劉剛，常鑫，劉志國，趙永斌

一種新型節(jié)流壓力控制系統(tǒng)原理及試驗

劉剛1，常鑫1，劉志國2，趙永斌1

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266580;2.北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100875）

針對基于PID和比例伺服閥的控制裝備存在過沖、反應(yīng)時間長等問題，研發(fā)基于PLC和高速開關(guān)電磁閥的節(jié)流壓力控制系統(tǒng)。介紹系統(tǒng)的主要組成及功能，建立壓力控制數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性，并通過壓力控制試驗和壓力階躍試驗檢驗系統(tǒng)的靈敏度與可靠性。結(jié)果表明:壓力控制誤差在±0.3 MPa以內(nèi)，壓力跟隨效果優(yōu)異;在改變控制壓力和流量的試驗條件下系統(tǒng)具有較高的靈敏度和可靠性。

節(jié)流壓力;高速開關(guān)電磁閥;數(shù)值仿真;試驗

節(jié)流壓力控制系統(tǒng)在油氣井壓井、欠平衡鉆井及控壓鉆井過程中有著廣泛的應(yīng)用，它主要通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度來控制井筒壓力［1-4］。以往研發(fā)的節(jié)流壓力控制系統(tǒng)采用PID+比例伺服閥的控制方式［5］，此類系統(tǒng)易產(chǎn)生壓力過沖導(dǎo)致井筒壓力波動，難以滿足精細(xì)控壓鉆井及窄密度窗口地層的壓力控制需求。筆者采用高速開關(guān)閥+PLC+間歇脈沖的控制方式，設(shè)計一種新型的節(jié)流壓力控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

控制系統(tǒng)主要包括信號采集與顯示（傳感器與計算機）、電液控制系統(tǒng)（PLC控制器與電液轉(zhuǎn)換元件）、執(zhí)行裝置（液壓執(zhí)行元件與液動節(jié)流閥）與控制軟件4部分（圖1）。系統(tǒng)通過比對傳感器采集到的實際壓力數(shù)據(jù)與設(shè)置控制壓力數(shù)據(jù)的差異，指令高速開關(guān)閥與換向閥的動作，實現(xiàn)對液動節(jié)流閥運動方向及開關(guān)時間的調(diào)節(jié)，完成自動控制節(jié)流壓力的目標(biāo)。

1.1 信號采集與顯示

為了解工藝過程中主要參數(shù)的變化，需要對表征被控對象特征的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集和顯示，該部分由傳感器、PLC、工控機、連接電纜等組成（圖2）。

圖1 節(jié)流壓力控制系統(tǒng)主要組成Fig.1 M ain com ponen ts of throttle p ressure control system

系統(tǒng)采集的鉆井參數(shù)包括:①立管壓力、套管壓力、分離器出口壓力、油源壓力;②分離器出口氣體流量、分離器出口液體流量;③一號節(jié)流閥開度、二號節(jié)流閥開度;④一號泵沖、二號泵沖、三號泵沖;⑤鉆井液出口溫度。

數(shù)據(jù)顯示:①將采集的各路傳感器信號通過PLC擴展模塊EM231進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化后進(jìn)入PLC進(jìn)行處理;②PLC利用RS-232與工控機通訊，通過組態(tài)軟件將各路參數(shù)顯示到控制系統(tǒng)電腦屏幕上;③通過局域網(wǎng)將各路采集參數(shù)傳送到其他計算機，使得鉆臺及鉆井監(jiān)督等區(qū)域的主要人員能夠?qū)崟r觀測相關(guān)參數(shù)變化。

圖2 數(shù)據(jù)采集、傳輸及顯示流程Fig.2 Flow chart of data acquisition，transm ission，display

1.2 電液控制

可編程控制器PLC作為節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的核心控制器對壓力變化做出反應(yīng)，對傳感器采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)壓差控制高速開關(guān)閥與換向閥的動作，以控制液壓回路中液壓油的流向與流量，實現(xiàn)自動控制液動節(jié)流閥開關(guān)和控制節(jié)流壓力的目的。

1.3 執(zhí)行機構(gòu)

利用液壓系統(tǒng)提供的液壓能，通過電液轉(zhuǎn)換元件控制進(jìn)出液動節(jié)流閥液壓缸的液壓油流量，控制液動節(jié)流閥液壓缸活塞桿的位移改變液動節(jié)流閥的鉆井液通道開度，通過控制井口回壓，達(dá)到控制井筒壓力的目的。

1.4 控制軟件

系統(tǒng)的控制軟件由PLC控制程序及力控組態(tài)程序構(gòu)成，其主要作用是:①利用PLC完成對采集信號的處理并傳至組態(tài)軟件;②通過界面實現(xiàn)控壓鉆井關(guān)鍵參數(shù)的實時數(shù)據(jù)及曲線顯示;③利用PLC實現(xiàn)實際數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)比較、分析和控制電液轉(zhuǎn)換元件工作;④系統(tǒng)具有多重自動保護(hù)功能，實施危險操作和參數(shù)超限的自動報警和控制。

2 壓力控制模型

節(jié)流壓力控制原理見圖3。

圖3 節(jié)流壓力控制原理簡圖Fig.3 Princip le diagram of throttle p ressure control system

2.1 基本原理

用PLC輸出導(dǎo)通時間為Δt的脈沖來控制高速開關(guān)電磁閥的開閉，使液壓油流量產(chǎn)生變化ΔQA，導(dǎo)致雙向液壓缸高壓腔的流體體積發(fā)生改變，從而推動活塞移動Δl，帶動液動節(jié)流閥的運動使液動節(jié)流閥鉆井液出口面積變化，進(jìn)而改變流經(jīng)節(jié)流閥的鉆井液的流阻，使控制壓力產(chǎn)生Δp的變化。

2.2 假設(shè)條件

（1）設(shè)液壓源的供油壓力為ps，由于管路較短，忽略其沿程摩阻損失。

（2）高速開關(guān)電磁閥運行周期為T，在Δt時間內(nèi)導(dǎo)通［6］。

（3）三位四通電磁換向閥在整個液壓系統(tǒng)當(dāng)中只起到改變液壓油流向的作用，在收到換向信號后處于全開狀態(tài)，對所輸入的液壓油流量不產(chǎn)生影響。

（4）選取液動節(jié)流閥為錐形閥［7］。

（5）因為閥桿密封和液壓缸活塞摩擦以及閥心自身重力的問題，要求液壓缸推力Fy≥KF，K取1.1～1.2。

2.3 控制方程

根據(jù)上述基本原理和假設(shè)條件可以建立如下的控制方程組:

式中，ps為液壓油源壓力，MPa;p1和p2分別為高速開關(guān)閥入口和出口壓力，MPa;p3和p4分別為三位四通電磁換向閥入口和出口壓力，MPa;p6為液壓源油箱壓力，MPa;pm為節(jié)流閥入口壓力，MPa;pn為節(jié)流閥出口壓力，MPa;pA為液壓缸A腔壓力，MPa;SA為液壓缸A腔壓力作用面積，m2;SB為液壓缸B腔壓力作用面積，m2;Ap為流通面積，m2;ASA為三位四通電磁換向閥m→n路全開時的面積，m2;ASB為三位四通電磁換向閥o→p全開時的面積，m2;d0為液壓缸活塞直徑，m;d1為節(jié)流閥出口直徑，m;d2為錐形閥心最大直徑為液壓缸活塞位Δl移，m;F為節(jié)流閥軸向作用力，N;Δt為導(dǎo)通時間，s; ΔQ為導(dǎo)通時間內(nèi)注入的液壓油流量，m3/s;Cd為開關(guān)閥的流量系數(shù);Cq為節(jié)流閥流量系數(shù);Cv為返出鉆井液流量系數(shù);α為錐形角，rad。

3 系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性

控制系統(tǒng)主要由壓力傳感器、高速開關(guān)電磁閥、三位四通換向閥、液動節(jié)流閥等組成。由于高速開關(guān)電磁閥的啟閉延遲效應(yīng)，可將其簡化為一個一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為

式中，τ為占空比，s;s為拉氏變換量;KQ為增益系數(shù)。

液動節(jié)流閥是一個閥控液壓缸直線位移控制系統(tǒng)，可近似認(rèn)為是振蕩環(huán)節(jié)，根據(jù)流量連續(xù)性原理可以確定液壓缸兩腔的流量連續(xù)方程與活塞上的力平衡方程，忽略其彈性影響，得到液壓缸的輸出位移Gs，其拉氏變換為

式中，ωn為無阻尼振動頻率，Hz;ξ為液壓阻尼比。

壓力傳感器的時間常數(shù)一般很小，所以檢測反饋環(huán)節(jié)可將其看作比例系數(shù)為Kf的比例環(huán)節(jié)［8-11］。

依據(jù)圖3壓力控制原理簡圖，建立系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)方框圖（圖4）。

圖4 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)方框圖Fig.4 Closed-loop transfer function block diagram

其中，液壓系統(tǒng)的ωn=80 Hz，ξ=0.2，占空比τ =0.1 s，系統(tǒng)開環(huán)增益Kv=1，Kf為傳感器增益。

利用Matlab/simulink軟件繪制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，得到系統(tǒng)的上升時間tr=0.1 s;調(diào)節(jié)時間ts=0.6 s;計算超調(diào)量σ=22%?？梢娤到y(tǒng)能夠滿足穩(wěn)定、迅速、準(zhǔn)確的要求。

4 試驗結(jié)果分析

2010年8月26日至9月2日在中海油服天津塘沽基地，對節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)及可靠性進(jìn)行了試驗。本次試驗的工況:采用固井泵轉(zhuǎn)速為900～1400 r/min，常用試驗排量為1200 L/min;液動節(jié)流閥閥芯直徑Φ50 mm，45°錐面長度10 mm，100%開度時閥芯位移50 mm。

4.1 可靠性驗證

評價系統(tǒng)可靠性的一個重要指標(biāo)就是判斷節(jié)流閥產(chǎn)生的壓降是否接近標(biāo)準(zhǔn)值。采用理論計算和數(shù)值模擬兩種方法求解節(jié)流閥開度與壓降曲線，并將其與實測曲線進(jìn)行比較。

（1）理論計算。節(jié)流閥壓降計算可由如下經(jīng)驗公式求解［12］:

（2）數(shù)值模擬。根據(jù)實際節(jié)流閥結(jié)構(gòu)用Pro/E建立三維CAD模型，使用面向CFD的前處理器軟件Gambit對內(nèi)部流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在Fluent軟件中采用求解壓力耦合方程組的半隱式SIMPLE方法求解，紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程［13］。

（3）結(jié)果分析。根據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)，得到節(jié)流閥開度壓降關(guān)系曲線以及數(shù)值擬合模型。將節(jié)流閥理論壓降計算結(jié)果、CFD軟件數(shù)值模擬結(jié)果和試驗擬合結(jié)果進(jìn)行對比，見圖5。由圖5可以看出:3條曲線吻合良好，其中試驗擬合結(jié)果與理論計算結(jié)果的最大相對誤差小于19.3%;試驗擬合結(jié)果與仿真結(jié)果的最大相對誤差小于12.2%，可見系統(tǒng)的控制精度較高，控制效果趨近標(biāo)準(zhǔn)值，說明該系統(tǒng)具有較高的可靠性。

圖5 節(jié)流閥開度與壓降關(guān)系曲線Fig.5 Variation of pressure drop with throttle opening

4.2 壓力控制試驗

為了評價系統(tǒng)跟隨目標(biāo)壓力的效果，進(jìn)行了壓力控制試驗，結(jié)果見圖6。試驗中，將控制套壓從1 MPa依次提高至7 MPa。

圖6 壓力控制試驗Fig.6 Test of pressure control

從圖6可以看出，控制過程中，系統(tǒng)反應(yīng)迅速，節(jié)流閥開度逐漸減小，當(dāng)壓力值達(dá)到壓力控制精確度范圍后，節(jié)流閥停止動作。整個控制過程壓力平穩(wěn)，無過沖現(xiàn)象出現(xiàn)，壓力波動為±0.3 MPa。由此可見，系統(tǒng)具有較好的壓力跟隨能力。

4.3 壓力階躍試驗

為了評價系統(tǒng)在節(jié)流閥流量和控制壓力發(fā)生較大改動時系統(tǒng)的控制敏感度和反應(yīng)速度，進(jìn)行了變排量（800～1 200 L/min）和變控制壓力（0.5～7 MPa）試驗，結(jié)果見圖7。試驗中在900～1400 r/min隨機改變泵轉(zhuǎn)速，不斷隨意改變泵排量的前提下，將控制套壓由7 MPa降到2 MPa再提升到6 MPa，又降到0.5 MPa的變壓力試驗。從圖7可以看出:節(jié)流閥在系統(tǒng)的控制下反應(yīng)迅速，控制壓力能夠以較快速度達(dá)到控制要求，且很快趨于穩(wěn)定;壓力穩(wěn)定后，節(jié)流閥開度基本不發(fā)生變化，壓力控制準(zhǔn)確，沒有出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。

圖7 壓力階躍試驗Fig.7 Test of pressure step

5 結(jié)論及建議

（1）以PLC+高速電磁閥開關(guān)的控制方式，提高了節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的控制精度，更好地滿足了井筒壓力控制反應(yīng)速度，控制過程穩(wěn)定。

（2）系統(tǒng)控制效果趨近標(biāo)準(zhǔn)值，壓力控制誤差在±0.3 MPa以內(nèi)，壓力跟隨效果優(yōu)異，在快速改變控制壓力和頻繁變化流量時仍具有較高的靈敏度和可靠性。

（3）系統(tǒng)的體積小，設(shè)備占用空間小，為海上平臺面積受限條件下的控壓鉆井實踐提供了手段。

（4）系統(tǒng)的制造成本低，可明顯降低油氣井節(jié)流壓力自動控制設(shè)備的服務(wù)成本，適合于低成本控壓鉆井施工的需要。

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Princip le and experim ent of a novel throttle pressure control system

LIU Gang1，CHANG Xin1，LIU Zhi-guo2，ZHAO Yong-bin1
（1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China; 2.Nuclear Science and Technology Institute in Beijing Normal University，Beijing 100875，China）

The control system with PID and proportional servo valve has the defectsof overshorting and long response time.A PLC and high-speed switch electromagnetic valve were used in the improved design.The components and its function of newly designed throttle pressure control device were introduced.A pressure controlmathematicalmodel was presented，and the dynamic response characteristics of this system were analyzed.The sensitivity and reliability of this system were tested and verified by pressure control and pressure step experiments.The results show that the pressure control fluctuations are less than±0.3 MPa.The pressure following effect is good.The pressure control system has high sensitivity and reliability under the experimental conditions of changing control pressure and flow rate.

throttle pressure;high-speed switch electromagnetic valve;numerical simulation;experiment

TE 831.1

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.05.018

1673-5005（2012）05-0100-05

2012－03－12

國家科技支撐計劃（2008BAB37B02）

劉剛（1960－），男（漢族），安徽利辛人，教授，博士，主要從事油氣井工程方面的教學(xué)和科研工作。

（編輯 李志芬）