CN102425587A - 水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统 - Google Patents

水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统 Download PDF

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周美珍
顾临怡
程寒生
王宇臣
李林
徐鹏
杜浩博
高明
琚选择
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Abstract

一种水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，包括：液压动力站、高压舱、供油脐带管、水下分配模块、水下控制模块、执行器模块、回油脐带管、高压舱回油管，其中，液压动力站分别通过高压舱供油管与高压舱、供油脐带管连接，供油脐带管与水下分配模块入口连接，水下分配模块出口分别与水下控制模块、执行器模块连接，执行器模块与回油脐带管相连，回油脐带管与高压舱回油管连接，高压舱回油管与液压动力站相连，通过上述连接构成一液压控制系统物理仿真试验系统。本发明作为水下生产设施液压控制系统的试验平台，可以较为精确的完成对实际工程中，整个水下液压控制系统的模拟与研究。

Description

水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统
技术领域
本发明涉及试验系统，尤其涉及一种用于对水下生产设施液压控制统进行模拟试验的水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统。属于海洋石油工程领域。
背景技术
目前，水下生产设施主要采用液压控制方式来实现水下生产的远程操作。水下生产设施液压控制系统主要用于控制水下生产设施上采油树执行器的动作，进而控制采油树闸阀和井下安全阀的开关，完成原油输送、化学物质注射和安全生产切断等。
液压控制系统的主要组成部分有：液压动力站HPU(Hydraulic PowerUnit)、脐带管缆(Umbilical)、水下分配模块SDU(Subsea DistributionUnit)、水下控制模块SCM(Subsea Control Model)及执行器(Actuator)，其中，执行器包括：典型的失效安全执行器和井下安全阀。液压动力站(HPU)是给液压系统提供动力的液压动力单元，它有一个高压油源和一个低压油源，分别接在脐带管中高、低压供油管上。液压油通过较长距离的供油管，经由水下液压分配单元(SDU)传送到水下控制模块(SCM)，水下控制模块(SCM)上设有控制执行器的液压阀组。由液压阀组引出的液压管线直接控制水下生产设施(如：水下采油树阀门或管汇)上的液压执行器，控制液压阀的开关，从而达到控制工艺流体通断的目的。其中，高压液压系统主要用于控制井下安全阀，低压系统主要用于控制泥面以上的设施。水下生产设施液压控制系统分为：开式与闭式两种类型，开式液压控制系统与闭式液压控制系统相比区别在于：取消了回油脐带管，系统回油直接排入海中。
在液压系统的设计过程中，需通过对实际系统的模拟来分析液压系统中主要元件对液压系统性能的影响，为关键元件的参数合理选取提供依据。
由于海洋油气开发具有投资高、风险大、产出高的特点，如直接将水下液压元件放置于海底进行试验，其风险太大，且随着开发水深的不断增加，深海的试验环境与水面上的试验环境存在明显差异，而不同的试验环境对水下液压元件的性能有着极大的影响，这给试验系统的搭建带来了极大的不便。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其作为水下生产设施液压控制系统的试验平台，可以较为精确的完成对实际工程中，整个水下液压控制系统的模拟与研究。
本发明的目的是由以下技术方案实现的：
一种水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其特征在于：包括：液压动力站、高压舱、供油脐带管、水下分配模块、水下控制模块、执行器模块、回油脐带管、高压舱回油管，其中，液压动力站分别通过高压舱供油管与高压舱、供油脐带管连接，供油脐带管与水下分配模块入口连接，水下分配模块出口分别与水下控制模块、执行器模块连接，执行器模块与回油脐带管相连，回油脐带管与高压舱回油管连接，高压舱回油管与液压动力站相连，通过上述连接构成一液压控制系统物理仿真试验系统。
所述高压舱供油管与高压舱、供油脐带管之间通过穿舱液压管线接口相连；供油脐带管通过一串接深水蓄能器的油路与水下分配模块入口连接；回油脐带管通过穿舱液压管线接口与高压舱回油管连接。
所述水下控制模块包括：一组两位三通电液换向阀及控制执行器模块，其中，每个两位三通电液换向阀对应控制一个执行器模块。
所述执行器模块包括：闸阀与一液压缸或球阀与液压缸组合，液压缸中设有开启腔、关闭腔及弹簧腔，其中，液压缸开启腔与关闭腔之间设有一活塞，液压缸伸出杆与闸阀或球阀的阀杆相连；弹簧腔中安装有一复位弹簧，液压缸弹簧腔上联接一个压力补偿器。
所述液压缸关闭腔通过一依次串接开闭式系统转换阀和回油皮囊的油路与管道终端或回油脐带管相连。
所述串接开闭式系统转换阀为两位三通电磁换向阀。
所述水下控制模块中的两位三通电液换向阀的P口与水下分配模块出口相连，两位三通电液换向阀的T口与执行器模块中的液压缸关闭腔连接；两位三通电液换向阀的A口与液压缸开启腔连接，液压缸弹簧腔与压力补偿器连接，液压缸关闭腔与回油脐带管相连；两位三通电液换向阀的信号线集成之后，通过穿舱水密接插件与设在高压舱外的信号发生器相连。
所述高压舱为超高压容器，其中，舱盖上安装有穿舱液压管线接口与穿舱水密接插件，将控制流体和控制信号分别传入舱内液压系统中；水下蓄能器为超高压囊式不锈钢蓄能器。
所述水下分配模块为多油路集成块，包括：一条主油路和数个分支油路，主油路为入口，分支油路为出口。
所述液压动力站包括：油箱部装、吸油过滤器、超高压柱塞泵、超高压溢流阀、超高压单向阀、电动机、超高压蓄能器、超高压过滤器、超高压节流阀、超高压减压阀、手动换向阀、低压节流阀、耐震压力表、涡轮流量计、快速接头，其中，电动机与超高压柱塞泵连接，吸油过滤器安装于超高压柱塞泵与油箱部装之间，超高压柱塞泵出口处并联超高压溢流阀，超高压柱塞泵通过一条依次串接有超高压单向阀、超高压蓄能器、超高压过滤器、超高压节流阀、超高压减压阀的油路连接至手动换向阀的P口，手动换向阀的T口通过低压节流阀连接至油箱部装，手动换向阀的A口通过一串接有耐震压力表、涡轮流量计、快速接头的油路连接至高压舱供油管，手动换向阀的B口与高压舱回油管相连。
本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其作为水下生产设施液压控制系统的试验平台，可以较为精确的完成对实际工程中，整个水下液压控制系统的模拟与研究。
下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细说明。
附图说明：
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明开式系统结构示意图。
图3为本发明闭式系统结构示意图。
图中主要标号说明：
1.油箱部装、2.吸油过滤器、3.超高压柱塞泵、4.超高压溢流阀、5.超高压单向阀、6.电动机、7.超高压蓄能器、8.超高压过滤器、9.超高压节流阀、10.超高压减压阀、11.手动换向阀、12.低压节流阀、13.耐震压力表、14.涡轮流量计、15.快速接头、16.高压舱供油管、17.高压舱回油管、18.穿舱液压管线接口、19.穿舱水密接插件、20.供油脐带管、21.水下蓄能器、22.水下分配模块、23.水下控制模块、24.两位三通电液换向阀、25.执行器模块、26.压力补偿器、27.活塞、28.液压缸开启腔、29.液压缸弹簧腔、30.液压缸伸出杆、31.液压缸关闭腔、32.开闭式系统转换阀、33.管道终端、34.回油皮囊、35.回油脐带管、36.信号线、37.信号发生器、38.高压舱、39.液压动力站。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：液压动力站39、高压舱供油管16、高压舱38、供油脐带管20、水下蓄能器21、水下分配模块22、水下控制模块23、执行器模块25、开闭式系统转换阀32、回油皮囊34、回油脐带管35、高压舱回油管17、信号发生器37，其中，液压动力站39分别通过高压舱供油管16与高压舱38、供油脐带管20连接，高压舱38、供油脐带管20与高压舱供油管16之间通过穿舱液压管线接口18相连，供油脐带管20通过一串接水下蓄能器21的油路与水下分配模块22入口连接，水下分配模块22出口与水下控制模块23中两位三通电液换向阀24的P口相连，两位三通电液换向阀24的T口与执行器模块25中的液压缸关闭腔31连接，两位三通电液换向阀24的A口与液压缸开启腔28连接，液压缸弹簧腔29与压力补偿器26连接，液压缸关闭腔31通过一依次串接开闭式系统转换阀32和回油皮囊34的油路与管道终端33或回油脐带管35相连，回油脐带管35通过穿舱液压管线接口18与高压舱回油管17连接，高压舱回油管17与液压动力站39相连，所有的两位三通电液换向阀的信号线36集成之后，通过穿舱水密接插件19与设在高压舱38外的信号发生器37相连。
水下控制模块23包括：一组两位三通电磁换向阀24及控制执行器模块25，其中，一个两位三通电液换向阀24对应控制一个执行器模块25，在本实施例中，一组两位三通电液换向阀24与执行器模块25均为2个。两位三通电液换向阀24的数量由工程实际中执行器元件个数决定，其控制信号由信号发生器37产生，通过信号线36传送至阀体，所有换向阀并联于液压系统中，通过高压罩壳组装为一体。
执行器模块25包括：闸阀与一液压缸或球阀与弹簧液压缸组合而成，液压缸中设有液压缸开启腔28、液压缸关闭腔31及液压缸弹簧腔29，其中，液压缸开启腔28与液压缸关闭腔31之间设有一活塞27，液压缸伸出杆与闸阀或球阀的阀杆相连；关闭弹簧腔29中安装有一复位弹簧，液压缸弹簧腔29上联接一个压力补偿器26。
本实施例：高压舱38为超高压容器，需具有优良的密封性，其中，舱盖上安装有穿舱液压管线接口18与穿舱水密接插件19，将控制流体和控制信号分别传入舱内液压系统中，高压舱38内压力与工程实际中海底压力相同。
水下分配模块22为多油路集成块，包括：一条主油路和若干分支油路，主油路为入口，分支油路为出口。
信号发生器37为开关电源，具有多个开关可控制多路信号。
水下蓄能器21为超高压囊式不锈钢蓄能器，蓄能器的容积及预充压力与工程实际中的水下蓄能器性能参数相同。
液压动力站39包括：油箱部装1、吸油过滤器2、超高压柱塞泵3、超高压溢流阀4、超高压单向阀5、电动机6、超高压蓄能器7、超高压过滤器8、超高压节流阀9、超高压减压阀10、手动换向阀11、低压节流阀12、耐震压力表13、涡轮流量计14、快速接头15，其中，电动机6与超高压柱塞泵3连接，驱动超高压柱塞泵3正常工作，吸油过滤器2安装于超高压柱塞泵3与油箱部装1之间，超高压柱塞泵3出口处并联超高压溢流阀4，超高压柱塞泵3通过一条依次串接有超高压单向阀5、超高压蓄能器7、超高压过滤器8、超高压节流阀9、超高压减压阀10的油路连接至手动换向阀11的P口，手动换向阀11的T口通过低压节流阀12连接至油箱部装1，手动换向阀11的A口通过一串接有耐震压力表13、涡轮流量计14、快速接头15的油路连接至高压舱供油管16，手动换向阀11的B口与高压舱回油管17相连。
系统工作时，液压动力站39中的电动机6带动超高压柱塞泵3工作，控制流体从油箱部装1中流出，经过吸油过滤器2滤去一部分杂质，进入超高压柱塞泵3。超高压溢流阀4对超高压柱塞泵3的出口压力进行调定。流体通过超高压单向阀5，进入超高压蓄能器7储存，而多余的流体则通过超高压过滤器8进一步过滤后，流经超高压节流阀9、超高压减压阀10、手动换向阀11与快速接头15，通过高压舱供油管16进入舱内的液压系统中，并对水下蓄能器21进行充压直至达到其工作压力，高压舱供油管16上安装有耐震压力表13、涡轮流量计14，用于测量高压舱供油管16内流体的压力及流量。
高压舱38内的环境压力与实际工况中水下环境压力相等，此时，高压舱38内的液压元件等效于安置在海底。水下控制模块23中的两位三通电液换向阀24由两个先导电磁阀控制。当左侧的电磁阀得电时，两位三通电液换向阀24开启，控制流体进入液缸开启腔28，在流体压力的作用下，活塞27向前运动通过液压缸伸出杆30推动阀门，使其开启；当右侧的电磁阀得电或主阀上下游压差小于一定值时，两位三通电液换向阀24复位，流体不再进入液压缸开启腔28，液压缸伸出杆30在弹簧力的作用下复位，阀门关闭。
如图2所示，开闭式系统转换阀32为两位三通电磁换向阀，其控制信号由信号发生器37产生，通过信号线36传送至阀体。工作时，开闭式系统转换阀32得电，两位三通电液换向阀24的P口与T口相通，构成开式水下控制系统。当需要开启阀门时，两位三通电液换向阀24左侧电磁铁得电，控制流体流入液压缸开启腔28，推动活塞27前进，并压缩液压缸关闭腔31，使其内的流体通过开闭式系统转换阀32及管道终端33排入高压舱38内；当需要关闭阀门时，两位三通电液换向阀24右侧电磁铁得电，两位三通电液换向阀24、液压缸开启腔28、液压缸关闭腔31以及之间的管道，形成闭合差动回路，在弹簧力的作用下，活塞27复位，并压缩液缸开启腔28，控制流体在这个闭路中循环流动，而多余的流体部分流入回油皮囊34中，其余部分则通过开闭式系统转换阀32及管道终端33排入高压舱38内。
如图3所示，开闭式系统转换阀32失电复位，两位三通电液换向阀24的P口与A口相通，构成闭式水下控制系统。当需要开启阀门时，两位三通电液换向阀24左侧电磁铁得电，控制流体流入液压缸开启腔28，推动活塞27前进压缩液压缸关闭腔31，使其内的流体通过开闭式系统转换阀32流入回油脐带管35中，并经由高压舱回油管17流回油箱部装1；当需要关闭阀门时，两位三通电液换向阀24右侧电磁铁得电，两位三通电液换向阀24、液压缸开启腔28、液压缸关闭腔31以及之间的管道，形成闭合差动回路，在弹簧力的作用下活塞27复位，活塞27压缩液压缸开启腔28，控制流体在这个闭路中循环流动，而多余的流体则通过开闭式系统转换阀32流入回油皮囊34中，并最终经由高压舱回油管17流回油箱部装1。
当整个系统长时间停止工作时，切换手动换向阀11，系统中的流体便通过手动换向阀11和低压节流阀12流回油箱部装1。
上述各种阀、液压缸、油管、管线接口、密接插件、压力补偿器、回油皮囊、信号发生器为现有技术或采用现有技术制造。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其特征在于：包括：液压动力站、高压舱、供油脐带管、水下分配模块、水下控制模块、执行器模块、回油脐带管、高压舱回油管，其中，液压动力站分别通过高压舱供油管与高压舱、供油脐带管连接，供油脐带管与水下分配模块入口连接，水下分配模块出口分别与水下控制模块、执行器模块连接，执行器模块与回油脐带管相连，回油脐带管与高压舱回油管连接，高压舱回油管与液压动力站相连，通过上述连接构成一液压控制系统物理仿真试验系统。
2.根据权利要求1所述的水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其特征在于：所述高压舱供油管与高压舱、供油脐带管之间通过穿舱液压管线接口相连；供油脐带管通过一串接深水蓄能器的油路与水下分配模块入口连接；回油脐带管通过穿舱液压管线接口与高压舱回油管连接。
3.根据权利要求1所述的水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其特征在于：所述水下控制模块包括：一组两位三通电液换向阀及控制执行器模块，其中，每个两位三通电液换向阀对应控制一个执行器模块。
4.根据权利要求1所述的水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其特征在于：所述执行器模块包括：闸阀与一液压缸或球阀与液压缸组合，液压缸中设有开启腔、关闭腔及弹簧腔，其中，液压缸开启腔与关闭腔之间设有一活塞，液压缸伸出杆与闸阀或球阀的阀杆相连；弹簧腔中安装有一复位弹簧，液压缸弹簧腔上联接一个压力补偿器。
5.根据权利要求4所述的水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其特征在于：所述液压缸关闭腔通过一依次串接开闭式系统转换阀和回油皮囊的油路与管道终端或回油脐带管相连。
6.根据权利要求5所述的水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其特征在于：所述串接开闭式系统转换阀为两位三通电磁换向阀。
7.根据权利要求1或3所述的水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其特征在于：所述水下控制模块中的两位三通电液换向阀的P口与水下分配模块出口相连，两位三通电液换向阀的T口与执行器模块中的液压缸关闭腔连接；两位三通电液换向阀的A口与液压缸开启腔连接，液压缸弹簧腔与压力补偿器连接，液压缸关闭腔与回油脐带管相连；两位三通电液换向阀的信号线集成之后，通过穿舱水密接插件与设在高压舱外的信号发生器相连。
8.根据权利要求1或2所述的水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其特征在于：所述高压舱为超高压容器，其中，舱盖上安装有穿舱液压管线接口与穿舱水密接插件，将控制流体和控制信号分别传入舱内液压系统中；水下蓄能器为超高压囊式不锈钢蓄能器。
9.根据权利要求1所述的水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其特征在于：所述水下分配模块为多油路集成块，包括：一条主油路和数个分支油路，主油路为入口，分支油路为出口。
10.根据权利要求1所述的水下生产设施液压控制系统物理仿真试验系统，其特征在于：所述液压动力站包括：油箱部装、吸油过滤器、超高压柱塞泵、超高压溢流阀、超高压单向阀、电动机、超高压蓄能器、超高压过滤器、超高压节流阀、超高压减压阀、手动换向阀、低压节流阀、耐震压力表、涡轮流量计、快速接头，其中，电动机与超高压柱塞泵连接，吸油过滤器安装于超高压柱塞泵与油箱部装之间，超高压柱塞泵出口处并联超高压溢流阀，超高压柱塞泵通过一条依次串接有超高压单向阀、超高压蓄能器、超高压过滤器、超高压节流阀、超高压减压阀的油路连接至手动换向阀的P口，手动换向阀的T口通过低压节流阀连接至油箱部装，手动换向阀的A口通过一串接有耐震压力表、涡轮流量计、快速接头的油路连接至高压舱供油管，手动换向阀的B口与高压舱回油管相连。
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