水下生产控制系统液压动力模拟分析.pdf

2 0 1 3年 6月 第 4 l卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUUCS J u n e 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ．1 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 5 0 水下生产控制系统液压动力模拟分析 周声结 ，戚蒿 1 ．中海石油 中国有限公司湛江分公司 ，广东湛江5 2 4 0 5 7 ； 2 ．中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，广 东湛江 5 2 4 0 5 7 摘要对水下生产系统的液压系统、电力系统和通信系统进行不同工况下的性能分析是保障水下生产装置安全可靠工 作的关键 以中海石油 中国有限公司湛江分公司某气田开发工程项目水下生产系统的液压系统构架及参数分析为例 ， 介绍了运用 “ T h e C o n t r o l S i m u l a t o r ”软件进行液压动力分析的要点。分析在最小和最大井口关断压力下阀门的开关响应时 间、阀门打开之后压力恢复时间、序列阀门开启时间、E S D指令下关阀响应时间等，并将分析结果和实际生产情况进行对 比，可知该液压系统的各项性能指标均满足相应标准和规范的要求。 关键词水下生产系统；液压动力单元；脐带缆 ；阀门执行器；模拟分析 中图分类号T M 7 4 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 1 1 7 63 Hy dr a ul i c Po we r S i mu l a t i o n An a l y s i s f o r S u bs e a Pr o d uc t i o n Co nt r o l Sy s t e m Z HO U S h e n i e ，Q I Ha o 1 ． C N O O C L t d ． 一Z h a i a n g ，Z h a i a n g G u a n g d o n g 5 2 4 0 5 7 ，C h i n a ；2 ． O i l P r o d u c t i o n S e r v i c e s C o ． ， C N O O C E n e r g y T e c h n o l o gy ＆S e rvi c e s L t d ． ，Z h a i a n g G u a n g d o n g 5 2 4 0 5 7 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p e rf o r ma n c e a n a l y s e s i n v a r i o u s c a s e s f o r h y d r a u l i c s y s t e m，p o w e r s y s t e m a n d c o mmu n i c a t i o n s y s t e m o f s u b s e a p r o d u c t i o n s y s t e m a r e t h e k e y t o e n s u r e t h e s u b s e a p r o d u c t i o n e q u i p me n t wo r k i n g r e l i a b l y ． B a s e d o n t h e h y d r a u l i c s y s t e m a r c h i t e c t u r e a n d p e r f o rma n c e a n a l y s i s o f a g a s fi e l d d e v e l o p me n t p r o j e c t o f C N O O C L t d ． 一Z h a n j i a n g ， the k e y p o i n t s o f a p p l y i n g s o f t w are“ The C o n t r o l S i mu l a t o r ” t o ma k e h y d r a u l i c s y s t e m p e rfo rm a n c e an a l y s i s we r e p r e s e n t e d ． B y a n a l y z i n g v alv e a c t u a t o r o p e r a t i n g t i me，h y d r a u l i c p r e s s u r e r e c o v e ri n g t i me s ，v alv e o p e n i n g t i me i n s e rie s ，v alv e c l o s i n g t i me i n ES D c o mma n d u n d e r ma x i mu m and mi n i mu m we l l h e a d s h u t - i n p r e s s u r e a n d c o mp a r i n g t h e c o n c l u s i o n s w i t h a c t u al o p e r a t i n g c a s e ，i t i s s h o wn t h a t t h e h y d r a u l i c s y s t e m me e t s the r e q u i r e me n t o f c o r r e s p o n d i n g s t and a r d ． Ke y wo r d s S u b s e a p r o d u c t i o n s y s t e m；H y d r a u l i c p o w e r u n i t H P U ； -U m b i l i c al c a b l e ；V alv e a c t u a t o r ；S i m ula t i o n anal y s i s 由于陆上和浅海油气的 日渐枯竭，深水油气开发 已成为必由之路。随着南中国海深水油气田流花 4 1 、荔湾 3 1的重大发现，利用水下生产系统进行深 水油气田开发 已成为我国海洋油气 田未来发展的趋 势⋯。目前 ，国际上应用于深水油气田开发的水下生 产装置大多采用复合电液控制模式 ，因为该模式具有 体积小、工作平稳、便于操纵和远程控制、传输功率 大、易于过载保护、数据采集及监 控能力强 等特 点 。该液压控制过程为位于水面生产设施上的液 压动力源通过脐带缆中的液压管线经水下分配单元将 液压油 输送 到 水下 生 产装 置上 的水下 控制 模 块 S C M ，S C M通过脐带缆中的通信电缆接受主控站 的信号控制其 内的电磁换向阀，然后 由 S C M提供的 液压油直接控制阀门执行器 ，实现阀门的开关，达到 控制油气通断的目的 。典型的液压控制系统见示意 图 1 。 图1 典型液压控制系统示意图 1 液压系统整体构架简述 崖城 1 3 4 气 田分南高点和主体区两个区块 ，液 压动力单元 H P U位于崖城 1 31平台上，H P U 到南高点是通过 1 4 ． 5 k m的复合电液控制主脐带缆与 水下终端接头 S T H相连，然后利用 2 0 m液压跨 收稿 日期 2 0 1 3 0 32 2 作者简介 周声结 1 9 6 3 一 ，男，高级工程师，长期从事海上油气田开发建设工作。Em a i l z h o u s h j c n o o c ． c o m ． a n 。 第 1 1 期 周声结 等 水下生产控制系统液压动力模拟分析 1 7 7 接缆与水下脐带缆终端接头 S U T U 1 连接，最后 通过 6 0 m液压跨接缆连接到 A 3井采气树 S C M。南 高点至主体区是经 S U T U 1 后通过 8 ． 9 k m的辅助脐带 缆与终端接头 S U T U 2连接 ，然后通过 6 0 m液压跨接 缆分别连接到 A 1 井和 A 2井采气树 S C M，其液压控 制系统整体构架见图2 。 图2 崖城 1 3 4气田液压控制系统整体构架图 2 液压 系统模型建立 2 ． 1 系统模 块介 绍 “ T h e C o n t r o l S i m u l a t o r ”软件要求液压 系统简化 为由一系列分散的模块组成，通过组合的方式来模拟 不同类型的控制模式。组成该系统的模块主要包括 1 H P U，包 括 液压 动 力 源 、蓄 能器 、调 压 阀 和节 流阀 见图 3 ； 2 任意长度的脐带缆，软管或硬管皆可 ； 3 阀门执行器 ，包括入 口和出口蓄能器及相 应的节流 阀 见 图 3 。 入 口蓄 a HPU b 阀 门执行 器 图 3 HP U和阀门执行器模块示意图 2 ． 2 系统 充压模 型 充压模型主要考虑液压动力供应、蓄能器和各个 元件的流速限制 ，其低压充压模型见图 4 ，其 中 c 代表系统每一段的流量系数，单位为 L ／ m m。 HP u蓄能器 充压至 1 6 ． 2 MP a 。 容 积9 8 ． 4L 树蓄 能器 充压 至1 2 ． 2 MP a ， 容积3 7 ． 6 L 树 蓄能器 充 压至 1 2 ． 2 MP a ． 容 积 5 6 ． 4L 图4 低压充压系统模型示意图 2 ． 3 系统 E S D模 型 水下控制系统的安全特性是故障安全 ，关闭所有 的水下采气树阀门，接收 E S D指令，将脐带缆管线 中的液压油排放至地面 H P U储油箱，从而确定 E S D 情况下 的阀门关 断时间。 2 ． 4阀门执行器操作模型 利用单根液压管线模拟最远位置 主体区阀 门的开和关操作 ，单个阀门的操作模型见图5 。 H P U I ； 树 蓄 能 器 荐 墓 充压 至 1 6 2 MP a ， 充 压至 1 2 ． 2 MP a ， 水 网箱 容 积 9 8 4 L 容 积 l 8 ．8 L n 臼 I l “ ， _ ～ 、 √ l 2 3 一 图5 单个阀门 开阀模型 3 液压系统模拟分析 根据液压系统已知参数建立系统液压动力分析模 型，对采气树阀门执行器的操作时间，液压动力恢复 时 间 ，系统充 压及 E S D情 况下 的开 、关 阀时 间等进 行了模拟分析计算。以下是分析计算的结果。 1 5 1 ／ 8 ”采气树阀门执行器 在最小井口关断压力 1 ． 0 5 MP a 和最大井 口 关断压力 2 4 ． 3 M P a 两种极限条件下 ，对 5 1 ／ 8 ” 采气树阀门打开和关闭所需的行程时间分别进行了模 拟分析，分析结果见表 1 。 表 1 最小和最大关断压力下的开关阀时间 s 开阀时间 关阀时间 最小井口 关断压力 最大井口 关断压力 最小井口 关断压力 最大井口 关断压力 1 4 l 6 ．2 2 U． 。7 l 6 ．9 3个 5 1 ／ 8 ”阀门在最小和最大井 口关断压力下 的压力和时间关系曲线见 6 ，可以得出以下结论 ①5 1 ／ 8 ”采气树 阀门开阀所需的时 间为 1 4 1 6 ． 2 S； ②对于低压系统，当一个 5 1 ／ 8 ”阀门执行动作 结束到下一个阀门操作压力建立所需的时间为2 m i n 。 一痞 鳝 1 “ ／ 8 机床与液压 第 4 1卷 3 0 2 5 2 0 要 1 5 幽 1 O 5 1 一HP u蓄 能器压 力 2 一 S CM 蓄 能器压 力 1 一H P u蓄能器压力 2 S C M 蓄能器压力 图6 最小和最大关断压力下的压力和时间关系曲线 2 2 1 ／ 1 6 ”采气树阀门执行器 在最小井 口关断压力和最大井口关断压力两种极 限条件下 ，对 2 1 ／ 1 6 ” 采气树 阀门打开 和关 闭所需 的 行程时间分别进行了模拟分析，分析结果见表 2 。另 外 ，对于低压系统 ，当一个2 1 ／ 1 6 ”阀门执行动作结 束到下一个阀门操作压力建立所需的时间为 1 m i n 。 表 2 最小和最大关断压力下的开关阀时间 S 开阀时间 关阀时间 最小井口 关断压力 最大井 口 关断压力 最小 井 口 关断压力 最大井口 关断压力 1 ． 8 2． 3 1 ． 6 1 ． 8 3 地面控制井下安全阀 在最小井口关断压力条件下 ，利用高压液压控制 系统 ，对打开或关闭井下安全 阀所需 的时间进行模拟 分析 ，分析结果表明打开井下安全阀需要 2 ． 1 1 S ， 关闭井下安全阀需要 1 ． 4 S 。 4 开单 口井 在最大井口关断压力条件下 ，对采气树阀门组打 开所需的时间进行模拟分析，分析结果表明在最大 井 口关断压力下，打开单个井口采气树 包括 2个 5 1 ／ 8 ”阀门和 3个 2 1 ／ 1 6 ”阀门，但不含气嘴所需 的时间见表 3 。 表 3 打开单井 不含气嘴 所 需时间 一力 最大井口压力 2 1 ． 9 1 0 ． 4 加． 8 1 4 ． 5 6 在最大井 口关断压力下 ，打开单个井 口采气树 包括 2个 5 1 ／ 8 ”阀门、3个 2 1 ／ 1 6 ”阀门和气嘴 所需 的时间见表 4 。 表 4 打开单井 含气嘴所需时间 井 口 压 力 蒿 最大井 口压力 2 1 ． 9 1 5 ． 6 2 0 ． 9 6 8 1 4 ． 5 6 5 液压系统压力恢复时间 在下一个5 1 ／ 8 ” 阀门能够操作之前 ，液压系统 的压力要恢复到要求的工作压力时间为 2 m i n ，对于 2 1 ／ 1 6 ” 阀门 ，系统压力恢复时间为 1 ra i n 。 6 液 压系统充压时 间 以脐带缆单根液压管线为例，对低压系统和高压 系统分别进行充压模拟分析，分析结果表明当最远 端采 气树 S C M 充 压至 低 压 系统 调定 压 力 的 9 5 ％ 时 即2 0 ． 8 MP a ，低压脐带缆管线的充压完成 ，充压 所需的时间为3 0 1 4 S ；当最远端采气树 S C M充压至 高压系统设定压力的9 5 ％时 即5 0 ． 3 M P a ，高压脐 带缆 管线 的压 力充 压 完成 ，充 压所 需 的 时 间为 2 51 3 S 。 7 E S D情况下的泄压时间 以低压液压系统为例进行 E S D泄压时间模拟分 析，系统的响应时间见表 5 。 表 5 E S D响应时 间 描述 E S D响应时间 最远端阀门执行器在 l 9 8 8 ． 2 5 s 后开始 低压系统 E S D，关闭，在 2 1 5 1 ． 9 S时阀门完全关闭。 最小井口压力在方向控制阀解锁前执行器开始关闭， 在方向控制阀解锁后完全关闭 最远端阀门执行器 1 4 2 2 s 后开始关闭 ， 低压系统 E S D，在 2 2 2 3 ． 4 S 时阀门完全关 闭。在方向 最大井口压力控制阀解锁前执行器开始关闭，在方向 控制阀解锁后完全关闭 4总结 通过模拟分析计算 ，并通过实际生产操作验证了 系统所需的开、关时间和操作稳定性 ，从而确保了系 统性能在各种操作模式下的安全性和可操作性。随着 水下液压控制系统模拟分析方法的成功应用，势必在 以复合电液控制为基础 的深水油气 田开发 中发挥举 足 轻重的作用。 参考文献 【 1 】 张涛， 刘立新 ， 刘冬冬， 等． 深水液压控制系统分析研究 [ C] ／ ／ 第十五届中国海洋 岸 工程学术讨论会论文集 ， 北京 ， 2 0 1 1 1 6 9 41 6 9 6 ． 【 2 】 曹玉平， 阎祥安． 液压传动与控制 [ M ] ． 天津 天津大学 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 3 】 汪志明， 田春和． 水下生产控制系统的比较与选择[ J ] ． 中国海洋平台， 2 0 0 7 ， 2 2 3 4 7 5 1 ．