深水油气田电液复合式水下分配单元设计.pdf

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1、280化工自动化及仪表第43卷深水油气田电液复合式水下分配单元设计方乐崔岩(上海工程技术大学机械工程学院，上海201620)摘要分析了电液复合式水下分配单元的基本构成与功能。为提供多个水下设备的阀门执行器同时动作所需的液压动力，提出液压分配单元的管路结构优化设计方案，并对其流动情况进行了模拟仿真验证。提出以光功率分配器为核心的电气分配单元设计方案，建立基于光功率分配器的下行控制信号传输模型，并采用Optisystem软件模拟验证了其可行性。关键词电液复合式水下分配单元液压结构光功率分配器中图分类号TH86文献标识码A文章编号1000-3932(2016)03-0280-05

2、随着海洋油气田开发不断向深海推进，复合电液控制技术作为现阶段具有明显优势的成熟技术在深海油气田水下生产系统中得到广泛应用。电液复合式水下分配单元作为电液复合水下控制系统的枢纽，其研发、制造的核心技术由国外FMC、GE及PROTEC等公司掌握，目前国内尚无这方面的成熟产品。因此电液复合式水下分配单元的研制对加快我国深海油气田生产设备自主开发具有重要意义¨一1。1电液复合式水下分配单元的基本构成与功能电液复合式水下分配系统包括脐带缆终端头和水下分配单元两部分，其中水下分配单元由液压分配单元和电气分配单元组成¨1。脐带缆终端头与脐带缆相连，实现将液压和电气管线从水面到水下的分配传

3、输。液压分配单元通过液压飞线与脐带缆终端头相连，在内部金属管路上将输入端的高、低压液压液和各类化学药剂分配输送到液压分配单元的输出端，以实现为控制设备提供液压动力和为水下生产设备提供化学药剂的功能。电气分配单元也采用电气飞线和脐带缆终端头相连的方式，电气分配单元通过分线盒对输入的光(电)信号、电力实现分支输出，以实现为各水下控制模块提供控制信号和电力的功能，且电气分配系统必须设置有电气线路隔离装置以实现隔离故障电路的功能”1。海水高静压、海水腐蚀等恶劣条件都对处于深海的电液复合式水下分配单元的性能提出更高的要求。笔者以荔湾3-1深水油气田为例，分析并设计电液复合式分配单元的

4、结构。2液压分配单元2．1液压分配单元结构分析液压分配单元主要由结构框架、内部液压管路、水下多路快速接头固定端、网纹板及水下机器人操作把手等组件构成，其中结构框架起着保护、支撑内部液压管路结构和其他液压分配组件的作用HJ。水下多路快速接头通常由相互配合的两子组件构成，其固定端安装在水下设备(如脐带缆终端头、水下分配器及采油树等)上，活动端与液压飞线末端连接组成活动连接头。网纹板用于保护液压管路同时便于水下机器人对结构内部情况进行观察。水下机器人把手则为水下机器人作业提供支撑。液压分配单元设计的主要难点是内部液压管路的设计，液压管路设计方案的优劣直接影响控制系统的性能。因此需

5、优化液压分配管路以满足水下生产系统的多种复杂工况。2．2液压管路设计和数值模拟计算根据结构框架和输入、输出端布置情况，设计的液压分配单元中的某一条液压管路结构如图1所示。设计的液压控制管路总体为对称布置的六支管结构，输入、输出端口设置有液压连接器，采用三通结构实现分支。液压液通常从输入端1输入，由三通分支结构3实现流体分支分配，再经由支管收稿日期：2016-01—19(修改稿)第3期方乐等．深水油气田电液复合式水下分配单元设计28l4输出。每根支管上均可设置一个隔离球阀实现故障液压管路的隔离，通常由水下机器人操作。◇图1液压分配单元某一管路结构l——液压连接器(输入端)3—

6、—三通分支结构；2——液压管路；4——液压连接器(输出端)水下控制模块接收来自主控站的控制信号后，按照预先设置的动作顺序启闭电磁先导阀，液压系统则为之提供足够的液压动力。但多个采油树上的执行器同时工作时，液压系统经水下分配单元分支后也应确保提供的液压液足够使采油树的阀正常启闭，因此液压分配单元的管道设计关键之一是确保液压分配管路具有一定的均匀性。液压管路流体分配属于多支管分配问题，通常采用质量守恒和动量守恒对流体进行总体衡算M]。针对多个水下生产设备阀门同时动作的工况，笔者采用ANSYSl4．0中的Flunt模块分析液压分配管路，优化管路结构以保证各水下设备的正常工作。根据

7、荔湾3-1油气田实际生产情况并结合上述设计的液压分配管路，仿真分析方案采用保持进口管直径和支管直径为1／2”不变而改变总管直径的方法来分析管路优化结构。主管直径分别选取5／4",1",3／4”和I／2”,支管直径1／2”，支管间距10”，支管和主管垂直相交，并对支管从左至右按1—5编号。主管左边为高水基液压油的进口，进口流量为8L／min。水下生产系统液压油选用高水基液压油，高水基液压油密度为999．1kg／m3，运动粘度为8．49235×10—4kg／(m·s)。根据分配管流动理论，易知液压分配管路的支管背侧涡流