NO153232B

NO153232B - PROCEDURE AND DEVICE FOR REDUCING THE RESPONSE TIME FOR REMOTE CONTROL, HYDRAULIC CONTROL SYSTEMS

Info

Publication number: NO153232B
Application number: NO832958A
Authority: NO
Inventors: Egil Godal
Original assignee: Egil Godal
Priority date: 1983-08-17
Filing date: 1983-08-17
Publication date: 1985-10-28
Also published as: NO153232C; NO832958L

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og en innretning for reduksjon av trykkresponstiden for en hydraulisk ledning i et fjernstyrt, hydraulisk styresystem, ved hvilken det hydrauliske fluidum som tilføres til ledningen ved dennes nære ende, utsettes for et trykkpådrag for oppnåelse av et ønsket trykknivå i ledningens fjerne ende, idet trykkpådraget varieres for å redusere responstiden. The invention relates to a method and a device for reducing the pressure response time for a hydraulic line in a remotely controlled hydraulic control system, whereby the hydraulic fluid that is supplied to the line at its near end is subjected to a pressure application to achieve a desired pressure level at the far end of the line , as the pressure applied is varied to reduce the response time.

I styresystemer for undersjøiske oljeboringsinstal-lasjoner kan det være nødvendig å benytte hydrauliske styre-ledninger med en lengde på flere kilometer. Dette er særlig tilfelle på olje/gassfelter på store havdyp hvor det er aktuelt å benytte en hydraulisk styreenhet som installeres på havbunnen på stor avstand fra selve den tilhørende produksjonsplattform e.l. som styres ved hjelp av styreenheten. I sådanne styresystemer er trykkresponstiden en meget viktig faktor, og denne må blant annet av sikkerhetsmessige grunner være så liten som mulig. Ved måling av tidsresponsen i den fjerntliggende ende av en lang hydraulisk ledning viser det seg imidlertid at trykkresponstiden stiger vesentlig når operasjonstrykket økes over en viss grense, slik at responstiden under visse opera-sjonsbetingelser blir uakseptabelt lang ved de operasjonstrykk som må benyttes i praksis. In control systems for underwater oil drilling installations, it may be necessary to use hydraulic control lines with a length of several kilometres. This is particularly the case on oil/gas fields at great sea depths, where it is relevant to use a hydraulic control unit that is installed on the seabed at a great distance from the associated production platform itself, etc. which is controlled using the control unit. In such control systems, the pressure response time is a very important factor, and for safety reasons, among other things, this must be as short as possible. When measuring the time response at the remote end of a long hydraulic line, however, it turns out that the pressure response time increases significantly when the operating pressure is increased above a certain limit, so that the response time under certain operating conditions becomes unacceptably long at the operating pressures that must be used in practice.

For å redusere responstiden i tidligere kjente, hydrauliske undervannsstyresystemer, har man benyttet lavviskøse væsker og/eller stive rør i forbindelse med kontinuerlig trykkpådrag, eller man har øket trykkledningens innvendige diameter. Fra norsk patentsøknad nr. 812516 er det videre kjent en metode ved hvilken det i rørledningen innføres en pulsendring av en størrelse som er vesentlig større enn trinnendringen i inn-gangstrykket i en tidsperiode som er vesentlig kortere enn påvirkningstiden. Denne metode forutsetter imidlertid at man har tilgjengelig et trykk som er høyere enn vedlikeholdstrykket, og den er ikke brukbar når vedlikeholdstrykket er lik det maksimalt tilgjengelige trykk. In order to reduce the response time in previously known hydraulic underwater control systems, low-viscosity liquids and/or rigid pipes have been used in connection with continuous pressure application, or the inner diameter of the pressure line has been increased. From Norwegian patent application no. 812516, a method is also known by which a pulse change of a magnitude that is significantly greater than the step change in the input pressure is introduced in the pipeline in a time period that is significantly shorter than the exposure time. However, this method requires that a pressure is available that is higher than the maintenance pressure, and it is not usable when the maintenance pressure is equal to the maximum available pressure.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en innretning som innebærer en vesentlig reduksjon av trykkresponstiden i forhold til hva som oppnås med den tidligere kjente teknikk, uten at man trenger et trykk The purpose of the invention is to provide a method and a device which entails a significant reduction of the pressure response time in relation to what is achieved with the previously known technique, without the need for a pressure

som er høyere enn vedlikeholdstrykket. which is higher than the maintenance pressure.

Ovennevnte formål oppnås med en fremgangsmåte av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at det hydrauliske fluidum i ledningens nære ende utsettes for et kontinuerlig pulset pådrag inntil det ønskede trykknivå er oppnådd. The above-mentioned purpose is achieved with a method of the type indicated at the outset which, according to the invention, is characterized by subjecting the hydraulic fluid at the near end of the line to a continuous pulsed application until the desired pressure level is achieved.

En innretning for det nevnte formål omfatter en anordning for å utsette det hydrauliske fluidum som tilføres til ledningen ved dennes nære ende, for et varierende trykkpådrag for oppnåelse av en trykkrespons i ledningens fjerne ende, og er kjennetegnet ved at pådragsanordningen omfatter en pulsatoranordning som er innrettet for kontinuerlig pulsing av fluidumstrømmen inn i eller ut av ledningen, i avhengighet av om ledningen skal opplades eller utlades. A device for the aforementioned purpose includes a device for subjecting the hydraulic fluid supplied to the line at its near end to a varying pressure application to achieve a pressure response at the far end of the line, and is characterized by the application device comprising a pulsator device which is arranged for continuous pulsing of the fluid flow into or out of the line, depending on whether the line is to be charged or discharged.

Ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen oppnås at den gjennomsnittlige strømningsmotstand i ledningen reduseres vesentlig, med det resultat at ledningen opplades eller utlades betydelig raskere enn dersom konvensjonell teknikk ble benyttet på et tilsvarende system. Blant de fordeler som oppnås med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, er at fjern-styrte, hydrauliske undervannsstyresystemer kan benyttes på større avstander og/eller med et rørsystem som har mindre dimensjoner og følgelig er billigere, uten å overskride maksimalt tillatelige responstider. With the help of the method according to the invention, it is achieved that the average flow resistance in the line is significantly reduced, with the result that the line is charged or discharged significantly faster than if conventional techniques were used on a similar system. Among the advantages achieved with the method according to the invention is that remote-controlled, hydraulic underwater control systems can be used at greater distances and/or with a pipe system that has smaller dimensions and is consequently cheaper, without exceeding the maximum permissible response times.

Ved den foreliggende fremgangsmåte utnyttes væskens fysiske egenskaper på en måte som kan sammenfattes i følgende to hovedpunkter: 1 ) I det laminære område utnyttes ledningens forholdsvis In the present method, the physical properties of the liquid are used in a way that can be summarized in the following two main points: 1 ) In the laminar area, the line's relatively

hurtige impulsresponsegenskaper. fast impulse response characteristics.

2) I det turbulente område utnyttes overgangstiden mellom laminær og turbulent strømning på en slik måte at den midlere strømningsmotstand blir lavere enn dersom man la på et kontinuerlig pådrag og turbulent strømningsmotstand fikk utvikle seg fullt ut. 2) In the turbulent area, the transition time between laminar and turbulent flow is utilized in such a way that the average flow resistance is lower than if a continuous load were applied and turbulent flow resistance was allowed to develop fully.

Når det gjelder trykkresponser på fluidumledninger, er det en kjent sak at impulsresponsen er mye hurtigere enn tr innresponsen, slik det eksempelvis fremgår av fig. 6 på side 552 i en artikkel med tittelen "The Transient Response of Fluid Lines" av F.T. Brown i Journal of Basic Engineering, desember 1962, sidene 547-553. Artikkelen inneholder en mate-matisk analyse av transientresponsen på uniforme, lineære transmisjonsledninger, og det er vist at en spesiell transient-respons kan beregnes ved å oppdele inngangssignalet i en rekke impulser eller trinn og superponere responsene på hver av disse. De matematiske forhold som behandles i artikkelen, har imidlertid ingen sammenheng med de fysiske forhold som ligger til grunn for den foreliggende oppfinnelse. When it comes to pressure responses on fluid lines, it is a well-known fact that the impulse response is much faster than the pressure response, as can be seen, for example, from fig. 6 on page 552 of an article entitled "The Transient Response of Fluid Lines" by F.T. Brown in Journal of Basic Engineering, December 1962, pages 547-553. The article contains a mathematical analysis of the transient response of uniform, linear transmission lines, and it is shown that a particular transient response can be calculated by dividing the input signal into a series of impulses or steps and superimposing the responses on each of these. The mathematical conditions dealt with in the article, however, have no connection with the physical conditions underlying the present invention.

Ved å utsette det hydrauliske fluidum for et kontinuerlig pulset pådrag i overensstemmelse med oppfinnelsen, utnyttes det faktum at det kreves en viss overgangstid for at en strømning skal gå over fra laminær til turbulent tilstand. Med samme trykkdifferanse i systemet vil man derved oppnå større strømningsmengde i systemet enn dersom den høye, turbulente strømningsmotstand får utvikle seg. I stedet for å vente til turbulent strømningsmotstand får utvikle seg stoppes pulsen og dermed den ugunstige strømningsmotstandsutvikling, og forløpet gjentas med ytterligere pulser, med det resultat at midlere strømningsmengde (flow) inn i systemet øker og trykket dermed oppbygges på tilsvarende kortere tid. By subjecting the hydraulic fluid to a continuous pulsed application in accordance with the invention, the fact that a certain transition time is required for a flow to transition from a laminar to a turbulent state is exploited. With the same pressure difference in the system, one will thereby achieve a greater flow rate in the system than if the high, turbulent flow resistance is allowed to develop. Instead of waiting for turbulent flow resistance to develop, the pulse is stopped and thus the unfavorable flow resistance development, and the process is repeated with further pulses, with the result that the average flow quantity (flow) into the system increases and the pressure thus builds up in a correspondingly shorter time.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjematisk riss av et hydraulisk styresystem som er forsynt med en innretning ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser skjematisk en utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen, og fig. 3 er et diagram som viser trykkresponstiden for et konvensjonelt hydraulisk styresystem og for et styresystem som arbeider i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. The invention shall be described in more detail in the following in connection with an exemplary embodiment with reference to the drawings, where fig. 1 shows a schematic diagram of a hydraulic control system which is provided with a device according to the invention, fig. 2 schematically shows an embodiment of the device according to the invention, and fig. 3 is a diagram showing the pressure response time for a conventional hydraulic control system and for a control system operating in accordance with the method according to the invention.

Det på fig. 1 viste styresystem omfatter en trykkgiver i form av en pumpe 1 og et akkumulatorbatteri 2 som er koplet via en pulsatoranordning 3 til en hydraulisk ledning 4 ved ledningens nære ende 5. Ledningens fjerntliggende ende 6 er koplet til det styrte anlegg, f.eks. et brønnhode etc. for en oljebrønn, som bare er representert ved en delvis vist ventil 7. Trykkgiveren er koplet til pulsatoranordningen 3 over en tilførselsledning 8, mens en returledning 9 fører fra pulsatoren That in fig. The control system shown in 1 comprises a pressure transmitter in the form of a pump 1 and an accumulator battery 2 which is connected via a pulsator device 3 to a hydraulic line 4 at the line's near end 5. The remote end 6 of the line is connected to the controlled plant, e.g. a wellhead etc. for an oil well, which is only represented by a partially shown valve 7. The pressure transmitter is connected to the pulsator device 3 via a supply line 8, while a return line 9 leads from the pulsator

til et hydraulikkfluidumresKirvoar 10. to a hydraulic fluid reservoir 10.

En utførelse av pulsatoranordningen er nærmere vist på fig. 2 hvor det for tilsvarende deler på fig. 1 og 2 er benyttet samme henvisningstali som på fig. 1. Anordningen omfatter to kontinuerlig regulerbare pådragsventiler,. nærmere bestemt en første ventil 11 for trykkopplading av den hydrauliske ledning 4, og en andre ventil 12 for utlading av ledningen. Pådragsventilene 11, 12 styres i den viste utførelse av en elektronisk styreenhet 13 som hensiktsmessig omfatter en mikroprosessor 14. Mikroprosessoren styrer pådragsventilene under hensyntagen til de aktuelle verdier av en rekke drifts-parametere som er av betydning for trykktidsreponsen, såsom rørledningens elastisitet, dimensjon og lengde, det hydrauliske fluidums elastisitet, viskositet og tetthet, ledningstrykket og tilførsels- eller returtrykket. De nevnte parametere inngår i mikroprosessorens styrealgoritme. Mikroprosessoren tar videre hensyn til om det dreier seg om en oppladings- eller utladings-funksjon, og styreenheten 13 er for dette formål forsynt med digitale innganger DI og DII som ved påvirkning av en velger 15 gir beskjed om det er en opplading eller en utlading av trykket i ledningen som ønskes. An embodiment of the pulsator device is shown in more detail in fig. 2 where for corresponding parts in fig. 1 and 2, the same reference numbers as in fig. 1. The device includes two continuously adjustable pressure valves. more specifically, a first valve 11 for pressure coupling of the hydraulic line 4, and a second valve 12 for discharging the line. The pressure valves 11, 12 are controlled in the embodiment shown by an electronic control unit 13 which appropriately includes a microprocessor 14. The microprocessor controls the pressure valves taking into account the current values of a number of operating parameters that are important for the pressure time response, such as the elasticity, dimension and length of the pipeline , the elasticity, viscosity and density of the hydraulic fluid, the line pressure and the supply or return pressure. The aforementioned parameters are included in the microprocessor's control algorithm. The microprocessor further takes into account whether it is a charging or discharging function, and the control unit 13 is for this purpose provided with digital inputs DI and DII which, by influencing a selector 15, indicate whether there is a charging or a discharging of pressure in the line as desired.

For avføling av ledningstrykket er det i ledningens 4 nære ende 5 anordnet en trykkføler 16 som er koplet til styreenheten 13 via en analog/digital-omformer 17. Styreenheten er videre koplet til pådragsventilene 11 og 12 via respektive digital/analog-omformere 1 8 og 1 9 som omformer mikroprosessorens pådragsdata til passende analoge signaler. For sensing the line pressure, a pressure sensor 16 is arranged at the near end 5 of the line 4, which is connected to the control unit 13 via an analog/digital converter 17. The control unit is further connected to the pressure valves 11 and 12 via respective digital/analog converters 1 8 and 1 9 which transforms the microprocessor's task data into suitable analogue signals.

Pulsatoranordningens funksjon er som nevnt å pulse fluidum- eller væskestrømmen inn i eller ut av den hydrauliske ledning 4 i avhengighet av om ledningen skal opplades eller utlades. Selve trykkpulsene formes av mikroprosessorstyresys-temet som i avhengighet av det målte ledningstrykk varierer pådragsventilutstyringen på en slik måte at ønsket trykkprofil oppnås. Selve trykkprofilen kan for hver puls hensiktsmessig være formet som en f.eks. lineær rampefunksjon som er positivt-eller negativtgående avhengig av om det dreier seg om opplading eller utlading. The function of the pulsator device is, as mentioned, to pulse the fluid or liquid flow into or out of the hydraulic line 4 depending on whether the line is to be charged or discharged. The pressure pulses themselves are shaped by the microprocessor control system which, depending on the measured line pressure, varies the application valve equipment in such a way that the desired pressure profile is achieved. The pressure profile itself can be suitably shaped for each pulse as an e.g. linear ramp function that is positive or negative depending on whether it is charging or discharging.

Når en trykkpuls i ledningens nære ende går i metning, stenges pådragsventilen momentant og blir værende stengt en tid. Den tid som ventilen vil være stengt, vil avhenge av væskestrømningsmengden og trykk-trinnhøyden. Når væskestrøm-ningsmengden og trykk-trinnhøyden blir tilstrekkelig liten, vil stengetiden gå mot null, og pådragsventilen vil etter det siste rampepådrag ligge konstant åpen. When a pressure pulse at the near end of the line reaches saturation, the pressure valve closes momentarily and remains closed for some time. The time that the valve will be closed will depend on the liquid flow rate and the pressure step height. When the amount of liquid flow and the pressure step height become sufficiently small, the closing time will go towards zero, and the application valve will remain constantly open after the last ramp application.

Pa fig. 3 er vist en grafisk fremstilling av trykkresponsen (i bar) som funksjon av tiden (i sekunder) ved opplading av en hydraulisk ledning, både for et konvensjonelt hydraulisk styresystem og for et system som arbeider i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Kurvene A, B og C gjelder for et konvensjonelt system, idet kurve A viser trykkpådraget fra vedkommende trykkgenerator, kurve B viser trykkforløpet i ledningens nære ende, og kurve C viser trykkresponsen i ledningens fjerne ende. Den stiplede kurve D viser trykkresponsen for et system ifølge oppfinnelsen. Som det vil fremgå, resulterer fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen i en vesentlig reduksjon av responstiden i det operasjonstrykk-område (100 - 150 bar) som er av interesse i praksis. On fig. 3 shows a graphical presentation of the pressure response (in bar) as a function of time (in seconds) when charging a hydraulic line, both for a conventional hydraulic control system and for a system that works in accordance with the method according to the invention. Curves A, B and C apply to a conventional system, as curve A shows the pressure applied by the relevant pressure generator, curve B shows the pressure progression at the near end of the line, and curve C shows the pressure response at the far end of the line. The dashed curve D shows the pressure response for a system according to the invention. As will be seen, the method according to the invention results in a significant reduction of the response time in the operating pressure range (100 - 150 bar) which is of interest in practice.

Kurvene i diagrammet er fremkommet ved hjelp av avanserte matematiske sirauleringsmodeller, og de viste respons-kurver gjelder for en hydraulisk ledning med følgende parametere . The curves in the diagram have been created using advanced mathematical simulation models, and the response curves shown apply to a hydraulic line with the following parameters.

Type: SAE 100 RIA Type: SAE 100 RIA

Lengde: 1 000 m Length: 1,000 m

Dimensjon: 3/8" Dimension: 3/8"

Væskeviskositet: 2 est. Liquid viscosity: 2 est.

Væsketetthet: 1 000 kg/m<3>Liquid density: 1,000 kg/m<3>

Claims

1. Method for reducing the pressure response time for a hydraulic line in a remotely controlled hydraulic control system, in which the hydraulic fluid supplied to the line at its near end is subjected to a pressure load to achieve a desired pressure level at the far end of the line, as the pressure load is varied to reduce the response time, characterized in that the hydraulic fluid at the near end of the line is subjected to a continuous pulsed application until the desired pressure level is achieved.

2. Method according to claim 1, characterized in that the fluid pressure at the near end of the line is sensed, and that the equipment of an application valve equipment is varied depending on the sensed pressure, in order to achieve the desired pressure profile in the line.

3. Device for reducing the pressure response time for a hydraulic line in a remotely controlled hydraulic control system, comprising a device (1, 2, 3) for exposing the hydraulic fluid supplied to the line (4) at its near end (5), for a varying pressure application to achieve a pressure response at the far end (6) of the line (4), characterized in that the application device comprises a pulsator device (3) which is designed to continuously pulsate the fluid flow into or out of the line (4), depending on whether the line is to be charged or discharged.

4. Device according to claim 3, comprising continuously adjustable pressure valves (11, 12) for respectively charging and discharging the line (4), characterized in that it comprises a device (16) for sensing the fluid pressure at the near end of the line (4) (5), and a control device (13) which is designed to vary the application valve equipment depending on the sensed pressure, to achieve the desired pressure profile in the line (4).