張憲陣， 肖易萍, 張 凡 , 李 偉, 陳 偉, 白 勇

(1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451; 2. 浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所, 杭州 310058)

水下液控單元應(yīng)用現(xiàn)狀分析

張憲陣1， 肖易萍1, 張 凡2, 李 偉1, 陳 偉2, 白 勇2

(1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451; 2. 浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所, 杭州 310058)

該文首先分析了水下液控單元的主要結(jié)構(gòu)和功能，以Aker公司, Logan公司, Cross Group公司和英國Babbage公司為例，對(duì)國外在水下液控單元的制造和使用典型案例進(jìn)行調(diào)研，分析了水下液控單元主要組成部件及其技術(shù)特點(diǎn),并對(duì)水下液控單元(HPU)制造工藝進(jìn)行了初步調(diào)研。最后分析了在未來5年國內(nèi)水下生產(chǎn)設(shè)備的市場(chǎng)需求。

液控單元；制造；工藝；調(diào)研

0 引言

由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的急切需求，各大石油公司逐漸加強(qiáng)對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的海洋石油進(jìn)行開發(fā)。隨著石油勘探開發(fā)重點(diǎn)逐漸從淺海向深海轉(zhuǎn)移，國際上對(duì)水下產(chǎn)品的需求也隨之增加。水下液控單元(HPU)是深海采油不可缺少的設(shè)備，我國目前對(duì)其研究還處于起步階段，因此對(duì)HPU在國外的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，了解其基本結(jié)構(gòu)、分類及適用范圍對(duì)以后國內(nèi)的應(yīng)用以及研發(fā)工作具有重要意義。

1 水下液控單元概述

水下液控單元(HPU)的組成部件主要包括主結(jié)構(gòu)、泵、過濾系統(tǒng)、油罐、蓄能器、閥門、管件、截止和泄放系統(tǒng)以及控制面板。其中HPU主結(jié)構(gòu)采用開放式結(jié)構(gòu)以便為所有接觸型設(shè)備提供方便，同時(shí)可使占地面積最小。橇裝HPU采用4點(diǎn)提升和搬運(yùn)設(shè)計(jì)，并配有凹槽供叉車搬運(yùn)和滑行。

按照海洋油氣田開采用途不同，液壓動(dòng)力單元(HPU)可分為以下幾種：水下生產(chǎn)用HPU；上部井口用HPU；海洋平臺(tái)用HPU；鉆井用HPU；測(cè)試和沖刷用HPU；安裝和修井系統(tǒng)所用HPU。

無論是哪種液壓動(dòng)力單元，其作用都是為上部設(shè)施或者水下閥門和工具提供穩(wěn)定和清潔的高壓流體，對(duì)設(shè)備的HSE、人機(jī)界面、可靠度和流體清潔度都有很高的要求。同時(shí)，通過配置水下液控單元(HPU)相關(guān)制造設(shè)施，HPU還可用于化學(xué)試劑注入系統(tǒng)(CIU)、修井控制系統(tǒng)(IWOCS)以及其它配套產(chǎn)品的制造[1, 2]。

圖1 HPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 水下液控單元制造實(shí)例

2.1 Aker Solution 公司HPU

該液壓動(dòng)力單元由Aker Solutions公司委托EL ES DE Engineering公司為其建造。Aker Solutions公司要求所有的組件都需要用316L不銹鋼，表面處理和焊接資格依據(jù)AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)。EL ES DE Engineering公司制造車間配置有20 t行吊，并有允許方便進(jìn)入的裝卸臺(tái)。Aker Solutions公司HPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 美國Logan公司

圖2 液壓動(dòng)力單元

Logan公司制造的水下液控單元(HPU)主要組成部件包括壓力補(bǔ)償變量柱塞泵、直接動(dòng)作高壓溢流閥、10 nm全流量回路過濾器、5 nm offline(Kidney Loop)冷卻過濾器和不銹鋼儲(chǔ)液罐(帶有可以液位計(jì)和溫度計(jì))。

此外附屬組件還包括用于監(jiān)測(cè)泵工作狀態(tài)的排泄流量計(jì)、單向閥、裝有10 nm高壓過濾器的管匯、Swagelok管接頭以及壓力表、壓力變換器和傳感器。

其他可選組件還包括：電子防爆組件；氣油耐腐蝕熱交換器；噪音消減設(shè)備；PLC控制器用于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和泵的循環(huán)；實(shí)時(shí)液體清潔度監(jiān)測(cè)器；泵的吸入閥開/關(guān)安全連鎖裝置。Logan公司液壓動(dòng)力單元如圖2所示。

Logan公司除了為海上石油鉆采提供水下液控單元(HPU)外，還制造立管張緊器、IWOCS、管道張緊器、臍帶纜絞盤等。

3 水下液控單元(HPU)使用現(xiàn)狀分析

3.1 Cross Group公司 HPU

該液壓動(dòng)力單元由Cross Group公司委托Stella Maris為其設(shè)計(jì)和制造，可以提供壓力為5 000 psi的低壓控制流體，也可以供壓力為10 000 psi的高壓控制流體。該設(shè)備可用于調(diào)試、實(shí)驗(yàn)、干預(yù)海底油井，同時(shí)控制需要設(shè)計(jì)的設(shè)備及單元結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和批準(zhǔn)參照DNV2.7-1的相關(guān)準(zhǔn)則。該單元也運(yùn)用獨(dú)立的油罐來保持控制流體的清潔，從而保證使用壽命內(nèi)的清潔等級(jí)。

3.1.1 HPU的設(shè)計(jì)與制度

高壓回路(HP)的供給選擇了兩個(gè)配有Class1 Div1 25 HP 460 VAC電動(dòng)機(jī)的3.6 GPM，10 000 psi的球形柱塞選擇泵。HPU系統(tǒng)的蓄能設(shè)備由兩臺(tái)18.93 L， 453.6 kg的不銹鋼活塞蓄能器組成[3]。任何一個(gè)蓄能器都配有獨(dú)立的分隔裝置以及沿著壓力釋放的末端設(shè)置泄放閥。低壓回路(LP)的供給選擇兩個(gè)配有Class1 Div1 25 HP 460 VAC電動(dòng)機(jī)的6.0 GPM,6 000 Psi的球形柱塞選擇泵。LP系統(tǒng)的蓄能設(shè)備是由兩臺(tái)37.85 L、2 721.55 kg的氣囊式蓄能器組成，用于提供水和其他液體。任何一個(gè)LP蓄能器都配有獨(dú)立的分隔裝置以及沿著壓力釋放的末端設(shè)置泄放閥。制動(dòng)器的剩余空間可用于在未來增加兩個(gè)37.85 L, 2 721.55 kg的氣囊式制動(dòng)器。

316不銹鋼油罐包括兩個(gè)艙：一個(gè)回收部分，一個(gè)供給部分。氣囊的氣體總體積為2 082 L。一臺(tái)循環(huán)泵運(yùn)用于控制流體的循環(huán)，以保持較高的清潔程度，同時(shí)填充能力可使新的流體填充到該系統(tǒng)中。每個(gè)油罐當(dāng)中設(shè)置的取樣點(diǎn)用于對(duì)樣本進(jìn)行檢測(cè)及周期性的取樣；設(shè)置液位表可對(duì)任意位置的液位進(jìn)行檢測(cè)；電動(dòng)液位開關(guān)可用于各艙室禁止HP和LP泵在低液位下工作。

該單元采用總體控制從而使各區(qū)域的區(qū)域接觸最少。電機(jī)氣動(dòng)運(yùn)用于該區(qū)域的開關(guān)并密封于Class 1 Div 1的防爆等級(jí)箱中。一個(gè)手動(dòng)高壓配電盤用于給各自獨(dú)立的HP、LP及再循環(huán)馬達(dá)啟動(dòng)器供能。任一個(gè)HP及LP泵都提供一個(gè)三檔選擇開關(guān)，即手動(dòng)、關(guān)閉及自動(dòng)擋。在自動(dòng)檔時(shí)，HP和LP的啟動(dòng)及停止是通過一個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)的壓力開關(guān)進(jìn)行控制的。LP泵的排出總管及HP泵的排出總管均設(shè)有特殊的PSVs設(shè)備，來進(jìn)行超壓保護(hù)。

圖3 Babbage采氣平臺(tái)HPU

HP蓄能器的排出處設(shè)有不銹鋼濾器、流量計(jì)及累加器，用于測(cè)量流量及總體積。HP的排出頭包含兩個(gè)4 535.92 kg的調(diào)節(jié)電路，任意一個(gè)都設(shè)有兩個(gè)出口及相連的三通閥以及壓力表[4]。 HP和LP的排出流量計(jì)、三通閥、壓力表及調(diào)節(jié)閥安裝于316不銹鋼控制板中間，以便于通過IWOCS單元的監(jiān)測(cè)及控制。HP、LP的出口及沖洗返回艙壁均位于一個(gè)普通的艙壁板。

沖刷返回頭配有一個(gè)流量計(jì)及累加器來監(jiān)測(cè)流量及總體積，同時(shí)在回收濾器中還鋪有多層紗布，使得污染達(dá)到最小化以提高系統(tǒng)的清潔度。

3.1.2 測(cè)試

任何壓力循環(huán)需要通過1.5倍的額定工作壓力的測(cè)試。Stella Maris 同樣也提供了460 v 三相電來測(cè)試各循環(huán)的功能，沖刷返回頭的泵及回流管路的流速測(cè)定，所有的測(cè)試數(shù)據(jù)均記錄和備份在FAT文件中。

3.2 英國北海Babbage采氣平臺(tái)HPU

該液壓動(dòng)力單元安裝于E.O.N. Ruhrgas UK北海作業(yè)公司Babbage平臺(tái)上，平臺(tái)作業(yè)平均水深42 m。該液壓動(dòng)力單元防爆等級(jí)為Zone 1 IIB T3，平臺(tái)上偶爾會(huì)出現(xiàn)易燃易爆氣體。壓力設(shè)備和分配系統(tǒng)被安置在由316L制造的封閉箱子內(nèi)，箱子基座適合在海洋平臺(tái)上固定。Babbage采氣平臺(tái)HPU如圖3所示。

該液壓動(dòng)力單元產(chǎn)生低壓和高壓控制流體，供應(yīng)給井下安全閥(DHSV)和七個(gè)采油樹上的處理翼閥(PWV)、處理主閥(PMV)和服務(wù)翼閥(SWV)等[5]。

液壓動(dòng)力單元的具體參數(shù)見表1。

表1 Babbage采氣平臺(tái)HPU參數(shù)表

該HPU設(shè)計(jì)工作環(huán)境溫度為-10℃ ～ 30℃，此外其滿足Zone 1 IIB T3 使用環(huán)境并滿足壓力設(shè)備規(guī)程(97/23/EC)。

3.3 尼日利亞FPSO HPU

圖4 尼日利亞FPSO HPU

該液壓動(dòng)力單元采用316L建造，同時(shí)在頂部四個(gè)角有吊耳，在下部有叉車槽，底部設(shè)計(jì)成方便于在FPSO上固定的結(jié)構(gòu)。尼日利亞FPSO HPU如圖4所示。

該液壓動(dòng)力單元被安裝在位于尼日利亞近海75 km的FPSO上，用于給水下生產(chǎn)設(shè)備提供液壓源。由于操作環(huán)境惡劣，該液壓動(dòng)力單元的設(shè)計(jì)最大允許操作溫度為70℃，其內(nèi)部還安裝了一臺(tái)空調(diào)來保證內(nèi)部溫度不超過最大允許溫度。

液壓動(dòng)力單元使用雙冗余PLC控制，PLC由DCS通過雙冗余ModBus TCP/IP控制和監(jiān)測(cè)。PLC可以監(jiān)測(cè)儲(chǔ)液罐液位、輸出壓力和液壓泵的狀態(tài)等。這樣當(dāng)HPU設(shè)置為自動(dòng)控制模式時(shí)，該HPU的運(yùn)轉(zhuǎn)不需要操作人員現(xiàn)場(chǎng)管理，所有的錯(cuò)誤狀態(tài)和警告都會(huì)被標(biāo)記并發(fā)送給總控制臺(tái)的操作人員。

它的再循環(huán)系統(tǒng)可以通過HPU外部的沖液點(diǎn)給回收罐沖液，一旦有液體進(jìn)入，位于回收罐附近的再循環(huán)泵可以通過循環(huán)回路凈化液體，直到清潔度滿足要求。只有當(dāng)液體清潔度滿足要求時(shí)，液體才會(huì)被泵入送入罐?；厥展藓凸?yīng)罐直接的循環(huán)系統(tǒng)采用PLC控制自動(dòng)化的三路選擇閥來實(shí)現(xiàn)。尼日利亞FPSO HPU參數(shù)見表2。

表2 尼日利亞FPSO HPU參數(shù)表

該HPU同樣需滿足Zone 1 IIB T3使用環(huán)境要求，設(shè)計(jì)工作環(huán)境溫度為30℃～70℃，濕度范圍0～100 %。同時(shí)還需滿足美國船級(jí)社(ABS)ATEX Directive 94/9/EC規(guī)范[6]。

4 總結(jié)

HPU設(shè)計(jì)制造是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它涉及到材料、力學(xué)、機(jī)械、電子、液壓等各方面內(nèi)容，同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)同樣起重要作用。通過對(duì)國外一些具有代表性的HPU制造實(shí)例進(jìn)行分析，對(duì)HPU基本結(jié)構(gòu)及功能有了初步了解。通過對(duì)一些HPU制造公司調(diào)研，掌握了HPU制造技術(shù)某些關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)是HPU制造工程中所必需的。除了這些參數(shù)外，HPU制造過程中的工藝更重要，它決定著HPU在使用過程中的可靠度。

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Current Application Status of Hydraulic Power Unit

ZHANG Xian-zhen1， XIAO Yi-ping1， ZHANG Fan2， LI Wei1，CHEN Wei2， BAI Yong2

(1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China;2. Structural Engineering Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

This article analyzes the structure and functionality of Hydraulic power unit (HPU). Based on the cases of Aker solution, Logan ltd, Cross Group and Babbage ltd, we also analyzed the typical HPU manufacture and usage cases in abroad, as well as the manufacturing craft of HPU. The requirements of subsea engineering facilities in domestic market are also analyzed at last.

hydraulic power unit; manufacture; technique craft; investigate and survey

2013-11-14

國家重大專項(xiàng)(2011ZX05027-004)。

張憲陣(1983-)，男，工程師。

1001-4500(2015)05-0001-04

P75

A