CN102434535A - 水下生产设施液压控制系统的等效模拟试验系统 - Google Patents

水下生产设施液压控制系统的等效模拟试验系统 Download PDF

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一种水下生产设施液压控制系统的等效模拟试验系统，包括：供油脐带缆等效模块，供油脐带缆等效模块的输入端与供油源相连，其输出端经水下控制模块与阀门执行器等效模块相连，水下控制模块的控制接口与一信号发生器相连；供油脐带缆等效模块的输出端并联安装有一水下蓄能器，水下蓄能器与阀门执行器等效模块相连，同时，水下蓄能器经回油皮囊与回油脐带缆等效模块的输入端相连，回油脐带缆等效模块的输出端经回油油路与油箱相连；经上述连接构成一等效模拟试验系统。本发明通过对实际工程中，较长距离的液压脐带缆进行长管等效模拟试验以及体积较为庞大的阀门执行器进行相似缩小模拟等试验，为水下生产设施液压控制系统，搭建起了物理仿真模型。

Description

水下生产设施液压控制系统的等效模拟试验系统
技术领域
本发明涉及模拟试验系统，尤其涉及一种用于搭建水下生产设施液压控制系统物理仿真模型的水下生产设施液压控制系统的等效模拟试验系统。属于海洋石油工程领域。
背景技术
深水油气田开发是投资高、风险大并且高新技术密集的能源工业新领域。而水下生产设施是深水开发工程中极其重要的部分。
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。在水下液压控制系统中，位于水面生产设施上的液压动力源(HPU)通过脐带缆中的液压管线将液压油输送到管汇或采油树阀门上的液压执行器，用以控制阀门的开关，从而达到控制工艺流体通断的目的。
为了确保水下系统安全、可靠地运行，根据水下生产控制系统设计和操作规范的要求，需要对水下液压控制系统在不同的操作工况下，各液压单元的响应时间、压力、流量等动态特性进行分析和验证。
由于海洋油气开发具有投资高、风险大、产出高的特点，使得利用实际设备直接测量系统技术数据的方法显得尤为必要。然而，随着开发水深的不断增加，用于液压动力传输的脐带缆长度少则数百米，多则十几甚至数十千米，加之工程实际中应用的阀门执行器体积庞大，而试验用高压舱容积却往往有限，这些都给试验系统的搭建造成了相当大的困难。
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的等效模拟试验系统，其可以通过对实际工程中，较长距离的液压脐带缆的长管等效模拟以及对体积较为庞大的阀门执行器的相似缩小模拟，为水下生产设施液压控制系统，搭建起了物理仿真模型。
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的等效模拟试验系统，其特征在于：包括：供油脐带缆等效模块、水下蓄能器、水下控制模块、阀门执行器等效模块及回油脐带缆等效模块，其中，供油脐带缆等效模块的输入端经由供油油路与供油源相连，供油脐带缆等效模块的输出端经由水下控制模块与阀门执行器等效模块相连，水下控制模块的控制接口与一信号发生器相连；而供油脐带缆等效模块的输出端并联安装有一水下蓄能器，该水下蓄能器与阀门执行器等效模块相连，同时，水下蓄能器经回油皮囊与回油脐带缆等效模块的输入端相连，回油脐带缆等效模块的输出端经由回油油路与油箱相连；经上述连接构成一等效模拟试验系统。
所述供油脐带缆等效模块和回油脐带缆等效模块结构相同，均由相同的数个等效子模块串联而成，且每个子模块均能模拟相应的液阻、液容与液感。
所述等效子模块的每个子模块分别由数根模拟长管液阻的小直径的短管、一模拟长管液感的液压马达、一飞轮及一个模拟长管液容的等效蓄能器组成，其中，液压马达的输出轴上安装有飞轮，液压马达的进、回油口分别通过端直通管接头与小直径短管相联。等效蓄能器通过三通管接头联接在液压马达出油口端的小直径短管上；三通接头的另一端与下一组等效子模块相联，并依次类推。
所述供、回油脐带缆等效模块的输入端及输出端均安装有变径接头。
所述水下控制模块为两位三通电磁换向阀。
所述阀门执行器等效模块包括：一液压缸，液压缸中设有开启腔、关闭腔及弹簧腔，其中，液压缸开启腔的入口处并联一个开启腔蓄能器，液压缸开启腔与闭合腔之间设有一活塞，弹簧腔中安装有一复位弹簧，液压缸的弹簧腔上联接一个压力补偿器。
本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其可以通过对实际工程中，较长距离的液压脐带缆进行长管等效模拟试验以及体积较为庞大的阀门执行器进行相似缩小模拟等试验，为水下生产设施液压控制系统，搭建起了物理仿真模型。
下面结合附图，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。
图中主要标号说明：
1.供油油路、2.回油油路、3.供油脐带缆等效模块、4.入口变径接头、5.小直径短管、6.端直通管接头、7.飞轮、8.液压马达、9.三通管接头、10.等效蓄能器、11.出口变径接头、12.水下蓄能器、13.水下控制模块、14.信号线、15.执行器等效模块、16.液压缸、17.关闭腔、18.活塞、19.开启腔、20.弹簧腔、21.液压缸伸出杆、22.开启腔蓄能器、23.压力补偿器、24.回油皮囊、25.入口变径接头、26.回油脐带缆等效模块、27.出口变径接头、28.油箱、29.信号发生器、30.油源。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要包括：供油脐带缆等效模块3、水下蓄能器12、水下控制模块13、阀门执行器等效模块15及回油脐带缆等效模块26等，其中，供油脐带缆等效模块3的输入端经由供油油路1与供油源30相连，供油脐带缆等效模块3的输出端经由水下控制模块13与阀门执行器等效模块15相连，同时，水下控制模块13的控制接口与信号发生器29相连；而供油脐带缆等效模块3的输出端并联安装有一水下蓄能器12，水下蓄能器12与阀门执行器等效模块15相连，回油脐带缆等效模块26的输出端经由回油油路2与油箱28相连；经上述连接构成一等效模拟试验系统。
上述供油脐带缆等效模块3和回油脐带缆等效模块26结构相同，均由相同的数个等效子模块串联而成，每个子模块均能模拟相应的液阻、液容与液感。供、回油脐带缆等效模块3、26的作用是：对工程实际中较长距离的液压脐带缆进行长管等效模拟。其模拟方法是：以流体管道液阻、液感、液容的匹配原则为理论基础，在子模块中，利用小直径短管5作为阻性元件模拟长管液阻，利用可储能的等效蓄能器10作为容性元件模拟长管液容，利用带飞轮7的液压马达8作为感性元件模拟长管液感。本实施例：液压马达8为带飞轮7的液压马达。
相对应的，工程实际系统中脐带缆越长，试验系统中所需的子模块就越多；而子模块数量越多，所模拟的管道特性就越趋近于工程实际。在本实施例中，供油脐带缆等效模块3与回油脐带缆等效模块26分别由6组子模块构成，供、回油脐带缆等效模块3、26通过设在两端的入口变径接头和出口变径接头接入等效试验系统，每个子模块分别由两根小直径短管5、一个液压马达8、一个飞轮7及一个等效蓄能器10组成。其中，模拟长管液感的液压马达8，其输出轴上装有飞轮7，其进、回油口分别通过端直通管接头6与模拟长管液阻的小直径短管5相联；模拟长管液容的等效蓄能器10通过三通管接头9联接在液压马达8出油口端的小直径短管5上；三通管接头9的另一端与下一组等效子模块相联，并依次类推；小直径短管5为钢管。
上述回油脐带缆等效模块26与供油脐带缆等效模块3的原理相同，结构相似，只是各子模块的相关参数不同。
上述阀门执行器等效模块15包括：一液压缸16，液压缸16中设有开启腔19、关闭腔17及弹簧腔20，其中，液压缸开启腔19的入口处并联一个开启腔蓄能器22，液压缸开启腔19与关闭腔17之间设有一活塞18，弹簧腔20中安装有一复位弹簧，液压缸的弹簧腔20上联接一个压力补偿器23。阀门执行器等效模块15的作用是：对工程实际中体积较为庞大的阀门执行器进行相似缩小模拟。阀门执行器的开启、闭合操作往往需要克服较大的弹簧负载。为了减小复位弹簧的规格，从而减小执行器等效模块15的体积，阀门执行器等效模块15的模拟方法是：利用一个带复位弹簧的单作用液压缸16模拟水下阀门的执行器，并在液压缸16的开启腔19的入口处并联一个开启腔蓄能器22。利用蓄能器的储能特性，选取一定容积的蓄能器并调定其预充压力，使其液容对应一定的弹簧刚度，再配合一段小规格的复位弹簧共同模拟工程实际中阀门执行器较大的弹簧负载，进而减小阀门执行器等效模块15的体积。另外，在液缸弹簧腔20上联接一个压力补偿器23，以平衡高压舱内环境压力对系统的影响。
本实施例的水下控制模块13为两位三通电磁换向阀。
在进行阀门开启操作时，信号发生器29发出控制信号，控制信号经由信号线14输给水下控制模块13-电磁换向阀得电换向。油源30经由供油油路1输出的控制流体，经由供油脐带缆等效模块3的入口变径接头4，进入供油脐带缆等效模块3。液压马达8带动飞轮7旋转。供油脐带缆等效模块3出口处并联一水下蓄能器12，以满足水下阀门的快速响应等需求(此时，等效蓄能器10与水下蓄能器12在操作执行之前，已经充压至预调工作压力)。控制流体从供油脐带缆模块3的出口变径接头11流出后，经由水下控制模块13-两位三通换向阀的进油口P进入液压缸10的开启腔19，推动液压缸10的活塞18向关闭腔方向移动，并对开启腔蓄能器22进行充压，同时，压缩位于液压缸弹簧腔20中的弹簧，此时，液缸伸出杆21伸出，联接在伸出杆21上的阀芯随之移位，即阀门打开，液压缸10的关闭腔17排出的控制流体被挤入回油皮囊24，多余的流体则流向回油脐带缆等效模块26的入口变径接头25，并经由回油脐带缆等效模块26的出口变径接头27及回油油路2排回油箱28。
在进行阀门关闭操作时，电磁换向阀13失电复位。液压缸活塞18在位于液缸弹簧腔20中的弹簧及开启腔蓄能器22的作用下复位，压缩液压缸10的开启腔19。控制流体从液压缸10的开启腔19被挤出，部分流体经由水下控制模块13-两位三通换向阀的回油口T进入液压缸10的关闭腔17，其余部分则被挤入回油皮囊24，多余的流体则流向回油脐带缆等效模块26的入口变径接头25，并经由回油脐带缆等效模块26的出口变径接头27排回油箱28。
上述飞轮、液压马达、蓄能器、液压缸、压力补偿器、回油皮囊、信号发生器为现有技术或通过现有技术制造。
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 (6)

1.一种水下生产设施液压控制系统的等效模拟试验系统，其特征在于：包括：供油脐带缆等效模块、水下蓄能器、水下控制模块、阀门执行器等效模块及回油脐带缆等效模块，其中，供油脐带缆等效模块的输入端经由供油油路与供油源相连，供油脐带缆等效模块的输出端经由水下控制模块与阀门执行器等效模块相连，水下控制模块的控制接口与一信号发生器相连；而供油脐带缆等效模块的输出端并联安装有一水下蓄能器，该水下蓄能器与阀门执行器等效模块相连，同时，水下蓄能器经回油皮囊与回油脐带缆等效模块的输入端相连，回油脐带缆等效模块的输出端经由回油油路与油箱相连；经上述连接构成一等效模拟试验系统。
2.根据权利要求1所述的水下生产设施液压控制系统的等效模拟试验系统，其特征在于：所述供油脐带缆等效模块和回油脐带缆等效模块结构相同，均由相同的数个等效子模块串联而成，且每个子模块均能模拟相应的液阻、液容与液感。
3.根据权利要求1或2所述的水下生产设施液压控制系统的等效模拟试验系统，其特征在于：所述等效子模块的每个子模块分别由数根模拟长管液阻的小直径的短管、一模拟长管液感的液压马达、一飞轮及一个模拟长管液容的等效蓄能器组成，其中，液压马达的输出轴上安装有飞轮，液压马达的进、回油口分别通过端直通管接头与小直径短管相联，等效蓄能器通过三通管接头联接在液压马达出油口端的小直径短管上；三通接头的另一端与下一组等效子模块相联，并依次类推。
4.根据权利要求1或2所述的水下生产设施液压控制系统的等效模拟试验系统，其特征在于：所述供、回油脐带缆等效模块的输入端及输出端均安装有变径接头。
5.根据权利要求1所述的水下生产设施液压控制系统的等效模拟试验系统，其特征在于：所述水下控制模块为两位三通电磁换向阀。
6.根据权利要求1所述的水下生产设施液压控制系统的等效模拟试验系统，其特征在于：所述阀门执行器等效模块包括：一液压缸，液压缸中设有开启腔、关闭腔及弹簧腔，其中，液压缸开启腔的入口处并联一个开启腔蓄能器，液压缸开启腔与闭合腔之间设有一活塞，弹簧腔中安装有一复位弹簧，液压缸的弹簧腔上联接一个压力补偿器。
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