近海水下生產(chǎn)原油采油樹(shù)控制系統(tǒng)臍帶纜液容補(bǔ)償研究

1、近海水下生產(chǎn)原油采油樹(shù)控制系統(tǒng)臍帶纜液容補(bǔ)償研究 近海水下原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)臍帶纜液容 效應(yīng)研究 羅高生, 顧臨怡, 李林, 李世倫 （浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)杭州, 310027） 摘要: 為優(yōu)化近海水下原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)臍帶纜尺寸并減少費(fèi)用，在不考慮臍帶纜液感的影響下，對(duì)臍帶纜的液容和液阻進(jìn)行研究得出了臍帶纜的頻域集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型。利用該數(shù)學(xué)模型和海底原油水下生產(chǎn)系統(tǒng)間斷工作的特性，提出了利用液壓動(dòng)力單元和海底分配單元之間的臍帶纜的液容效應(yīng)和蓄能器組合方式來(lái)對(duì)近海水下原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)的流量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法優(yōu)化臍帶纜尺寸。研究表明臍帶纜的瞬時(shí)等效液阻明顯的減

2、少了，臍帶纜的液容補(bǔ)償效應(yīng)和蓄能器的組合大大增強(qiáng)了臍帶纜的過(guò)流能力。 關(guān)鍵詞： 近海水下原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)；臍帶纜；頻域集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型；液容補(bǔ)償效應(yīng); 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 Transmissi

3、on 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 hydrau

4、lic 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 systems flow c

5、apacity 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 t

6、he umbilicals 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 大多數(shù)近海油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的液壓控 制系統(tǒng)都采用執(zhí)行器就地控制水下采油樹(shù)，壓 力油則由距水下生產(chǎn)系統(tǒng)幾千米甚至上萬(wàn)

7、米的 原油生產(chǎn)平臺(tái)上的液壓動(dòng)力單元（Hydraulic Power Unit）提供12，如圖1所示。利用臍帶 纜將水面的液壓?jiǎn)卧℉UP）與海底分配單元 （Subsea Distribute Unit）連接起來(lái)，水下分配 單元（SDU）是一個(gè)多路分配器將水下各個(gè)井口的海底執(zhí)行器控制單元(Subsea Control Module)連接在一起，執(zhí)行器控制單元（SCM）主要是由電液控制換向閥組成的，用來(lái)控制采油樹(shù)上執(zhí)行器的動(dòng)作，如控制原油輸送系統(tǒng)的閘閥上的液壓缸開(kāi)啟和關(guān)閉，來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉閘閥。 作者簡(jiǎn)介：羅高生，男，1975年12月生，浙江大學(xué)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)博士生，主要從事海底原油水下生產(chǎn)系統(tǒng)、水

8、下運(yùn)載器及其作業(yè)工具、電液伺服系統(tǒng)等的研究。E-mail： 由于幾千甚至上萬(wàn)米長(zhǎng)的臍帶纜的沿程液阻很大，臍帶纜的截流嚴(yán)重，按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法根據(jù)執(zhí)行器的流量需求選用臍帶纜的直徑會(huì)很大；由于臍帶纜長(zhǎng)度長(zhǎng)，費(fèi)用高 34, 因此不能按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)近海水下原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)的臍帶纜。本文通過(guò)研究近海水下原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)的工作特性，即控制系統(tǒng)的執(zhí)行器流量需求的間歇性，以及執(zhí)行器連續(xù)動(dòng)作之間的時(shí)間間隔長(zhǎng)，能夠保證臍帶纜內(nèi)的油液被重新充滿特點(diǎn)；通過(guò)利用長(zhǎng)臍帶纜的液容效應(yīng)以及通過(guò)在SCM側(cè)增加 海面 蓄能器，來(lái)增強(qiáng)液壓控制系統(tǒng)的液感效應(yīng)的方法達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)臍帶纜尺寸的目的。 本文的結(jié)構(gòu)為：第

9、一部分對(duì)近海水下原油生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單描述；第二部分研究了長(zhǎng)臍帶纜的頻域集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型；第三部分研究了長(zhǎng)臍帶管的液容效應(yīng)在近海原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)中所產(chǎn)生等效液阻；第四部分研究了利用長(zhǎng)臍帶纜等效液容以及蓄能器的組合增強(qiáng)系統(tǒng)液容效應(yīng)的近海水下原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 圖 1.海底原油水下采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 FIGURE 1. STRUCTURE DIAGRAM OF OSCTCS 1. 近海水下原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理 近海原油水下采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示,該液壓控制系統(tǒng)主要用于驅(qū)動(dòng)采油樹(shù)上的原油輸出系統(tǒng)管道上的閘閥液壓缸執(zhí)行器開(kāi)關(guān)動(dòng)作以及其

10、他輔助設(shè)施的液壓執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)13。該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)個(gè)部分組成：位于采油平臺(tái)上的液壓動(dòng)力單元（HPU）、臍帶纜、位于海底的液壓分配單元(SDU)、位于海底采油樹(shù)上的水下控制模塊（SCM）以及采油樹(shù)上帶有彈簧液壓缸執(zhí)行器的閘閥。HPU為所有海底液壓執(zhí)行器提供液壓動(dòng)力源；臍帶纜將HPU的高壓油輸送到SDU，并將SDU的低壓油輸送回HPU；SDU是一個(gè)集中分配點(diǎn)，為各采油樹(shù)提供液壓油；SCM是由電液控制閥組成的控制閥組用于控制采油樹(shù)上閘閥的液壓缸執(zhí)行器，SCM安裝位置與采油樹(shù)很近，用于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 近海原油水下采油液壓控制系統(tǒng)的基本工作過(guò)程為：當(dāng)SCM上的電液換向閥開(kāi)啟時(shí)，高壓油就流到了采

11、油樹(shù)上相應(yīng)的液壓缸執(zhí)行器的彈簧側(cè)，使油缸上的活塞動(dòng)作并開(kāi)啟閘閥，同時(shí)壓縮油缸上的壓縮彈簧；在SCM電液換向閥關(guān)閉同時(shí)將液壓缸的兩個(gè)容腔通過(guò)其兩側(cè)的供油截流管和回油節(jié)流管直接連接時(shí)，儲(chǔ)存在彈簧上的能量能使油缸活塞復(fù)位關(guān)閉原油輸送管道上的閘閥的；油缸兩側(cè)的供油截流管和回油節(jié)流管是用來(lái)在SCM電液換向閥開(kāi)啟時(shí)維持系統(tǒng)的供油和回油壓力在安全值以上。由于系統(tǒng)在關(guān)閉過(guò)程中，系統(tǒng)的關(guān)閉時(shí)間僅與油缸上的彈簧提供的復(fù)位油壓、供油截流管和回油節(jié)流管的直徑和長(zhǎng)度有關(guān)，臍帶纜并未參與系統(tǒng)的關(guān)閉過(guò)程。因此本文主要針對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)啟過(guò)程展開(kāi)研究。 近海水下原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)通常要求在系統(tǒng)壓降維持在一定值之上時(shí)能夠在20到

12、30秒內(nèi)開(kāi)啟原油輸送管道上的閘閥；但為保證 近海原油生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，閘閥的關(guān)閉時(shí)間 應(yīng)該越快越好；而連續(xù)開(kāi)啟原油輸送管道上的 周期通常在幾個(gè)小時(shí)以上。因此海底原油水下采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)具有開(kāi)啟時(shí)間短，瞬時(shí)系統(tǒng)流量需求大，而在大多數(shù)的時(shí)間里采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)是處于不工作狀態(tài)的特點(diǎn)。 圖 2.海底原油水下采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)原理圖 FIGURE 2. HYDRAULIC SHEMATIC DIAGRAM OF OSCTCS 2.長(zhǎng)臍帶纜頻域集中參數(shù)模型 文獻(xiàn)5研究了幾種流體管道模型及其時(shí)變 流量和時(shí)變壓力下的近似模型。有理多項(xiàng)式的 近似方法6給出了適用于變步長(zhǎng)積分器的研究 方法。在7中提出了用于層

13、流摩擦建模的改進(jìn) 型方法來(lái)模擬在層流管道中的與頻率有關(guān)的摩 擦。文獻(xiàn)8系統(tǒng)的研究了具有時(shí)變非線性邊界 條件的復(fù)雜管道系統(tǒng)。這幾種管道模型和研究 方法大多集中在管道對(duì)系統(tǒng)的高頻響應(yīng)的影響； 由于在近海水下原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)中， 系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求比較慢，對(duì)于管道的高頻 響應(yīng)基本上可以忽略，本文采用集中參數(shù)模型 910分段頻域方法來(lái)研究長(zhǎng)臍帶纜集中參數(shù)頻 域響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型的液阻、液感和液容可以按照如下進(jìn)行表述： 128vl (1) 4lLP= (2) hose+fluid lCp=d2 (3) hosefluidRP=對(duì)于具有幾千甚至上萬(wàn)米長(zhǎng)的臍帶纜，相對(duì)于液阻和液容來(lái)說(shuō)，液

14、感的影響相對(duì)較小。表1是8.7公里長(zhǎng)臍帶纜的液感+液阻和液容+液阻的時(shí)間常數(shù)。 表1 8.7公里長(zhǎng)臍帶纜液感+液阻及液容+液阻的系統(tǒng)時(shí)間常數(shù) TABLE 1.TIME CONSTANTS CAUSED BY HYDRAULIC INDUCTANCES + RESISTANCES, AND CAPACITANCES + RESISTANCES FOR AN 8.7-KILOMETER UMBILICAL LINE 從 表1中可以看出，液感+液阻的系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)相對(duì)液容+液感的系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)小很多，液感效對(duì)液壓系統(tǒng)的影響短時(shí)間內(nèi)迅速消失，因此可以忽略其對(duì)系統(tǒng)的影響, 因此長(zhǎng)臍帶纜的集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型11

15、可簡(jiǎn)化為如圖3示。 圖 3 長(zhǎng)臍帶軟管集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型 FIGURE 3. LUMPED PARAMETER MODEL OF LONG UMBILICAL LINES 對(duì)于圖3的臍帶纜模型，系統(tǒng)輸入與輸出 頻域的壓力和流量關(guān)系可以描述為： ?2(?)1?)? ?1(?) 2( = ? 1? (4) 1(?) 將長(zhǎng)臍帶纜等分成i段，液容和液阻也相應(yīng)的等分成i個(gè)部分，如圖4所示。 圖4 i等分臍帶軟管 FIGURE 4. UNIFORMLY DIVIDED LUMPED PARAMENTER MODEL OF LONG UMBILICAL LINES 通過(guò)歸納整理，等分了的臍帶纜模型的系統(tǒng)輸入與

16、輸出的關(guān)系可以表述為: P2(S)Q = A BP1(S) 2(S)C D Q1(S) (5) 其中, i ( n-1n A= j=-n i+j ) CpRPS (6) n=0 B=-R ( nj=-n i+j ) CpRPS Pn=0 (7) i( nn C=-CS j=-n i+j ) CpRPS Pn=0 (8) i( nn D= j=1-n i+j ) CpRPS (9) n=0 如果分段數(shù)i趨于無(wú)窮即 i, 則 系數(shù)A, B, C 和D變成: i n A=lim( n-1j=-n i+j ) CpRPS i n=0 = (CpRPS)n( n-1j=-n i+j n n=0lim)(

17、CpRPS) i = (CpRPS)n n=0 (10) 同理, (CP pRPS)n B=-R (11)n=0 n C=-CS CpRPS P (12) n=0 (CpRPS)n D=n=0 (13)假設(shè), (CpRPS)n E=n=0 (14) 因此，由方程（5）、（10）至（14），方程（4）可以改寫(xiě)為下式： A1 P(S)1-P12(S) = Q1(S)pAD-BCAQ2 (15) -(S) 在方程（15）中, AD-BC 2 n2 = (CpRPS)n -C CpRPS PRPS n=0n=0 ( 2 2n+1 2 = pP2n pP - n=0n=0 ( pP2n( pP2n+1

18、= + n=0 n=0 (- ? pP2n+ (- pP2n+1 n=0 n=0 =exp CpRPS ?exp - CpRPS =1 (16)因此, - 1 PP1(S) 1A2(S) = C pS1 Q1(S)-AQ2(S) (17) 方程（17）即是具有多參數(shù)的集中參數(shù)長(zhǎng)臍帶纜頻域響應(yīng)數(shù)學(xué)模型。 4.長(zhǎng)臍帶纜液容補(bǔ)償研究 在這一節(jié)中我們忽略海底原油水下采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)SCM模塊中的蓄能器（如圖2）來(lái)單獨(dú)分析在SCM上的電液換向閥瞬間開(kāi)啟時(shí)供油臍帶纜和回油臍帶纜的液容效應(yīng)。如果系統(tǒng)沒(méi)有安裝蓄能器，那么設(shè)?1(t)=?(t), 回油臍帶纜的流量和供油臍帶纜的流量分別為 ?(?)? ?(?)

19、, 供油臍帶纜和回油臍帶纜生產(chǎn)平 臺(tái)側(cè)的油壓為常量，即分別為?+?和?，因此其拉氏變換?1 ? =0, ?2 ? =0. 供油和回油臍帶纜的集中參數(shù)液阻分別Rs和 ?, 它們的集中參數(shù)液阻分別為Cs和?均可以從方程(1)和方程(3)得到，那么由方程(17)得供油臍帶纜SDU側(cè)的壓力和生產(chǎn)平臺(tái)側(cè)的流量為： Q1 s(S)=Qs1(S) (18) PE s1(S)=-RsQs1(S) (19) 同樣，回油臍帶纜SDU側(cè)的壓力和生產(chǎn)平臺(tái)側(cè)的流量為： Q1QR(S)= C S (20) PEQC S R1(S)=RR (21) 由于臍帶纜的時(shí)間常數(shù)很大，因此多項(xiàng)式 A和E可以通過(guò)忽略S的二次和高次項(xiàng)近

20、似簡(jiǎn)化，則有： A?1+CsRsS (22) E?1+ CsRsS (23) E121 ?+ (24) 1+ 在SCM的電液換向閥開(kāi)啟前，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，其初始狀態(tài)為 ? 0 =?1 0 = 0, ?1 0 =?+?, 因此供油臍帶纜的生產(chǎn)平臺(tái)側(cè)輸入流量和SDM側(cè)壓力時(shí)域響應(yīng)可以簡(jiǎn)化為： QS(t)? 1-e - 2ss Q c(t) (25) Pt 1-2- 2s1 t ?PS+gh-RsQc 3e ss 26 同樣， 對(duì)于回油臍帶纜，系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，其初始狀態(tài)為? 0 =? 0 =0,?1(0)=?, 因此回油臍帶纜的生產(chǎn)平臺(tái)側(cè)輸出流量和SDM側(cè)的壓力時(shí)域響應(yīng)為： Q- 2 R(t)?

21、 1-e CRRR t Qc(t)k (27) PR1 t ?gh+RR Qc t (1-2- 2 C k 3e RRR t) (28) 方程(26)和(28) 表明臍帶纜的液感效應(yīng)為：其瞬時(shí)的等效液阻由Rp變成了?(1?2 ? 2 ?3? ? )， 因此在SCM電液換向閥開(kāi)啟時(shí)為維持一定的流 量? ? 臍帶纜兩側(cè)的瞬時(shí)初始?jí)航挡⒉淮?，但SCM電液換向閥開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，臍帶管兩側(cè)的壓降就越大；臍帶纜的這種動(dòng)態(tài)特性與海底原油水下采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)的工作特性相匹配，即在短時(shí)間內(nèi)能夠在一定的系統(tǒng)壓差上提供比較大的流量。利用這種臍帶軟管的液感效應(yīng)和海底原油水下采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)相匹配特性我們可以對(duì)臍

22、帶纜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 5.海底原油水下采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)臍帶纜和蓄能器的組合液容補(bǔ)償特性 在海底原油水下采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)中，為保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，每個(gè)SCM模塊上的電液換向閥均具最低的復(fù)位壓力，按照12的規(guī)定，SCM電液控制換向閥上的最小壓降應(yīng)該大于1.5?，作為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 因此，當(dāng)海底原油水下采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)（如圖2）的SCM模塊中沒(méi)有安裝蓄能器時(shí)，系統(tǒng)的最大流量?(?) 可以從方程 (26)和方程(28)計(jì)算得出，即: Ps+gh-RSQC t +2 - 23Rsess tQc t 2 - gh+RR Qc(t)-2R- k 3 Re RR Qc(t)k 1.5PLV (29) 使

23、用方程 (29)的最小值, 則方程變?yōu)椋??(?)= ? ?1.5? (30) ? 1?2? ? +? 1?2? ? 方程 (30)表明，系統(tǒng)允許流量在電液控制換向閥開(kāi)啟時(shí)還比較大，但隨著系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)間的延長(zhǎng)，隨著臍帶纜的液容補(bǔ)償效應(yīng)逐漸減小系統(tǒng)的允許流量也不斷的減小，此時(shí)則需要有更多的液壓油由臍帶纜更遠(yuǎn)的地方的油補(bǔ)充過(guò)來(lái)，也就是由于系統(tǒng)的開(kāi)啟時(shí)間的延長(zhǎng)，臍帶管兩側(cè)的壓降變大，其允許的流量也會(huì)減小。 由于對(duì)于幾千米的臍帶纜來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)間 ? 和 ?，因此方程 (30) 可以線性化為: R1+22t Q122R C t +kRs +t QssC t RR?k PS-1.5PLV (31) 在方

24、程 (33)中 ? ? ?，因此在沒(méi)有蓄能器的情況下，為保持1.5?壓降要求，系統(tǒng)允許的最大許流量? t 為: 3k PQS-1.5PLV -4V4kVC t R-S (32) RS在實(shí)際的海底原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)中，為增強(qiáng)系統(tǒng)液容效應(yīng)，通常在SCM上安裝額外的蓄能器如圖2。如果蓄能器的有效容積和預(yù)充壓力為V0和 P0，定義蓄能器的液容為1 ?= ?0 ?則在系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)蓄能器提供 ?+? , 流量為: 1d PV0 QPdPa= S1 ?-Ca S1 (33) 供油臍帶管的壓降可以通過(guò)方程 (19)、(24)和 (33)得到；臍帶管的輸出流量 QS1=QC?Qa，對(duì)其進(jìn)行拉普拉斯變換，并將方

25、程(19)帶入: QC S =QAPS1 S +Qa S =-S1 S -CaSPS1 S S ?-1+CSRSS+CaRSS+CaCSR2SS2 PS11+ (34) S方程(34)中S的二次項(xiàng)可以忽略，因此方程 (34)近似簡(jiǎn)化為： PS1 S =-CS RQ S SaSC 2C-+6C1+ Sa SaSRSQC S (35) 帶入系統(tǒng)的初始條件，? 0 =?=? 0 =0,?1(0)?+?, 經(jīng)過(guò)拉普拉斯逆變換供油臍帶纜的SDU側(cè)的供油壓力和流量的關(guān)系為： PS1(t)=PS+gh -RQ（1-2CS+6Ca- es2aSt SC(t) ） (36) Sa 方程 (36) 表明系統(tǒng)的液容

26、效應(yīng)被蓄能器增強(qiáng)了，同時(shí)SDU側(cè)的等效液阻也由 2 ?(1?2? ?3 ? ?) 減少為 ?(1?2?+6? 3? ?+6? ? ? 2 s? ? )。系統(tǒng)的最大允許 流量也可以增加為： QC t = k PS-1.5PLV - RR 1-2- eRRt +kRS(1-2C+6CeSaStSa ) (37) 方程(37)經(jīng)過(guò)線性化，系統(tǒng)的允許最大流 量變?yōu)椋?3k PQS-1.5PLV -4VC t R-C+3C4kVSaSRR+a Sa kRS (38) 方程(38)允許的允許流量比不帶蓄能器的4?4?允許流量 3? ?1.5? ? ? ?+? 用增強(qiáng)了系統(tǒng)的液容效應(yīng)。 6. 仿真驗(yàn)證 仿真

27、參數(shù)采用我國(guó)南海某油氣田海底原油水下采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行分析：HPU系統(tǒng)的壓力? 為 190bar；海水深度為145m；液壓油的彈性模量為24000bar；臍帶纜長(zhǎng)度為8.7km，臍帶纜的彈性模量為5308bar；電液換向閥的復(fù)位壓力?為45bar；電液換向閥的流 量壓力系數(shù)為Rh430 (bar/(l/s)2 )；液壓缸輸入和輸出截流鋼管的直徑為6.3mm，長(zhǎng)度取5m，截流鋼管的參數(shù)值是由通過(guò)系統(tǒng)關(guān)閉的最小時(shí)間要求并在電液換向閥開(kāi)啟式時(shí)維持一定系統(tǒng)壓差計(jì)算得到了，本文不涉及這部分計(jì)算，但并不影響對(duì)系統(tǒng)的整體分析；液壓缸的直徑為138mm，其行程為116mm，它的彈簧側(cè)容積為1.589L，另

28、外一側(cè)的容積為1.563L，彈簧完全壓縮時(shí)的力為68.5kN，當(dāng)閘閥關(guān)閉時(shí)彈簧的完全伸展時(shí)的預(yù)壓縮力38.4kN。系統(tǒng)要求閘閥的開(kāi)啟時(shí)間不大于20秒，關(guān)閉時(shí)間小于10秒。按照上述提供的臍帶管和蓄能器組合的組合液容補(bǔ)償方法將臍帶纜的供油管道優(yōu)化為12.7mm，回油管道優(yōu)化為19mm，這與實(shí)際系統(tǒng)使用中的臍帶纜的直徑略有減小。 仿真分為兩個(gè)部分，第一部分在沒(méi)有蓄能器時(shí)比較臍帶纜的彈性模量為5308bar和8000bar下液容效應(yīng)；第二部分在臍帶纜的彈 性模量為5308bar及蓄能器有效容積為10L， 預(yù)充壓力為115bar下的液容效應(yīng)。 在圖5 和圖6顯示了，在執(zhí)行器完全開(kāi)啟時(shí)，?1壓力從205b

29、ar降到142bar，流量從19.1 l/min降到14 l/min，而在圖7和8中 ?1從205bar降到131bar，流量從18.7 l/min降到12.8l/min，說(shuō)明小彈性模量的臍帶纜可以增強(qiáng)臍帶纜的液容效應(yīng)。 圖5不帶蓄能器且臍帶纜特性模量為5038bar時(shí)閘 閥的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程 FIGURE 5. OPENING AND CLOSING PROCESSES OF A GATE VALVE USING UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 5308 BAR WITHOUT AN ACCUMULATOR INSTALLED 圖6 不帶蓄能器且臍帶纜彈性模

30、量為5038BAR時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉閘閥時(shí)流入和流出液壓缸的流量 FIGURE 6. FLOW RATE OF OPERATING A GATE VALVE USING UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 5308 BAR WITHOUT AN ACCUMULATOR INSTALLED 圖7不帶蓄能器且臍帶纜特性模量為8000bar時(shí)閘 閥的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程 FIGURE 7. OPENING AND CLOSING PROCESS OF GATE VALVE ACTUATOR USING UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 8000

31、BAR WITHOUT AN ACCUMULATOR INSTALLED 圖8不帶蓄能器且臍帶纜彈性模量為8000BAR時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉閘閥時(shí)流入和流出液壓缸的流量 FIGURE 8. FLOW RATE OF OPERATING A GATE VALVE USING UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 800 BAR WITHOUT AN ACCUMULATOR INSTALLED 在圖9中，閘閥的液壓缸執(zhí)行器在5.2秒的時(shí)候完全開(kāi)啟，?1 從205bar降到約175bar，在圖10中其流量從21 l/min減少到16.5 l/min，表明系統(tǒng)的液容通過(guò)蓄能器得到

32、了極大的增強(qiáng)，系統(tǒng)所允許的流量比前種情況要大很多。 圖9 帶蓄能器且臍帶纜特性模量為5038bar時(shí)閘 閥的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程 FIGURE 9. OPENING AND CLOSING PROCESS OF GATE VALVE ACTUATOR USING UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 5308 BAR WITH AN ACCUMULATOR INSTALLED 圖10 帶蓄能器且臍帶纜彈性模量為5038BAR時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉閘閥時(shí)流入和流出液壓缸的流量 FIGURE 10. FLOW RATE OF OPERATING A GATE VALVE USING

33、UMBILICAL LINES WITH A MODULUS OF 5308 BAR WITH AN ACCUMULATOR INSTALLED 7.結(jié)論 通過(guò)對(duì)近海水下原油采油樹(shù)液壓控制系統(tǒng)的長(zhǎng)臍帶纜液容效應(yīng)的研究，得出了利用臍帶纜和蓄能器組合的液容補(bǔ)償效應(yīng)對(duì)其液壓系統(tǒng)的流量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)液壓缸執(zhí)行器的最大允許流量計(jì)算來(lái)優(yōu)化臍纜的設(shè)計(jì)，并以我國(guó)某海上油氣田某井口為例進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證和仿真分析，得出以下結(jié)論： 1. 海底原油水下采油樹(shù)統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)中的長(zhǎng)臍帶纜的長(zhǎng)度特別長(zhǎng)，導(dǎo)致液感液阻時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)間以及液容液阻時(shí)間常數(shù)，因此可以只考慮液容的影響；此時(shí)長(zhǎng)臍帶纜的頻域集中參數(shù)

34、數(shù)學(xué)模型可由方程(17)得到。 2. 長(zhǎng)臍帶纜在其液容特性的作用下，瞬時(shí)液阻由Rs減少為?(1?2 ? 2 3? ? )，當(dāng)執(zhí)行器持 續(xù)動(dòng)作時(shí)間較短時(shí)，可以有效放寬對(duì)臍帶管液阻的限制，選用液阻較大的管道以降低成本。 3. 如果系統(tǒng)需要以一個(gè)固定的流量來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)總?cè)莘e為?的執(zhí)行器油缸，允許的最大流量可達(dá) 3k PS-1.5PLV -4VC+3CaCR-(CS+2Ca)(4kVCS+2CaR 。 R+CS+2Ca kRS 符號(hào)說(shuō)明 ? 管道彈性模量 ? 流體彈性模量 ? 流體密度 ? 流體粘度 Ca 蓄能器液感 Cp 臍帶纜集中參數(shù)模型的液容 ? 回油臍帶纜集中參數(shù)模型的液容 ? 供油臍帶纜集中參

35、數(shù)模型的液容 ? 管道直徑 h 海水深度 ? 臍帶纜集中參數(shù)模型的液感 ? 管道長(zhǎng)度 ? 閘閥液壓缸執(zhí)行器彈簧側(cè)和非彈簧側(cè)容積比例系數(shù) ?0 蓄能器預(yù)充壓力 ?1 集中參數(shù)模型中的輸入壓力 ?2 集中參數(shù)模型中的輸出壓力 ? 電液換向閥的復(fù)位壓力 ? 回油臍帶纜HPU側(cè)的壓力 ?1 回油臍帶纜SDU側(cè)的壓力 ? 供油臍帶纜HPU側(cè)的壓力 ?1 供油臍帶纜SDU側(cè)的壓力 ? 電液換向閥的出口壓力 ?1 集中參數(shù)模型的輸入流量 ?2 集中參數(shù)模型的輸出流量 ? 閘閥彈簧側(cè)的流量 ? 回油臍帶纜HPU出口的流量 參考文獻(xiàn) 1 Tim W. Ellisor, Paul J. Martyniak, an

36、d 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 fo

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