蓄能器装置（精选3篇）
蓄能器装置 篇1
0 引言
BOP组 (即:防喷器组) 是井控设备中的核心设备, 用于控制井口压力, 实现近平衡或欠平衡压力钻井, 提高钻井速度及质量[1]。在钻井作业中, 一旦发生溢流、井涌、井喷等紧急情况, 操作人员应立即发出关井指令, BOP组应迅速启动关井。此时, BOP组一旦失效, 将导致井喷等恶性事故, 造成设备损坏和人员伤亡。
BOP组控制装置是BOP组开、关动作的指挥系统, 主要由蓄能器装置、司钻控制台及辅助控制台等部件组成, 还可以根据需要增加氮气备用系统、报警装置和压力补偿装置等, 它必须能满足远距离、准确、可靠、快速等要求[2], 图1是海上常见的BOP组控制装置组成示意图。
蓄能器装置 (又称远程控制台、远控台或控制台) 是BOP组控制装置的核心组成部件, 主要用来制备、储存液压油并控制液压油的流动方向。它由油泵、蓄能器组、控制阀件、输油管线、油箱等元件组成。通过操作三位四通转阀 (换向阀) 可以控制压力油输入BOP组油腔, 直接使BOP组实现开、关动作。
蓄能器组选型依据:应能保证在停泵不补油情况下, 只靠蓄能器本身的有效排油量 (蓄能器油压由21 MPa降至8.4 MPa时所排出的油量) 即能满足全部控制对象各关闭一次的需要。因此, 蓄能器的数量较多, 而电泵与气泵却小巧轻便。当电泵与气泵发生故障甚至停电、停气的情况下, 仅靠蓄能器本身的液压能量也能确保井口BOP组动作, 不致影响井控作业[3]。
1 蓄能器组选型及计算
按照BOP组构件用油量计算, 图2是海上常见的一组BOP组组合形式。
1.1 蓄能器组选型及计算方法一
1.1.1 严格计算法
根据“API_Spec_16D_钻井控制设备及分流设备控制装置”第4.2.3.1.2中方法A的要求 (P18-P19) 计算蓄能器标称总容积[4]。
1.1.1. 1 计算有效容积极限VEva
基于压力容器容积率的公式:
1) 压力极限VEp= (Po/P2-Po/P1) /1.0。
2) 容积极限VEv= (1-Po/P1) /1.5。
3) 有效容积极限VEva= (1.0-P2/P1) /1.5。
1.1.1. 2 计算蓄能器标称总容积
蓄能器标称总容积= (蓄能器关闭总用液量÷最小VEva) ×2, 根据计算结果, 最小VEva=0.399。
根据蓄能器标称容积计算公式, 对于压力级别为34.5 MPa, BOP组为“环形+双闸板+四通+单闸板 (剪切) ”的组合形式, 即:FH35-35<关闭用液94L>、FZ35-35<剪切, 关闭一副用液40 L>、2FZ35-35<关闭一副用液17.2 L, 关闭双闸板总用液17.2×2=34.4 L>及两个液动阀<开启用液5×2=10 L>, 可计算蓄能器标称总容积= (178.4÷0.399) ×2=894.24 L, 符合要求的蓄能器型号最起码应为FKQ960-7 (16个60 L蓄能器瓶) 。由于此计算方法过于严格, 往往造成蓄能器选型过于庞大, 故而, 常规计算中不采用此计算方法。
1.1.2 常规计算法 (此计算方法安全系数较高) [4]
根据文献[4]第5.1.4节中a、b要求 (P26) , 可得出, 蓄能器标称总容积必须大于防喷器组关闭用液量的4倍, 即:蓄能器最小标称总容积=蓄能器关闭总用液量×4。
例如, 对于FKQ640-7蓄能器, 其可用液量为320 L, 而这320 L液量必须满足开、关BOP组各一次, 也就是说, 320 L的用液量必须满足在井筒压力为零时从全开状态将BOP组环形防喷器和所有的闸板防喷器关闭, 并打开四通上的液动平板阀。
同样, 根据该计算方法, 对于压力级别为34.5 MPa、BOP组为“环形+双闸板+四通+单闸板 (剪切) ”的组合形式, 可计算蓄能器最小标称总容积=178.4×4=713.6 L, 符合要求的蓄能器型号有FKQ720-7 (12个60 L蓄能器瓶) 。
1.2 蓄能器组选型及计算方法二 (此法更接近标准值)
根据井控设备培训教材上提供的计算方法[5]。
在培训教材上, 对于40 L的蓄能器钢瓶, 单瓶理论有效排油量 (油压由21 MPa降至8.4 MPa) 是20 L, 单瓶实际有效排油量 (油压由21 MPa降至8.4 MPa) 约为17 L, 根据选型要求, 蓄能器本身实际有效排油量的2/3即能满足全部控制对象关闭各一次的需要, 也就是说, 对于40 L的单瓶, 要求其至少提供17 L×2/3=11.33 L的排油量来满足全部控制对象关闭各一次的需要。
由此可得出蓄能器容积满足关闭各一次BOP组间的换算比为: (17/40) × (2/3) =34/120=17/60。
那么, 关闭各一次BOP组到所需要的蓄能器组容积之间的换算系数应为60/17=3.529, 即需提供蓄能器关闭总用液量的3.529倍容积量方可满足BOP组全部控制对象关闭各一次的需要。
根据以上计算的数据可知, 对于压力级别为34.5 MPa、BOP组为“环形+双闸板+四通+单闸板 (剪切) ”的组合形式, 可计算蓄能器标称总容积为178.4×3.5=624.4 L, 符合要求的蓄能器型号有FKQ640-7 (16个40 L蓄能器瓶) 。
2 结语
蓄能器装置是井控设备控制装置中的重要一环, 该装置合适的选型是保障油田区域钻井作业安全的必要条件, 尽管采用不同的计算标准会导致不同的计算结果, 但其基本要领是不变的, 即:应能保证在停泵不补油情况下, 只靠蓄能器本身的有效排油量即能满足全部控制对象各关闭一次的需要。
摘要：根据渤海油田所使用的BOP组不同的组合形式及压力等级, 计算开启/关闭BOP组所需的总用液量;并根据BOP组控制装置蓄能器组最小容积率及关闭BOP组所需的总用液量, 计算出最小蓄能器标称总容积, 从而选出该BOP组所需蓄能器装置的型号、规格。该计算方法同样适用于陆地油田BOP组蓄能器装置的选型。
关键词：BOP组,控制装置,蓄能器装置,最小容积率,最小蓄能器标称总容积
参考文献
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[5]孙振纯, 王守谦, 徐明辉.井控设备[M].北京:石油工业出版社, 1997:49-51.
蓄能器装置 篇2
目前, 带式输送机断带保护器种类繁多, 但其组成结构基本相同, 包括检测装置、触发装置、制动装置、动力源等。在实际应用中, 断带保护器的安装方式很大程度上影响了其保护效果, 根据安装方式, 可分为整体式和离散式2种, 带式输送机断带捕捉器在实际应用中存在的最大问题为误动作抓捕和抓捕反应时间过长。
1断带保护装置的液压回路
当断带事故发生时, 要求保护装置迅速动作。与电气和机械系统相比, 液压系统具有精准、快速、可靠的特点。断带保护装置选用的液压系统可以间歇作用, 正常情况下储备能量, 断带时迅速执行动作。蓄能器可以精准实现动作并节省能源。
蓄能器是利用力的平衡原理实现储存和释放液体压力能的装置。蓄能器用于间歇性运动的液压系统, 可以储存在执行间歇或低速运动时液压泵输出的油液, 并在执行器快速运动需要大量油液时, 作为辅助能源与液压泵一起向系统供液, 减小了功率损耗和温升, 实现了整个液压装置的小型化、节能化。
带式输送机断带保护装置的液压系统原理如图1所示, 采用低速定量泵作为压力源[1]。图示位置为执行间歇, 液压泵向系统缓慢供油, 蓄能器满液后压力继电器控制泵停止工作;当断带事故发生, 方向阀换向, 系统压力骤减, 蓄能器迅速向系统充液, 且压力继电器控制泵工作, 2个油源同时向系统供液, 液压缸快速运动, 完成动作使断带保护装置夹紧断裂的胶带。
当断带事故解决后, 方向阀复位, 系统重新处于执行间歇, 蓄能器再次充液完成能量储存。
2蓄能器在回路中的作用
(1) 维持间歇状态系统压力。
当液压泵停止向系统供油时, 蓄能器压力使液压缸处于原始位置, 若系统存在一定的泄漏, 也可避免液压缸错误动作。
(2) 作为辅助动力源。
蓄能器和液压泵同时向系统充液, 同时保证系统执行快速化和装置小型化。
(3) 作为应急动力源。
当方向阀换位时, 即使泵不动作, 也可单独完成向系统供油, 使执行元件完成动作。
(4) 吸收脉动和冲击。
蓄能器可以吸收液压阀突然换向时的液压冲击和脉动, 避免管路损坏, 降低系统噪声。
3蓄能器的选择
3.1类型确定
蓄能器主要分为充气式、重力式、弹簧式。充气式又分为气囊式、活塞式、隔膜式。气囊式蓄能器是一种隔离式蓄能器, 外壳为两端呈球形的圆柱体, 壳体内有一个用耐油橡胶制成的气囊, 气囊出口设有充气阀, 充气阀只在为气囊充气时才打开, 平时关闭。壳体下部设有一个受弹簧力作用的菌形阀, 在工作状态下, 压力油经过菌形阀进出, 当油液排空时菌形阀可以防止气囊被挤出。在这种蓄能器中, 气体和液体完全隔离开, 且蓄能器的质量小, 惯性小, 反应灵敏, 是当前应用最广泛的一种蓄能器。本系统考虑到煤矿井下实际情况, 选用气囊式蓄能器[2,3,4]。
3.2确定充气压力
带式输送机断带保护装置的液压系统压力14 MPa, 溢流阀调定压力22 MPa。蓄能器最低工作压力p1为10 MPa, 蓄能器充气压力p0一般满足0.25p1
3.3容积确定
设计液压缸提供压力7 000 N, 行程100 mm, 内径40 mm, 杆径28 mm, 平均运动速度为0.5 m/s, 则平均流入液压缸的流量为37 L/min。
蓄能器在该系统中工作时间较短, 属于绝热过程, 其供油体积为
VW=V0[ (p0/p1) 1/n- (p0/p2) 1/n]
式中, VW为蓄能器的供油体积, 0.125 7 L;V0为蓄能器的标称体积, L;p0为蓄能器的充气压力, 7 MPa;p1为蓄能器最低工作压力, 10 MPa;p2为蓄能器最高工作压力, 14 MPa;n为指数, 动作时间0.2 s属于绝热过程, n=1.4。
代入数据计算得, V0=0.64 L。参考厂家参数, 可选蓄能器的标称体积为1 L。
4结语
采取蓄能器构成的高速液压回路实现了胶带输送机断带保护装置的精确、快速动作, 蓄能器的缓冲作用也可以避免抓捕胶带时造成二次断裂。液压部分完成动作只需0.20 s, 与机械装置配合可以将整个保护装置的动作时间控制在0.37 s, 保证了带式输送机断带保护装置在断带事故发生时的时效性, 尽最大可能降低损失。
摘要：煤矿带式输送机承担了大量的井下运输任务, 但时常发生的断带事故使得提高断带保护装置的实用性成为亟待解决的课题。对蓄能器在煤矿带式输送机断带保护装置中的应用位置、作用、选用过程进行了分析。研究结果表明, 蓄能器的使用提高了断带保护装置反应速度, 也提高了断带保护装置的实用性。
关键词：蓄能器,断带保护装置,液压系统
参考文献
[1]王积伟, 章宏甲, 黄谊.液压传动[M].北京:机械工业出版社, 2009.
[2]马雅丽, 黄志坚.蓄能器实用技术[M].北京:化学工业出版社, 2007.
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蓄能器装置 篇3
关键词：铁电体,爆电换能,放电特性,机械装置
0 引言
铁电体爆电换能器通过爆炸产生的冲击波冲击铁电体,使其迅速去极化,将储存的极化能以电能的形式释放出来,从而在负载上产生高功率脉冲电能[1]。铁电体爆电换能器具有能量密度大、体积小、价格低廉和独立性强的特点,是良好的适合单次使用的小型高功率脉冲激光电源,在工业和国防领域里有着广阔的应用前景[2]。
铁电体爆电换能装置方面的研究报道较少,国外Jr.Mork[3]采用空气炮作为冲击波装置,在容性负载下产生了81k V的峰值电压;国内贺元吉[4]和杜金梅[5]都采用平面波发生器作为冲击波装置,分别得到了峰值为1660A和5000A的脉冲大电流。空气炮适合实验室研究,能够多次试验;平面波发生器的平面度难以保证,冲击载荷难以调节。采用爆炸驱动飞片撞击铁电体,冲击载荷可控,冲击波平面度较好。本文设计了一种爆炸驱动飞片撞击式铁电体爆电换能器的机械装置结构,理论计算出飞片对铁电体的冲击载荷,并通过Simulink仿真模块对铁电体爆电换能器进行放电特性研究。
1 铁电体爆电换能物理模型
铁电体(通常选用PZT95/5)垂直加载模式是指冲击波加载方向与铁电体极化方向pr垂直,图1(a)是铁电体爆电换能示意图。贺元吉、杜金梅等人研究过负载为短路、容性的铁电体放电特性[4,5]。本文研究负载为短路和小电感加小电阻两种情况放电特性。图1(b)是其等效电路图。铁电体等效为定值的电流源与定值电容并联的形式。在冲击波传播过程中,由于波前界面与波后界面铁电陶瓷的面积发生变化,等效的电容与电导也将发生变化[4,6]。
等效电路模型将铁电陶瓷等效为随时间t变化的电流源I(t)与电容C(t)、电导G(t)并联。考虑到介质松弛效应,将I(t)函数推导公式如下,式中tsc为松弛时间。
其中A=yz,电容C(t)、电导G(t)的计算文献[4,6]中有详细的推导,这里不再赘述。
2 换能器装置机械结构设计
基于铁电体爆电换能原理,本文设计的铁电体爆电换能器(如图2所示)由雷管、雷管支承座、本体壳体、冲击飞片(铝片)以及PZT铁电体支撑座组成。铁电体(PZT陶瓷)被环氧树脂灌封在PZT支撑座上。雷管引爆装药室炸药后,产生爆轰波驱动飞片撞击铁电体PZT陶瓷,使其去极化放电。换能器机械装置可通过调节装药室的空间容积、装药量以及空腔轴向距离来调节飞片速度,从而实现冲击载荷可控。
装药室的药量决定飞片速度,从而影响冲击波阵面处产生的撞击力和被撞击物体内的冲击波初始波速。通过参考文献[7]计算方法计算得出,4mm的装药长度能够产生大约8GPa的撞击压强,在被撞击的铁电体中产生初始波速达到4000m/s的初始冲击波。铁电体去极化相变约为1GPa至3GPa之间[3,4],因此飞片撞击式的冲击波加载方案不仅完全能够满足引起铁电体相变的初始条件,根据冲击载荷要求缩减装药量,减小飞片行程,实现小型化设计。
3 放电特性仿真
通过Matlab/Simulink软件对铁电体去极化放电的等效电路进行仿真,研究铁电体爆电换能器的放电特性。仿真模型相比较于数值模拟直观,无需书写大量程序公式函数,同时也避免了数值模拟计算的复杂性和不通用性。
因为i=C(du/dt),非线性电容元件可以用受控电流源来表示。电流源由其两端的电压来控制,建立非线性电容模型,该模块包括受控电流源、电压表、微分、乘积和编写的时变电容的S函数等模块。由R(t)=1/G(t),可建立电阻模型来替代电导模型,非线性电阻元件用受控电压源来表示,电压源由其两端的电流来控制,建立非线性电阻模型,图中S函数模块为R(t)的S函数。在这基础上建立铁电体爆电换能器的等效电路仿真模型(如图3所示),模型中s I、s C、s G分别为铁电陶瓷时变电流源、电容、电导的S函数。
设置铁电体性能下:极化强度Pr=32u C/cm2,铁电陶瓷在发生相变前后的相对介电常数h1=1.6×10-8 F/m,h2=0.9×10-8F/m;铁电陶瓷在发生相变前后的电导率分别为常数g1=2.5×10-6(Ω·m)-1,g2=2.5×10-3(Ω·m)-1;松弛时间tsc=0.2us,尺寸参数x=10mm,y=35mm,z=4mm;小负载电参数R=1200mΩ,L=0.3μH和短路负载;并联个数n=100,在两种不同负载下的仿真电流波形如图4所示。
仿真结果表明,在短路负载下,铁电体爆电换能器的放电电流波形近似为方波,小感性和小阻性复合负载下会出现阻尼振荡波形。铁电体去极化放电过程中电压能达到数k V,因此铁电体爆电换能器功率能够达到MW级。
4 结论
本文对铁电体爆电换能器冲击波加载机械装置进行设计,对其工作原理及等效电路进行了介绍,根据电路模型,模拟仿真了短路负载和小负载下的放电特性。得出如下结论:换能器的功率能够达到兆瓦级,短路负载下电流波形近似为方波,小感性和小阻性复合负载下会出现阻尼振荡波形。本文为小型化高功率脉冲能源的设计提供了一种实现方法。
参考文献
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