented The study results show that the instantaneous equivalent hydraulic resistances of the umbilical are reduced and the combination of the hydraulic capacitance and the accumulator capacitance could enhance the umbilical s flow capacity Keywords offshore subsea Christmas tree hydraulic control system umbilical line mathematic lumped parameter model in frequency domain hydraulic capacitance compensation effect equivalent hydraulic resistance 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 Hydraulic Power Unit 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 Subsea Distribute Unit 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 Subsea Control Module 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 HPU SDU SCM SCM 图 1 海底原油水下采油树液压控制系统结构图 FIGURE 1 STRUCTURE DIAGRAM OF OSCTCS 1 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 FIGURE 2 HYDRAULIC SHEMATIC DIAGRAM OF OSCTCS 2 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 128 4 1 4 2 2 4 2 3 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 1 8 7 公里长脐带缆液感 液阻及液容 液阻的系统时间常数 TABLE 1 TIME CONSTANTS CAUSED BY HYDRAULIC INDUCTANCES RESISTANCES AND CAPACITANCES RESISTANCES FOR AN 8 7 KILOMETER UMBILICAL LINE 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 FIGURE 3 LUMPED PARAMETER MODEL OF LONG UMBILICAL LINES 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 2 2 1 1 1 1 4 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 4 i 等分脐带软管 FIGURE 4 UNIFORMLY DIVIDED LUMPED PARAMENTER MODEL OF LONG UMBILICAL LINES 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 2 2 1 1 5 其中 0 1 2 2 6 0 2 1 2 1 7 0 2 1 2 1 8 0 1 2 2 9 如果分段数 i 趋于无穷即 i 则 系数 A B C 和 D 变成 0 1 2 2 0 2 lim 1 2 2 0 2 10 同理 0 2 1 11 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 0 2 1 12 0 2 13 假设 0 2 1 14 因此 由方程 5 10 至 14 方程 4 可以改写为下式 1 2 1 1 1 2 15 在方程 15 中 0 2 2 0 2 1 2 0 2 2 2 0 2 1 2 1 2 0 2 2 0 2 1 2 1 0 2 2 0 2 1 2 1 exp exp 1 16 因此 1 2 1 1 1 1 2 17 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 1 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 1 0 2 0 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 1 1 18 1 1 19 同样 回油脐带缆 SDU 侧的压力和生产平 台侧的流量为 1 20 1 21 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 1 2 22 1 6 23 1 3 2 3 1 1 2 24 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 0 1 0 0 1 0 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 1 2 25 1 1 2 3 2 26 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 0 0 0 1 0 带缆的生产平台侧输出流量和 SDM 侧的压力时 域响应为 1 2 27 1 1 2 3 2 28 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成了 p 1 2 3 2 因此在 SCM 电液换向阀开启时为维持一定的流 量脐带缆两侧的瞬时初始压降并不大 但 SCM 电液换向阀开启持续时间越长 脐带管两 侧的压降就越大 脐带缆的这种动态特性与海 底原油水下采油树液压控制系统的工作特性相 匹配 即在短时间内能够在一定的系统压差上 提供比较大的流量 利用这种脐带软管的液感 效应和海底原油水下采油树液压控制系统相匹 配特性我们可以对脐带缆进行优化设计 5 海底原油水下采油树液压控制系 统脐带缆和蓄能器的组合液容补偿 特性 在海底原油水下采油树液压控制系统中 为保护系统的安全运行 每个 SCM 模块上的电 液换向阀均具最低的复位压力 按照 12 的规定 SCM 电液控制换向阀上的最小压降应该大于 作为系统的设计准则 1 5 因此 当海底原油水下采油树液压控制系 统 如图 2 的 SCM 模块中没有安装蓄能器时 系统的最大流量 可以从方程 26 和方程 28 计算得出 即 2 3 2 2 3 2 1 5 29 使用方程 29 的最小值 则方程变为 1 5 1 2 3 2 1 2 3 2 30 方程 30 表明 系统允许流量在电液控制 换向阀开启时还比较大 但随着系统开启时间 的延长 随着脐带缆的液容补偿效应逐渐减小 系统的允许流量也不断的减小 此时则需要有 更多的液压油由脐带缆更远的地方的油补充过 来 也就是由于系统的开启时间的延长 脐带 管两侧的压降变大 其允许的流量也会减小 由于对于几千米的脐带缆来说 系统开启 时间 和 因此方程 30 可以 线性化为 1 3 2 3 2 1 3 2 3 2 1 5 31 在方程 33 中 因此在没有蓄 能器的情况下 为保持压降要求 系统 1 5 允许的最大许流量为 3 1 5 4 4 32 在实际的海底原油采油树液压控制系统中 为增强系统液容效应 通常在 SCM 上安装额外 的蓄能器如图 2 如果蓄能器的有效容积和预 充压力为和 定义蓄能器的液容为 0 0 则在系统开启时蓄能器提供流 1 1 4 0 0 2 4 1 4 量为 1 1 4 0 0 1 1 4 1 1 33 供油脐带管的压降可以通过方程 19 24 和 33 得到 脐带管的输出流量 1 对其进行拉普拉斯变换 并将方程 19 带入 1 1 1 1 2 2 2 6 1 6 1 34 方程 34 中 S 的二次项可以忽略 因此方程 34 近似简化为 1 3 6 2 6 3 6 1 2 2 35 带入系统的初始条件 经过拉 0 0 0 1 0 普拉斯逆变换供油脐带缆的 SDU 侧的供油压力 和流量的关系为 1 1 2 6 3 6 2 2 36 方程 36 表明系统的液容效应被蓄能器增 强了 同时 SDU 侧的等效液阻也由 减少为 1 2 3 2 系统的最大允许流 1 2 6 3 6 2 2 量也可以增加为 1 5 1 2 3 2 1 2 6 3 6 2 2 37 方程 37 经过线性化 系统的允许最大流量 变为 3 1 5 4 3 2 4 2 2 38 方程 38 允许的允许流量比不带蓄能器的允 许流量大 蓄能器的应用增 3 1 5 4 4 强了系统的液容效应 6 仿真验证 仿真参数采用我国南海某油气田海底原油 水下采油树液压控制系统进行分析 HPU 系统 的压力 为 190bar 海水深度为 145m 液压 油的弹性模量为 24000bar 脐带缆长度为 8 7km 脐带缆的弹性模量为 5308bar 电液换 向阀的复位压力为 45bar 电液换向阀的流 量压力系数为 Rh 430 bar l s 2 液压缸 输入和输出截流钢管的直径为 6 3mm 长度取 5m 截流钢管的参数值是由通过系统关闭的最 小时间要求并在电液换向阀开启式时维持一定 系统压差计算得到了 本文不涉及这部分计算 但并不影响对系统的整体分析 液压缸的直径 为 138mm 其行程为 116mm 它的弹簧侧容积为 1 589L 另外一侧的容积为 1 563L 弹簧完全 压缩时的力为 68 5kN 当闸阀关闭时弹簧的完 全伸展时的预压缩力 38 4kN 系统要求闸阀的 开启时间不大于 20 秒 关闭时间小于 10 秒 按照上述提供的脐带管和蓄能器组合的组合液 容补偿方法将脐带缆的供油管道优化为 12 7mm 回油管道优化为 19mm 这与实际系统 使用中的脐带缆的直径略有减小 仿真分为两个部分 第一部分在没有蓄能 器时比较脐带缆的弹性模量为 5308bar 和 8000bar 下液容效应 第二部分在脐带缆的弹 性模量为 5308bar 及蓄能器有效容积为 10L 预充压力为 115bar 下的液容效应 在图 5 和图 6 显示了 在执行器完全开启 时 压力从 205bar 降到 142bar 流量从 1 19 1 l min 降到 14 l min 而在图 7 和 8 中 从 205bar 降到 131bar 流量从 18 7 l min 1 降到 12 8l min 说明小弹性模量的脐带缆可 以增强脐带缆的液容效应 图 5 不带蓄能器且脐带缆特性模量为 5038bar 时闸 阀的开启和关闭过程 FIGURE 5 OPENING AND CLOSING PROCESSES OF A GATE VALVE USING UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 5308 BAR WITHOUT AN ACCUMULATOR INSTALLED 图 6 不带蓄能器且脐带缆弹性模量为 5038BAR 时 开启和关闭闸阀时流入和流出液压缸的流量 FIGURE 6 FLOW RATE OF OPERATING A GATE VALVE USING UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 5308 BAR WITHOUT AN ACCUMULATOR INSTALLED 图 7 不带蓄能器且脐带缆特性模量为 8000bar 时闸 阀的开启和关闭过程 FIGURE 7 OPENING AND CLOSING PROCESS OF GATE VALVE ACTUATOR USING UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 8000 BAR WITHOUT AN ACCUMULATOR INSTALLED 图 8 不带蓄能器且脐带缆弹性模量为 8000BAR 时开 启和关闭闸阀时流入和流出液压缸的流量 FIGURE 8 FLOW RATE OF OPERATING A GATE VALVE USING UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 800 BAR WITHOUT AN ACCUMULATOR INSTALLED 在图 9 中 闸阀的液压缸执行器在 5 2 秒 的时候完全开启 从 205bar 降到约 1 175bar 在图 10 中其流量从 21 l min 减少到 16 5 l min 表明系统的液容通过蓄能器得到 了极大的增强 系统所允许的流量比前种情况 要大很多 图 9 带蓄能器且脐带缆特性模量为 5038bar 时闸 阀的开启和关闭过程 FIGURE 9 OPENING AND CLOSING PROCESS OF GATE VALVE ACTUATOR USING UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 5308 BAR WITH AN ACCUMULATOR INSTALLED 图 10 带蓄能器且脐带缆弹性模量为 5038BAR 时开 启和关闭闸阀时流入和流出液压缸的流量 FIGURE 10 FLOW RATE OF OPERATING A GATE VALVE USING UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 5308 BAR WITH AN ACCUMULATOR INSTALLED 7 结论 通过对近海水下原油采油树液压控制系统 的长脐带缆液容效应的研究 得出了利用脐带 缆和蓄能器组合的液容补偿效应对其液压系统 的流量进行优化设计的方法 通过液压缸执行 器的最大允许流量计算来优化脐缆的设计 并 以我国某海上油气田某井口为例进行了计算验 证和仿真分析 得出以下结论 1 海底原油水下采油树统液压控制系统中 的长脐带缆的长度特别长 导致液感液阻时间 常数远小于执行器动作时间以及液容液阻时间 常数 因此可以只考虑液容的影响 此时长脐 带缆的频域集中参数数学模型可由方程 17 得 到 2 长脐带缆在其液容特性的作用下 瞬时 液阻由减少为 当执行器持续 1 2 3 2 动作时间较短时 可以有效放宽对脐带管液阻 的限制 选用液阻较大的管道以降低成本 3 如果系统需要以一个固定的流量来驱动 一个总容积为的执行器油缸 允许的最大流 量可达 3 1 5 4 3 2 4 2 2 符号说明符号说明 管道弹性模量 流体弹性模量 流体密度 流体粘度 蓄能器液感 脐带缆集中参数模型的液容 回油脐带缆集中参数模型的液容 供油脐带缆集中参数模型的液容 管道直径 海水深度 脐带缆集中参数模型的液感 管道长度 闸阀液压缸执行器弹簧侧和非弹簧侧容积比例 系数 蓄能器预充压力 0 集中参数模型中的输入压力 1 集中参数模型中的输出压力 2 电液换向阀的复位压力 回油脐带缆 HPU 侧的压力 回油脐带缆 SDU 侧的压力 1 供油脐带缆 HPU 侧的压力 供油脐带缆 SDU 侧的压力 1 电液换向阀的出口压力 集中参数模型的输入流量 1 集中参数模型的输出流量 2 闸阀弹簧侧的流量 回油脐带缆 HPU 出口的流量 回油脐带缆 SDU 入口的流量 1 供油脐带缆 HPU 入口的流量 供油脐带缆 SDU 出口的流量 1 脐带缆集中参数模型的液阻 回油脐带缆集中参数模型的液阻 供油脐带缆集中参数模型的液阻 拉普拉斯算子 时间变量 蓄能器容积 0 闸阀液压缸执行器弹簧侧有效容积 闸阀液压缸执行器总体容积 参考文献参考文献 1 Tim W Ellisor Paul J Martyniak and Jonathan V C Wilson Canyon Express Deepwater Umbilical and Control System Offshore Technology Conference OTC 15099 2 M Theobald C Lindsey Curran Benefits of All Electric Subsea Production Control Systems Offshore Technology Conference OTC 1706 3 C J Curran Remote Control Umibilical for Subsea Control Systems Underwater Technology Summer 1991 17 2 pp21 26 4 M Lewis R Money and C Kochenower Subsea System Production Controls and Umbilicals for Typhoon Project Offshore Technology Conference OTC 14125 5 Watton J and Tadmori M J A A Comparison of Techniques for the Analysis of Transmission Line Dynamics in Electrohydraulic Control Systems Applied Mathematical Model 12 1988 pp 457 466 6 Wongputorn W Hullender D A and Woods R L Rational Polynomial Transfer Function Approximations for Fluid Tra