基于SimulationX的水下液壓控制系統仿真分析

劉永飛

(中海油研究總院有限責任公司,北京 100028)

0 引 言

隨著世界能源需求的日益增長和陸上油氣資源的日益枯竭,世界油氣田的開發逐漸由陸上走向海洋,由淺海走向深海。為適應深海油氣田的開發,各種不同的海上油氣田開發方式不斷出現和發展,其中水下生產系統不但能適應深海油氣田開發的需求,也可在邊際油氣田開發中依托現有設施進行開發,具有開發成本低、建設周期短、開發效益高的特點[1]。近年來水下生產系統在世界范圍內得到了廣泛的發展和應用,如中國南海荔灣氣田群、陵水17-2氣田等。作為水下生產系統的關鍵組成部分,水下控制系統的可靠性關系到整個水下生產系統的安全性和可靠性。水下控制系統主要有直接式液壓控制系統、先導式液壓控制系統、電液復合式控制系統和全電式控制系統,目前應用得比較廣泛的是電液復合式控制系統[2-4]。在實際工程應用中,通常采用軟件對水下控制系統進行液壓仿真分析,確定水下控制系統配置,保障水下控制系統的可靠性和安全性。目前國內在水下生產系統液壓分析方面處于起步階段,長期以來都依賴國外設計公司,雖然目前已獨立完成了某大型氣田的水下生產系統液壓仿真分析,但是在水下生產系統液壓分析方面仍然缺乏經驗,因此,需要開展水下生產系統液壓仿真分析與規律研究,為水下生產系統液壓分析工程設計工作提供參考經驗。

1 電液復合式控制系統的組成和原理

電液復合式控制系統的液壓設備主要有液壓動力單元(HPU)、水面臍帶纜終端(TUTA)、臍帶纜、水下臍帶纜終端(SUTA)、水下控制模塊(SCM)和控制飛線,如圖1所示。主控站發出信號后,信號通過臍帶纜內的通信線路直接控制水下控制模塊(SCM)里面的電磁閥(DCV),電磁閥的開關可以控制水下閥門執行器油腔壓力,從而對水下閥門進行控制,如圖2所示。

圖1 水下電液復合控制系統示意圖Fig.1 Illustrative diagram of subsea electro-hydraulic composite control system

圖2 水下電液復合式控制系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of subsea electrohydraulic composite control system

2 液壓分析方法

2.1 液壓分析內容及要求

液壓分析需要遵循的標準[5-7]主要有API STANDARD 17F Standard for Subsea Production Control Systems 和ISO13628-6 Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems—Part6:Subsea production control system,其中ISO ISO13628-6 Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems—Part6:Subsea production control system 等同采用API STANDARD 17F Standard for Subsea Production Control Systems,根據2017年發布的最新版API STANDARD 17F Standard for Subsea Production Control Systems的規定,液壓分析的主要內容為進行高壓和低壓液壓系統充壓、高壓和低壓液壓系統泄壓以及采油樹閥門等重要閥門的操作。

由于標準并未對液壓系統操作時間做出具體的設計要求,因此控制系統的液壓系統操作時間往往根據項目經驗并結合業主要求確定,表1所示為典型液壓操作時間要求[8]。

表1 典型液壓系統操作時間要求Tab.1 Typical hydraulic system operating time requirements

2.2 軟件建模與仿真

成熟的水下生產系統液壓仿真的軟件主要有Simulation X[9-10]、AMESim[11]、CS等,本文主要選擇Simulation X 軟件對低壓液壓系統進行仿真研究,系統模型如圖3所示。仿真模型由液壓動力單元(HPU)、緊急泄放閥(ESD)、水下SCM 蓄能器、水下DCV 閥、采油樹閘閥、補償器、臍帶纜等組成,本文選用了開式連接液壓管路并配置就地泄放閥,以達到較短閥門關閉時間響應[12]。當系統充壓時,液壓動力單元內的液壓油經過液壓動力單元內的液壓泵打壓,通過臍帶纜到達水下SCM 蓄能器,當水下SCM 蓄能器壓力達到一定值后,液壓泵停止打壓,充壓完成。系統泄壓時,緊急泄放閥打開,臍帶纜內的液壓油回流至液壓動力單元,水下SCM蓄能器壓力降低,降低到一定值后,水下DCV 閥門動作,采油樹閘閥閥腔內壓力降低,閘閥閥桿動作,閘閥開始關閉,一定時間后閘閥關閉,泄壓過程結束。開閥時,主控站發出開閥指令,水下DCV 閥動作,水下SCM 蓄能器給采油樹閘閥閥腔充壓,閘閥閥桿動作,一定時間后閥門打開;關閥時,主控站發出關閥指令,水下DCV 閥動作,采油樹閘閥閥腔內液壓油通過就地泄放口排海,閘閥閥腔內壓力降低,閥門關閉。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

根據2.1節所述液壓分析內容,本文主要按照以下步驟開展低壓液壓系統的分析。

(1)低壓液壓系統充壓分析:在低壓液壓系統的充壓過程中,主要通過考察水下蓄能器的壓力變化來判斷充壓進程,一般情況下,當水下蓄能器壓力達到系統壓力的95%加靜水壓力時,即認為低壓液壓系統完成了充壓過程,如圖4所示,系統從t=0時開始充壓,水下蓄能器壓力不斷升高,當t=940 s時,系統完成充壓過程。

圖4 系統充壓過程壓力變化Fig.4 Variation of pressure in system charging

(2)系統緊急關斷(ESD)泄壓分析:在低壓液壓系統泄壓過程中,主要考察采油樹閘閥閥桿行程變化,當采油樹閘閥閥桿行程由最大變為0時,低壓液壓系統完成泄壓過程。如圖5所示,在泄壓過程中首先ESD閥動作,此時水下蓄能器壓力逐漸減小,減小到一定值后水下DCV 閥動作,采油樹閘閥開始關閉,t=520 s時,閥門完全關閉,泄壓過程結束。

圖5 泄壓過程中閘閥閥桿行程變化Fig.5 Variation of gate valve stem in pressure relief

(3)閥門開關操作分析:低壓液壓系統閥門操作主要是指對采油樹閘閥開關過程進行分析,主要考察水下采油樹閘閥閥桿行程的變化,當閥桿行程由0變為最大時,即完成開閥操作;當閥桿行程由最大變為0時,即完成關閥操作。如圖6所示,在t=5 s主控站發出開閥指令后,水下DCV 閥門打開,采油樹閘閥液壓腔壓力不斷增大,閥桿行程逐漸由0變為完全打開;在t=20 s主控站發出關閥指令后,水下DCV 閥門關閉,采油樹閘閥液壓腔壓力不斷減小,閥桿行程逐漸由完全打開變為0,閥門關閉。

圖6 閥門閥桿行程變化Fig.6 Variation of valve stem

3 影響因素分析

本文分別選取了液壓管線直徑、水下蓄能器容積、水下蓄能器預充壓力、HPU 泵流量、HPU 泵啟動壓力、回接距離等因素進行模擬分析,研究以上因素對低壓系統充壓時間、泄壓時間以及閥門開關時間的影響。具體為在基礎工況條件下,分別選取以上因素作為變量,分析模擬結果的變化趨勢。液壓分析基礎工況條件如表2所示。

表2 液壓分析基礎工況條件Tab.2 Basic working conditions of hydraulic analysis

3.1 低壓系統充泄壓影響因素分析

(1)臍帶纜液壓管線直徑。

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圖7所示為液壓管線直徑與系統充壓和泄壓時間的關系。從圖中可以看出,隨著液壓管線直徑的增大,系統充壓和泄壓時間皆呈現出明顯減小的趨勢,這是因為液壓管線直徑越大,系統充壓和泄壓時液壓液流量越大,且沿程阻力損失越小,從而越有利于系統充壓和泄壓。

圖7 液壓管線直徑與系統充壓和泄壓時間的關系Fig.7 Hydraulic pipeline diameter versus system pressure charging and discharging time

(2)回接距離。

圖8所示為回接距離與系統充壓和泄壓時間的關系。從圖中可以看出,隨著回接距離的增加,系統的充壓和泄壓時間都呈現出明顯的增長趨勢,這是因為隨著回接距離的增加,沿程阻力損失增大、壓力傳導時間增長,所以充泄壓時間皆增長。

圖8 回接距離與系統充壓和泄壓的關系Fig.8 Loopback distance versus system pressure charging and discharging

(3)水深。

隨著水深的增加,系統充壓時間縮短,泄壓時間幾乎不變。這是因為水深越深,臍帶纜垂直段距離越長,臍帶纜垂直段液壓液自重起到了一定的正向輔助作用,見圖9。而在泄壓過程中,DCV 閥門對水深進行了壓力補償,抵消了靜水壓力的影響,所以泄壓時間幾乎不變。

圖9 水深與系統充壓和泄壓的關系Fig.9 Water depth versus system pressure charging and discharging

(4)水下蓄能器容積。

圖10所示為水下蓄能器參數與系統充壓和泄壓時間的關系。從圖中可以看出,蓄能器容積增大會一定程度上增加系統充壓時間和泄壓時間。這是因為水下蓄能器容積增加使得需要完成充壓的液壓液量增加,壓力傳導時間增長,充壓時間增長;泄壓時,水下蓄能器容積越大,對DCV 閥液壓腔壓力維持時間越長,導致采油樹閘閥關閉時間越長,泄壓時間越長。

圖10 水下蓄能器容積與系統充壓和泄壓時間的關系Fig.10 Subsea accumulator volume versus system pressure charging and discharging time

(5)水下蓄能器預充壓壓力。

圖11 水下蓄能器預充壓力與系統充壓和泄壓時間的關系Fig.11 Pre-charging pressure of subsea accumulator versus system pressure charging and discharging time

(6)液壓動力單元。

由于液壓動力單元(HPU)液壓泵不會影響系統泄壓過程,因此本文僅研究HPU 液壓泵對系統充壓過程的影響,如圖12所示。從圖中可以看出,隨著HPU 泵啟動壓力的增加,系統充壓時間呈現不斷減小的趨勢,這是因為隨著泵啟動壓力的增大,保證了更高的系統充壓動力,在系統其他參數一致的情況下,充壓動力越強,充壓時間越短。隨著HPU 泵的流量增加,系統充壓時間呈現波動變化的規律,流量增大,HPU 泵啟停次數也增加,這在一定程度上不利于系統充壓。從總體上來看,要保證HPU 泵啟動壓力和流量不能過低,以防無法完成充壓。

圖12 液壓動力單元液壓泵參數與系統沖壓時間的關系Fig.12 Hydraulic pump parameters of hydraulic power unit and system charging time

3.2 低壓系統開關閥影響因素分析

本節將研究在液壓系統開式連接情況下臍帶纜液壓管線直徑、回接距離、水深以及水下蓄能器參數對采油樹閘閥開關速度的影響。一般閥門越大,開閥速度越慢,所以下文主要以采油樹上最大的5 in閘閥開展模擬研究。

圖13～圖15所示為不同因素對閥門開關時間的影響情況,從圖13中可以看出,對于閥門開啟時間來說,閥門開啟時間隨著臍帶纜管徑增大、水下蓄能器容積增大、水下蓄能器預充壓力增大而減少,這是因為臍帶纜管徑增大、水下蓄能器容積增大、水下蓄能器預充壓力增大都更有利于閥門開啟腔液壓油的供應;閥門開啟時間幾乎不受回接距離的影響,這是因為水下蓄能器有足夠的液壓油用于閥門開啟,臍帶纜管線增長并不影響閥門開啟腔液壓油的供應;閥門開啟時間幾乎不受水深的影響,因為水下補償器補償了水深帶來的靜水壓的影響。對于閥門關閉時間來說,由于系統為開式系統,并且采用了快速泄放閥,液壓液就地泄放,不需要通過回流管線回收,因此泄放時間不受臍帶纜直徑、水下蓄能器參數、水深以及回接距離等因素的影響。

圖13 液壓管線直徑與開關閥時間的關系Fig.13 Hydraulic pipeline diameter versus on-off time of valve

圖14 水深和回接距離與開關閥時間的關系Fig.14 Water depth,return distance versus on-off time of valve

3.3 小結

(1)臍帶纜液壓管尺寸和回接距離是影響系統充泄壓時間的關鍵因素,隨著液壓管尺寸的增大和回接距離的縮短,系統充壓時間減短。工程設計中應重點考慮回接距離對系統充壓時間的影響,并通過增加液壓管線直徑來解決充壓時間過長的問題,同時應綜合考慮臍帶纜液壓管線直徑增加帶來的費用增加,綜合選取臍帶纜液壓管線直徑。

(2)水深對低壓系統充壓時間有一定的影響,水深越深越有利于系統充壓;水深對系統泄壓影響很小。

(3)隨著水下蓄能器容積和預充壓力的增大,系統充壓時間增長,泄壓時間幾乎不受影響。

(4)要保證一定的液壓動力單元泵的啟動壓力和流量值,否則無法完成系統充壓過程。

(5)對于開式連接且采用就地泄放閥的水下電液復合式控制系統來說,液壓管線直徑、水深、回接距離、水下蓄能器參數以及液壓動力單元液壓泵參數對采油樹閘閥開啟時間影響很小,對閥門的關閉時間幾乎沒有影響。

4 結 語

本文采用Simulation X 建模仿真的方法分析了水深、回接距離、液壓管線直徑、水下蓄能器參數以及液壓動力單元參數對水下復合電液式控制系統低壓系統的充壓時間、泄壓時間以及閥門響應速度的影響規律,并分析了產生相關影響規律的原因,可為水下復合電液式控制系統的工程設計提供一定的參考。

水下控制系統關系到整個水下生產系統的安全性和可靠性,目前復合電液式控制系統仍然是最主要的水下生產系統控制方式,因此下一步有必要繼續針對水下復合電液控制系統開展相關仿真研究,以提高我國水下生產系統液壓仿真設計能力。