深水水平连接器液压同步控制仿真分析.pdf

201 4年 第 3期 第 4 3卷 第 l 页 石 油矿 0l L FI ELD 场机 械 E QUI P MENT 2 0 1 4， 4 3 3 1 5 O o 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 4 0 3 0 0 0 l 一 0 5 深水水平连接器液压 同步控制仿真分析 姜宇飞 ， 赵 宏林 ， 郑利 军。 ， 李方道 ， 段梦兰 ， 罗晓兰 1 ． 中国石 油大学 北京 海 洋油气研究中心 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中海油研究总院 ， 北京 1 0 0 0 1 0 摘要 为 了保证 深 水水 平连接 器能够 完成 海底 管道 的连接 任务 ， 需采 用 4个 动作 同步 的液压 缸 来驱 动连接 器执 行 对接 动作 。为 了确保 4个液 压缸 在进 给 和 收缩 时 始终 保 持 活 塞杆 的 位移 同步 ， 设 计 了分 流 集 流 阀 同步 回路 来控 制 4个 液压 缸 的 动作 ， 并利 用 AME S i m 软 件 对 同 步 回路 模 型 进 行 仿 真， 得到 了4个液压缸的位移同步曲线和流量同步曲线。仿真结果表明 采用分流集流阀进行流量 控制 ， 可以有效提高 4个液压缸在有偏载情况下的 同步精度。 关键 词 水平 连接 器 ； 同步控 制 回路 ； 分流 集流 阀 ； AME S i m； 同步精度 中 图分 类 号 TE 9 5 2 文 献标 识码 A Hy d r a u l i c S y nc h r O ni z a t i O n Co n t r o l S i m u l a t i o n Ana l y s i so f t h e De e p wa t e r Ho r i z o n t a l Co n n e c t o r J I ANG Yu f e i ， Z HAO Ho n g l i n ， Z HENG L i j u n ， LI Fa n g q i u ， DUAN Me n g l a n ， LUO Xi a o l a n 1 ． Off s h o r e Oi l a n d Ga s Re s e a r c h Ce n t e r， C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m Be i j i n g ， Be i j i n g 1 0 2 2 4 9， Ch i n a； 2 ． CNOOCRe s e ar c h I n s t i t u t e ， Be i j i n g 1 0 0 0 1 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e ns u r e t he de e p wa t e r ho r i z on t a l c o nn e c t o r t o c o mpl e t e t he m i s s i o n o f s ubs e a pi pe l i n e c o nn e c t i o n， i t n e e ds t o us e f our hy dr a u l i c c yl i nd e r s t o d r i v e t he c o nne c t or ． I n o r de r t o e n s u r e t h e f our h yd r au l i c c y l i n de r s， pi s t on r od s t o k e e p di s pl a c e m e n t s yn c h r o ni z a t i o n a l l t he t i m e s i n f e e d a nd s h r i nk pr o c e s s， a d i v i di ng c ol l e c t i n g v a l v e i s oc hr o n ous l o op wa s de s i gne d t o c o nt r o l t he f ou r hy dr a u l i c c y l i nd e r s， a nd t he AM ESi m s o f t wa r e we r e us e d t o s i m u l a t e t he i s oe hr o no us l oo p mo de l ， a n d f o ur hyd r a ul i c c y l i nd e r s， d i s p l a c e m e nt c u r ve a nd r a t e of f l o w c ur v e we r e g o t ． The s i m ul a t i o n r e s ul t s s ho w t ha t d i v i di ng c ol l e c t i ng v a l ve c a n e on t r ol t he r a t e o f f l o w ， a nd i t c a n a l s o e f f e c t i v e l y i nc r e a s e t he f o ur hy dr a u l i c c yl i n de r s， s yn c hr o ni z a t i o n pr e c i s i o n un de r t he c o nd i t i o n o f t he un e v e n l o a d． Ke y wo r ds ho r i z on t a l c on ne c t o r； i s oc hr o no us l o op； d i vi di n g c o l l e c t i n g v a l v e； AM ESi m ； s yn e hr on i z a t i o n pr e c i s i on 液 压 控 制 技 术 已广 泛 应 用 于 各 种 工 程 机 械 领 域 ， 同 步控制 作 为液压 控 制技术 中的重要 课题 ， 由于 液压执行机构承受的负载差异 、 液压系统的泄漏 、 制 造误差等因素而难 以实现。因此 ， 设计专门的液压 收稿 日期 2 0 l 3 一 O 9 2 7 基金项 目 国家科技重大专项“ 水下管汇连接器样机研制” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 0 0 3 0 2 ； 国家科技 重大专项 “ 深水水 下生产设施 制造 、 测试 装备及技术” 2 0 1 l Z X 0 5 0 2 7 0 0 4 作者简 介 姜宇飞 1 9 8 7 一 ， 男 ， 辽宁沈 阳人 ， 硕士研究 生 ， 主要 从事水 下液压传 动与控 制研究 ， E ma i l j y f mx 1 6 4 6 5 8 7 1 6 3 ． COm。 石油 矿 场机械 同步回路并进行误差精度分析 ， 对于整个 液压系统 的设计 具有 十分 重要 的意 义[ 1 ] 。 深水水平连接器依靠 4个液压缸推动安装工具 上 的对接 板 ， 从 而 实 现 海底 管 道 之 间 的连 接 。由于 深海工作环境复杂 ， 海底管道在连接过程中， 4个液 压缸 承受 的外部 载 荷既不 平衡 也会 随时 问变化 。因 此 ， 有必 要设 计一 套适 用 于深 水 水平 连 接 器 的液压 同步控 制 回路 ， 以保 证 4个液 压缸 的 同步性 。 l 深水水平连接器工作原理 安 装 工具 是 深水 水 平 连接 器 的组成 部 分 之一 ， 其结构如图 1所示 ， 主要 由整体框架 和对接机构组 成 。其中， 对 接机 构 中包 含对 接 板、 液 压 缸 和连 接 器 。 图 1 安装工具结构 工 作原 理 安 装工 具下 放到 海底 指定位 置后 ， 对 接板在 4个液压 缸 的 作用 下 ， 将 连 接 器 与海 底 管 道 进行 对接 ， 实现 海底 管道 之间 的连接 。 由图 1可 以看 出 整 个 系统 的 设计 难 点 在 于保 证 4个液压缸的动作 同步。根据 同步性设计要求， 深水 液压 同 步 控 制 误 差 不 超 过 1 ． 5 I z ] 。因 此 ， 如 何设 计液 压 同步控 制 回路 成 为设计 整个液 压 系统乃 至设 计水 平连 接器 的关键 。 步控制 回路只适用于 同步精度要求不高、 同步缸距 离 近 、 偏 载较 小 的情 况 。水 平连 接 器 的 4个液 压 缸 呈 空 间立体 式分 布在 海 底 管 道 的 四周 。 且 各 液压 缸 间距较 大 ， 无 法通 过 各液 压 缸 刚 性连 接 的方 式实 现 同步控 制 。 2 ． 2节流 阀调 速同步 回路 节 流 阀调速 同步 回路是 通过 调节节 流 阀的过 流 截面积 来控 制进 入各 液 压 缸 的 流量 ， 从 而 控 制 各液 压 缸 的输 出速度 ， 使其相 等 ， 以达 到对各 液压 缸 的同 步控制 ] 。 该 同步控制 回路 受液压 油温 度 和节流 阀 阀 口性 能影响较大 ， 因此同步精度较低 5 ～1 o ， 同时 受误差 累积 的影 响 ， 同步 回路 运 行 几 次后 就 需 要 对 节流 阀进 行 阀 口调 整 。 水 平 连 接 器 的 工 况 位 于 1 5 0 0 m水 深且其 他执行 动作 较 多 ， 无法 经 常进行 节 流 阀的校 准调 整 ， 而且 5 ～ l 0 的 同 步 误 差 不 满 足连 接器 的 同步 设计 要求 。 2 ． 3分 流集流 阀 同步 回路 分 流 集 流 阀 同步 回路 是 利 用 负 载 压 力 反 馈 原 理 ， 补偿 负载变 化 引 起 的流 量 变 化 。通 过 阀 芯两 端 的弹簧带动阀芯移动 ， 自动调节节流 口开度， 确保通 过 2个节 流 口的流 量 相 等 ， 从 而 实现 各 液 压 缸 的 同 步 控制 E 5 6 ] 。 该同步控制回路不但能承受偏载 ， 进行 自动双 向同步 控制 ， 而且 同 步精 度 较 高 例 如 Z T B F 2型分 流集流 阀 同步误差 仅 0 ． 5 ～ 1 ． 5 。水 平 连 接器 的工 况 复杂 ， 4个 液 压缸 需 要 在 无人 工 干 涉 条 件 下 实 现双 向 同步 ， 因此在 负载存 在一 定波 动 的情 况下 ， 由分流集流阀组成的同步控制 回路更适合水平 连 接 器 。 3水平连接器同步控 制方案 2 常见液压 同步控制 回路的原理与特点 3 ．1工作 原理 2 ． 1机械 连接 式 同步 回路 机械 连接 式 同步 回路 是 通过机 械构 件 的刚性连 接或机械传动的方式 ， 将 2个或 2个 以上液压缸连 接成一个整体， 从而实现各液压缸的同步控制 。 该 同步控 制 回路结 构简单 、 工作 可靠 ， 但 对负 载 工况要求较高， 如果多个液压缸之间的负载差别较 大 ， 偏 载现 象严 重 时 ， 会造 成 活塞杆 卡死 ] 。故 该 同 根 据 深水 水 平 连接 器 的 实 际工 况 ， 选 用分 流 集 流 阀组成 4缸 同步控 制 回路 ] ， 如 图 2所 示 。定 量 液压 泵为 整个液 压 系 统提 供 动 力 ， 溢 流 阀 防止 系 统 过载 ， 三位 四通换 向 阀在 主 回路 中 同时控 制 4条液 压支路 的进 出油方 向， 以确保 液压缸活塞杆的伸 出 与 收缩 ， 分流集 流 阀调 节进 出 4个液 压 缸 的 液压 油 流量 ， 使 4个液 压缸保 持位 移 同步 。 第 4 3 卷第 3 期 姜字飞 ， 等 深水水平连接器液压 同步控制仿真分析 l 6 1 一油箱 ； 2 - - 过滤器 ； 3 --定量液压泵 ； 4 ～ 电动机 ； 5 一溢流 阀； 6 截止阀 ； 7 压力表 ； 8 减压 阀； 9 -三位 四通换 向阀； 1 o ～1 2 分 流集 流阀； 1 3 ～1 6 液压缸 图 2 四缸 同步控制液压 回路 3 ． 2 仿真 建模 利 用 AME S i m 液 压 仿 真 软 件 进 行 同 步 控 制 回 路的仿真模型建立 ， 其 中非标准元件分流集流 阀需 要 在 HC D 中 自行 建 立[ ， 如 图 3所示 。 图 3 四缸 同步控制液压仿真模型 4 同步 回路仿真结果分析 为使仿真结果更接近实际情况 ， 仿真过程 中选 用具有流体压缩性 和管道 内壁摩 擦力 的液压管线 HL 0 2 ， 仿 真 时 间为 9 0 s ， 仿 真 时 间间 隔 0 ． 1 S ， 其 余各 子模 型参 数如 表 1所示 。 表 1 仿真模型参数 参数项 数值 参数项 数值 油液密度／ 液压泵排量／ 1 O 86 2 O kgm mI r 油液体积弹 液压泵 出口 2 O．7 2 1 OO 性 模 量 ／ MP a 医 力 7 MP a 油液动力黏度／ 液压 缸活塞8 5 4 7 ． 7 8 4 直径／ mm mPaS 活塞 杆直 径／ ram 6 0 电动机转速／ 1 O O O 液压缸行程／ ram 6 2 5 rmi n 管道 内径／ l 2 液压 缸当量 1 0 O O O 壁 厚 ／ mm 2 质量 ／ 1 未使用分流集流 阀且存 在偏载工况下 ， 4 个 液压 缸 的位 移一 时 问 曲线 如 图 4所 示 。 O． 7 0． 6 0． 5 0 0． 3 0． 2 0． 1 时 li ] ／ s 图 4 未使用分 流集 流阀且存在偏 载工况 下 4个液压缸 的位移一 时间曲线 由图 4可以看出 由于没有分流集流阀的同步 控制 ， 同时各个液压缸承受负载不一致 分别为 9 5 、 1 0 0 、 1 2 0 、 1 3 0 k N ， 因 此 4个 液 压 缸的 位 移 无 法 保 持同步 ， 且存 在较 大的差距 1 9 8 ram ， 4个液压缸 的动作 极不 平衡 。由于水 平连 接器对 接板 需要 4个 液压缸 同时推动 ， 根据 4 个 液压缸 的位移差距可求 得对接板的偏转角度为 6 ． 4 。 ， 不符合连接器的设计 标准 对接板偏 转角度不超过 2 。 ， 如此大的偏角会 造成水平连接器对接动作 的卡死。 2 未使用分流集流阀且不存在偏载工况下， 4 个 液压 缸的 位移一 时 问 曲线如 图 5 所 示 。 由图 5可以看 出 虽然没有分流集流 阀的同步 石油 矿场 机械 控 制 ， 但 由 于 各 个 液 压 缸 承 受 的 载 荷 一 致 为 1 0 0 k N ， 因此 4个 液 压 缸 的 位移 差 距 相 对 较 小 约 4 0 mm 。根 据 4个 液 压 缸 的位 移 差 距 可 求 得 对 接 板 的偏 转 角 度 为 1 ． 3 。 ， 虽 然 符 合 连 接 器 的 设 计 标 准 对 接板 偏转 角度 不 超过 2 。 ， 但 是 4个液 压 缸 不存 在 偏载 的工况 ， 只 是理想 情况 。在 实际深 水环 境下 ， 由于海水流动和连接器 自重的存在 ， 所 以 4个液压 缸 承受 的载 荷不 可 能完 全 一 致 ， 因此此 种 情 况 并不 适 用于 实 际工 况 。 O ． 7 0 ． 6 ． 5 昌 0 4 O ． 3 O ． 2 o ． 1 图 5 未使用分流集流阀且不存在偏载工况 下 4 个液压缸 的位移 时间曲线 3 使用分流集流 阀且存在偏载工况下 ， 4个 液压缸 的位 移一 时 间曲线 如 图 6所示 。 0 7 O ． 6 0 ． 5 量 蠢 o 理 0 ． 3 0 ． 2 0 ． I 图 6 使用分流集流 阀且存在偏载工况 下 4个液压缸的位移一 时间曲线 由图 6可 以看 出 虽然 各 个 液 压 缸 承受 的载 荷 不 一致 分别 为 9 5 、 1 0 0 、 1 2 O 、 1 3 O k N ， 但 由于 有 分 流 集 流 阀 的 同步 控 制 ， 4个 液 压 缸 的 位移 差 距 非 常 小 约 5 ram 。根据 4个液压缸的位移差距 可求得 对接板 的偏 转角度为 0 ． 1 6 。 ， 符合连接器的设计标 准 对接 板 偏转角 度 不 超 过 2 。 ， 驱 动 对接 板 的 4个 液压缸基本保持 同步 。由此说明 分流集流 阀能够 很 好地 保证 进入 4个 液压 缸 的 油 液 流量 相 同 ， 但 是 受分流集流阀本身制造精度和分流集流阀到各个液 压缸之间的管线长度 、 拐弯角度无法绝对相等等 因 素影响， 4个液压缸的位移会存在较小 的误差， 但是 其同步控制效果已经得到了大幅改善。 4 使 用 分 流 集 流 阀且 存 在 偏 载 工 况 下 ， 4个 液压 缸进 油 口的流量 时 间 曲线 如 图 7所 示 。 罔 7 使 用分流集流阀 且存 在偏载 况下 4个液压缸进油 口的流量 时 曲线 由图 7町以看 出 虽 然 各 个 液压 缸 承 受 的 载荷 不一 致 分别 为 9 5 、 1 0 0 、 1 2 0 、 1 3 0 k N ， 但 由 于有 分 流集 流 阀的 同步控 制 ， 进 入 各 个液 压 缸 的油 液 流量 基本保持一致 ， 其 中液压缸 1的最 大进油 流量 为 4 ． 7 6 4 3 1 L ／ rai n 、 液 压 缸2 的 最 大 进 油 流 量 为 4 ． 7 4 8 5 6 L ／ rai n 、 液 压 缸3 的 最 大 进 油 流 量 为 4 ． 7 8 4 0 1 I ／ mi n 、 液 压 缸4 的 最 大 进 油 流 量 为 4 ． 7 l 8 3 3 I ／ mi n 。 4个 液压缸 的 同步误差 为 一 x二 l o o G≈0 ． 9 7 ％ 0 式 中 为 同步误差 ； Q ” Ⅲ 为输 入液 压缸 的最大 流量 ， 取 4 ． 7 6 4 3 l I ／ mi n ； Q 为输入 液 压缸 的 最小 流 量 ， 取 4 ． 7 1 8 3 3 I ／ mi n。 此 同步误差 符合水 平连 接器 的设计 和 实际T 作 要求 ， 由此 可 见 ， 分流集 流 阀组成 的 同步控 制 回路 很 好地保 证 了水平 连接 器 的动作 同步性 。 5 结 论 1 设计 的液 压 同步控制 回路 能够 在实 际工况 下 满足水 平连 接器 对 同步 性要 求 。 2 在分流集流阀作用下 ， 液压 路中 4个液 压 缸 的动 作 具 有 很 好 的 同 步 效 果 ， 同 步 误 差 约 为 0 ．9 7 参考 文献 [ 1 ] 张 绍 九． 液 压 同步 系 统 [ M] ． 北 京 化 学 工 业 出 版 社 ， 2 O 1 0 ． [ 2 ] J a s o n P o s t C u r t i s s ． 1 e e p w a t e r Hy d r a u l i c C o n t r o l S y s t e rn US ． 2 O 1 o o 0 8 4 5 8 8 [ P ] ． 2 O 1 o o 4 一 o 8 ． [ 3 ] 杨世平 ， 敖沛 ， 胡朝 刚． 液压起 升钻机 同步系 统的设 计 _ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 5 4 3 4 7 ． 0 0 0 O O 0 0 0 0 O 4 3 2 ● 0 0 一 一 { u． 1 J ＼ 衅鹾是 2 O 1 4年第 4 3 卷 第 3期 第 5页 石油 矿场 机械 OI L F I E LD E QUI PMENT 文 章 编 号 1 0 0l _ 3 4 8 2 2 0 1 4 0 3 0 0 05 05 水 下油 嘴启 动低温流 动保 障问题分析 王 东 ， 倪浩 ， 周 凯 ， 刘飞龙 海洋石油工程股份有 限公 司， 天津 3 0 0 4 5 1 摘要 以 中国 南海番 禺 3 5 1气 田为例 ， 分析 冷 井启动 工 况产 生低 温的流 动保 障 问题 。对 阀后 背压 、 开 阀 时 间等 影响 重启低 温的敏 感 因素进 行分 析 ， 揭 示 其 内在 规律 ， 并 阐明 了流 体温度 与 管壁 温度存 在 差异 的原 因， 对其 他 类似 气田水 下 生产 系统 启动低 温分 析具 有借 鉴作 用 。 关 键词 流 动保 障 ； 水下 生产 系统 ； 低 温 ； 控制 中图分 类号 TE 9 5 2 文献 标识 码 A Ana l y s i s o f Lo w Te m p e r a t u r e Fl o w As s u r a n c e a t S u b s e a Ch o k e S t a r t u p Op e r a t i o n W A NG Do ng， NI H a o， ZHOU Ka i ， LI U Fe i l o ng Off s h o r e Oi l En gi n e e r i n g Co ． ， Lt d． ， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 1， Ch i n a Abs t r a c t PY3 5 1 g a s f i e l d i n t he Sou t h Chi n a Se a i s us e d t o a n a l yz e f l o w a s s ur a n c e i s s ue o f l o w t e mpe r a t ur e i n c o l d we l l r e s t a r t u p o pe r a t i o n． Se n s i t i v i t y a n a l ys i s h a s be e n d on e f o r l o w t e mp e r a t u r e i n c ol d we l l r e s t a r t up o p e r a t i o n， f or e x a mpl e， t he ba c k p r e s s ur e o f c ho ke a nd t i me o f c h ok e op e n． Re v e a l t he i n he r e nc e r ul e a n d c l a r i f y t h e r e a s on o f di f f e r e nt i a l be t we e n f l u i d t e mpe r a t u r e a nd wa l l t e mpe r a t ur e ． I t i s r e f e r e n c e f o r a n al y s i s of l o w t e m p e r a t ur e i n ot he r s i mi l a r s ubs e a pr o d uc t i o n s y s t e m r e s t a r t up o pe r a t i o n． Ke y wo r d s f l ow a s s ur a n c e， s ub s e a p r od uc t i o n s y s t e m ， l o w t e mpe r a t ur e， c o nt r o l 流动保障作为一 门学科 ， 致力于确保油气 资源 以稳 定 、 易管 理 、 经 济 的 方 式从 油 藏 到 达 目的地 。 这是 一 门多机 能 、 多 团队 的交叉 学科 ， 影 响到从 工 程 规划 到运 作 的整个 过程 ， 包 括 的学科 领域 有 科 学 和 工程 ， 系统 设计 ， 操 作 问题 ， 系统集 成性 ， 执行 和 实 现 。流 动保 障技 术 的核心 在于 预 防和控 制管 道 中的 - t -“ 一“- 4 -” ” [ 4 ] [ 5 ] E 6 ] 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 9 ． 许立 ， 庞海 军 ， 施 志辉 ， 等． 基 于 AME S i m 的液压 同步 阀集 流工况仿真与分析[ J ] ． 机械科学与 技术 ， 2 O l 2 ， 3 1 9 1 53 5 1 53 8 ． 安四元． 分 流集 流 阀在框架 车行走 系统 中的应用 研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 3 ， 4 1 2 7 2 9 5 ． 水合 物 、 蜡 、 沥青质 、 水垢 等 固相 的沉积 ， 防止流动 通 道 的堵塞 [ 3 ] 。 流动保障技术的控制方法主要包括 3 种 ] 1 热动力控制 使系统的操作压力和温度远 离 固相形 成 的 区域 。 2 动 力学控 制控制 固相 沉积 的条 件 。 E 7 2 [ 8 ] [ 9 ] 杨月明 ， 常玉连 ， 高胜 ， 等． 井 口起 下油管作业 自动化装 置试 验与液压控制系统仿真[ J ] ． 石油矿场机 械， 2 0 1 3 ， 4 2 5 8 - i1 ． Pe t er Cha pp a 1 ．Pr i nc i pl e s of Hyd r a u l i c Sy s t e m De s i gn [ M] ． L o n d o n C o x n o o r P u b l i s h i n g C o mp a n y ， 2 0 0 3 ． 金胜秋． 基 于 AME S i m 的液压 同步 阀的仿真分析及结 构研究[ D ] ． 长春 吉林大学 ， 2 0 0 9 ． 收 稿 日期 2 0 1 3 0 8 2 1 基金项 目 国家科技 重大专项 “ 南海北部陆坡 L W3 1及周边 深 水油气 田工程设计 、 安装” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 5 6 0 0 3 0 1 作者简介 王东 1 9 8 3 一 ， 男 ， 辽宁抚顺人 ， 工程师 ， 硕士研究 生 ， 主要从事海洋石 油水下生产 系统工艺设 计与深水 流动保 障设计工作 ， E ma i l wa n g d o n g 3 ma i l ． c o o e c ． c o m． c n 。