活塞式蓄能器应用于井口盘的设计与计算

0 引言

井口控制盘直接控制井上翼阀、井上主阀和井下安全阀的开关逻辑。当海上平台无气源时，工艺管线上的关断阀、控制阀需采用液压控制，此时井口盘也要向这些阀门提供液压源。目前，海上石油平台井口控制盘内的蓄能器多选用气囊式[1]。但气囊式蓄能器的固有特点导致其并不适用于某些特殊工况。本文重点研究了活塞式蓄能器在井口控制盘上的应用原则及相关计算，并提出了外接气瓶方案的计算方法及实施意义。

1 蓄能器

蓄能器是用来储存“压力能”作为备用的动力源，并在需要的时候释放“压力能”的装置[2]。海上石油生产平台通常具有远离陆地、作业面积小、备品备件有限的特点。当井口盘液压泵发生故障时，需要在供液回路中使用蓄能器，以便在液压泵故障情况下保持生产的连续进行[3]。常见的蓄能器有活塞式和气囊式蓄能器。

从表1可以看出，相较于气囊式蓄能器，活塞式蓄能器在工作容积、有效容积、设计压力和设计温度方面，有个更大的适用范围。同时活塞式蓄能器具有寿命长，容量大，可靠性高及供油压力稳定的特点[5]。单就井口控制盘而言，由于蓄能器主要用作辅助动力源，气囊承受较大冲击是小概率事件，皮囊破裂的可能性较小，再考虑到皮囊式蓄能器的价格通常要比活塞式便宜，皮囊式蓄能器仍然是首选。但当井口盘液压回路的工作压力、蓄能器容积及有效容积超出皮囊式蓄能器的适用范围时，则应考虑选用活塞式蓄能器。下面几种工况应重点考虑采用活塞式蓄能器。表1为两种型式的蓄能器的性能比较。

表1 蓄能器性能比较

（1）液压回路工作压力超过63 MPa

这主要取决于液压用户的需求压力，通常情况下，井下安全阀的工作压力较高。因此，在设计前期无法得到准确数据而预估数据较接近或超过63 MPa时，应选用活塞式蓄能器。

（2）工作压力介于31.5～63 MPa，容积大于40 L

GB/T-20663-2006中规定，当工作压力介于31.5～63 MPa时，气囊式蓄能器的容积最大可以做到50 L，而JB/T 7035-2006亦有类似规定，但允许的容积为40 L.基于此，该工况下应优先考虑使用活塞式蓄能器。

（3）总容积需求偏大，需外接气瓶扩充容积

当最低工作压力和最高工作压力之间的压差较大时，预充气体需要大量被压缩，对总容积要求较高，对活塞式蓄能器，可以通过外接气瓶的方式，整个活塞上方的气体空间可以作为有效容积考虑。

以近期海有工程所承接的卡塔尔NFA项目海上平台的井口盘为例，平台无气源，所有关断阀、控制阀均需采用液压控制，除此之外，平台还配置了HPU模块，也需要井口盘提供液压源，而且需按2×100%配置蓄能器。这些因素的叠加使该项目对蓄能器的容积要求达480 L，且最高工作压力超过40 MPa.项目采用多个活塞式蓄能器组成的蓄能器组，确保了蓄能器的有效容积满足井口盘的排液需求。

2 蓄能器的计算

2.1 井口盘蓄能器的工作过程

活塞（或气囊）将蓄能器分为上下两部分，其中上侧充氮气，下侧充液压油。根据蓄能器的工作过程，蓄能器的工作可以分为三个典型工作状态，如图1所示。

图1 蓄能器工作的三个典型状态

1）预充压状态：指蓄能器充液压油之前的状态；

2）最小工作压力状态：指蓄能器内的压力达到维持液压回路正常工作的最小压力值；

3）最大工作压力状态：指蓄能器内的压力达到维持液压回路正常工作的最大压力值。

在井口控制盘上，蓄能器用作应急动力源，一方面要在液压回路出现故障及时补充液压油并将压力保持在最下压力Pmin之上，另一方面还需要在紧急关井的情况下能够快速排出一定的液量的液压油。

2.2 蓄能器容积的计算方法

对于井口盘蓄能器而言，其充液时间通常大于10 min，且充液结束后，只有在紧急工况下才会用于排液以维持压力在最小工作压力之上，在正常工况下它是被“闲置”的[6]，这使蓄能器可以与外界进行充分的热交换，因此，对蓄能器中的气体来说，这是一个等温压缩的过程[7]。根据玻义尔定律：

一旦蓄能器在紧急情况下投入使用，其完成排液和泄压的速度非常快（通常是几秒），没有足够的时间进行热交换，因此其排液过程应按照绝热过程处理。

式（1）、（2）、（3）中，P0为预充压力，通常取 P0=0.9Pmin，kPaG；V0为蓄能器在预充压状态下的体积，它通常等于或略小于蓄能器的标称体积（L）；Pmax为蓄能器最大工作压力（kPaG）；V2为蓄能器在最大工作压力下的体积（L）；Pmin为蓄能器最小工作压力（kPaG）；V1为蓄能器在最小工作压力下的体积（L）；n为绝热指数，绝热过程取n=1.4.

由上表可得，△V=48.4 L

将P0=0.9Pmin带入上式，可得：

上式即为蓄能器容积的计算公式，该公式同时适用于皮囊式蓄能器及活塞式蓄能器。

2.3 计算方法的推演

为了进一步简化蓄能器的计算，此处引入压差比和容积率的概念。压差比为最大工作压力和最小工作压力的比值，即：

容积率是指有效容积同预充压状态体积的比值：

由此可得：

蓄能器的计算就是要根据排液量需求、最大工作压力、最小工作压力得出所需的蓄能器体积，基于（1）、（2）、（3）式可得：

表2 容积率查询表

对工程设计人员而言，容积率查询表非常实用，可以迅速得出容积率，从而得出蓄能器容积。根据笔者的经验，各井口盘厂家在蓄能器计算方法上并无统一的原则，有的是根据经验给出不同压力变化范围内的容积率，也有厂家将蓄能器充液过程也看做绝热过程来计算，给工程人员审图造成极大的不便。容积率查询表可以让设计人员避开厂家繁琐的计算，直接根据其计算结果判断选型计算的合理性。

3 计算方法的应用

由于井下安全阀和井上安全阀的操作压力的差异，井口控制盘在设计时通常需要设计两路液压回路，当关断阀、控制阀需要液压源时，则同井上安全阀共用液压回路。限于篇幅，此处仅以卡塔尔项目井上安全阀为例进行计算。

卡塔尔项目的相关参数如下：

Pmin=16 550 KPaG

Pmax=29 870 KPaG

根据式（9）可得容积率：VE=0.261

△V需要根据每个液压用户所需求的排液量来计算，在卡塔尔NFA项目中，井口盘需要分别向井上安全阀（SSV）、关断阀及ESD阀门提供液压油。液压油用量如表3所示。

表3 NFA项目井上设施液压油用量表

由式（9）可以看出，压强比K是影响容积率VE的唯一参数，据此完成如表2所示的容积率查询表。

为确保选用的蓄能器能够在恶劣环境（高温或低温）下依然能够有效的工作，并考虑到液压油在管线和阀件处的泄漏等，在计算蓄能器容积时要乘以一个安全系数，卡塔尔项目要求安全系数为1.3，且要求蓄能器按照2×100%配置，因此所需的蓄能器总容积为：

根据最终的蓄能器总容积需求，即可为井口控制盘配置一组蓄能器。

4 外接气瓶方案的计算方法

如前所述，外接蓄能器可以极大的提高蓄能器的有效容积，最理想的情况是整个活塞上方的充气空间均为有效容积。此时，前面所计算出的V0′不仅包括蓄能器容积，而是进一步外延到外接气瓶。如图2所示。

图2 蓄能器外接气瓶示意图

仍以卡塔尔NFA项目为例，全蓄能器方案时，可以选用8个公称体积为63L的蓄能器。而当采用外接气瓶方案时，则有：

其中，Va为蓄能器容积（L）；Vc为外接气瓶的容积（L）；Va不应小于排液需求的有效容积，由于在前期计算中已经考虑安全系数，取：

按照2×100%配置要求，可以按照4×32L配置蓄能器。外接气瓶的容积需求：

可选用6个63 L的气瓶串接至蓄能器。

通过以上的计算可以看出，采用外接气瓶的方案后，蓄能器的规格和数量都远小于原方案，有效容积之外的蓄能器容积可以用外接气瓶代替。由于气瓶的价格成本远低于蓄能器的价格成本，因而具有良好的经济性，即单位容量的成本价格低[8]。

5 结束语

容积率和压差比概念的提出，进一步简化了蓄能器的选型计算，对工程设计人员的而言很有实用性。该计算方法不仅适用于井口盘蓄能器，对其他采用蓄能器的场合也具有借鉴意义。采用外接气瓶的方案后，可以降低活塞式蓄能器数量及容积，从而降低其成撬尺寸，有效降低成本。