高 強(qiáng)，田 媛，李宏婧，高俊微，楊松山

(東北石油大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，大慶 163318 )

隨著陸地資源的日益枯竭，石油天然氣開采已經(jīng)逐漸由陸地轉(zhuǎn)移到海洋。海洋鉆井與陸地鉆井相比，環(huán)境更加艱苦，技術(shù)要求更高。海洋鉆采漏油事件頻繁發(fā)生，對人身財(cái)產(chǎn)照成巨大損失，并且造成了環(huán)境污染與油氣資源的浪費(fèi)［1］。通過分析墨西哥灣漏油事件可知，造成事故主要原因是人為關(guān)閉防噴閥不及時(shí)。造成巨大人員傷亡，針對這種現(xiàn)象我們提出智能防噴系統(tǒng)?，F(xiàn)在防噴器多采用液壓控制，為了確保使用要求，我們采用電-液控制系統(tǒng)。通過PLC 對井口實(shí)現(xiàn)控制與監(jiān)測。海洋石油鉆機(jī)如圖1 所示。

圖1 深水鉆井防噴器

1 防噴器結(jié)構(gòu)

防噴器組由環(huán)形防噴器與閘板防噴器組成。防噴器主要由殼體、油箱、活塞和閘板總成組成［2］。安裝時(shí)使用螺栓將防噴器底部的法蘭與井口的套管頭法蘭連接在一起。

1.1 環(huán)形防噴器

環(huán)形防噴器又稱萬能防噴器［3］，其工作原理為:關(guān)閉井口時(shí)，高壓的動(dòng)力液進(jìn)入到防噴器的關(guān)閉腔，液體壓力推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，迫使密封膠芯封著管子外圍;當(dāng)高壓動(dòng)力液進(jìn)入打開腔時(shí)，液壓力推動(dòng)力推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，讓密封膠芯回到原位置，防噴器被打開。環(huán)形防噴器如圖2 所示。

圖2 球形膠芯環(huán)形防噴器

1.2 閘板防噴器

雙閘板防噴器工作原理:對于收縮位置的兩個(gè)閘板通過液壓力同時(shí)向內(nèi)推移，使他卡緊在管柱外面而實(shí)現(xiàn)封閉井口。雙閘板防噴器有兩個(gè)油路，每個(gè)油路控制一個(gè)閘板總成，兩套閘板也不會(huì)同時(shí)工作。閘板總成也是可以替換的，安裝時(shí)不能上下倒置，因?yàn)殚l板芯只能承受向上的壓力，特殊情況下，閘板關(guān)閉后，鉆桿接頭可以坐在閘板上。閘板防噴器如圖3 所示。

圖3 雙閘板防噴器

2 液壓防噴系統(tǒng)組成

2.1 單回路液壓控制系統(tǒng)

單路液壓控制系統(tǒng)如圖4 所示。所謂的單路控制是指每一個(gè)水下電磁閥在平臺(tái)控制柜上都有一個(gè)與其對應(yīng)的獨(dú)立的電信號(hào)傳輸路徑［4］。一個(gè)多芯的電纜可以提供多個(gè)信號(hào)傳輸路徑，而電纜的鎧裝就作為通常的接地回路。如果水下的需求功能點(diǎn)特別多的話，就需要有足夠多的電纜來傳輸控制信號(hào)。功能越多，控制電纜的直徑越大，纏繞電纜的滾筒的直徑就會(huì)越大，生產(chǎn)制造的成本也就越高。

液壓泵站的主要作用是提供工作所需的壓力油，主要由兩臺(tái)可靠性較高的液壓變量泵、限壓閥和各類液壓輔助元件組成。液壓控制元件包括各種所需的開關(guān)式壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥等，其作用是接收控制信號(hào)，從而控制執(zhí)行元件按要求完成各種動(dòng)作。井口防噴裝置是該系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它以液壓防噴器為主，由密封液壓缸驅(qū)動(dòng)密封膠心實(shí)現(xiàn)對管柱的密封。圖4 為液壓系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)由動(dòng)力裝置和四個(gè)執(zhí)行單元組成。1 為電控電磁閥控制的雙閘板防噴器的驅(qū)動(dòng)液壓缸;2 為舉升油缸;3 為控制油路油壓的液壓馬達(dá);4 為控制環(huán)形防噴器通壓力油。

2.2 多回路液壓控制系統(tǒng)

多路液壓控制系統(tǒng)如圖5 所示。平臺(tái)控制柜通過一根光纜或者通訊電纜來傳輸全部的控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)經(jīng)過平臺(tái)上的多路控制系統(tǒng)連續(xù)化和編碼后，通過光纜或者電纜傳輸?shù)剿驴刂葡洌驴刂葡鋬?nèi)的電子模塊將控制信號(hào)進(jìn)行解碼，在功能執(zhí)行前要將信息重新傳遞校驗(yàn)無誤后，控制相應(yīng)的電磁閥執(zhí)行功能。與單路電液控制系統(tǒng)相比，控制電纜或者光纜的數(shù)量減少許多，下放電纜的滾筒的體積也相應(yīng)的減少，從而能節(jié)約一定的成本，此外多路控制系統(tǒng)的邏輯電路還可以增加系統(tǒng)額外的安全性。

圖4 防噴器控制系統(tǒng)液壓原理圖

圖5 多路電液控制系統(tǒng)示意圖

3 防噴器組智能控制裝置

本課題的研究核心是人工智能裝置，我們可將CPU226 作為一個(gè)控制站，通過在井口處安裝甲烷氣體濃度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等實(shí)現(xiàn)對井口危險(xiǎn)信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測，并將其檢測信號(hào)輸入PLC 中，PLC 通過程序運(yùn)算的結(jié)果來驅(qū)動(dòng)防噴器，通過HMI 面板的實(shí)時(shí)顯示信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

PLC 可編程控制器是一種運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)［5］。它采用一類可編程的儲(chǔ)存器，用于內(nèi)部儲(chǔ)存程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)等面向?qū)ο蟮目刂浦噶?，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC 是控制的核心部分，PLC 控制系統(tǒng)中的控制軟件具有編程靈活、容易修改，而且功能易于擴(kuò)展，是一種柔性控制系統(tǒng)［6］。此外，其具有適應(yīng)能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。所以更適宜用于深水作業(yè)的惡劣環(huán)境。西門子S7 -200PLC 輸入輸出分配圖與程序控制梯形圖如圖6 和圖7 所示。

4 實(shí)驗(yàn)室模擬運(yùn)行

4.1 按設(shè)計(jì)進(jìn)行接線

PLC 選用CPU 226 交流電源，擴(kuò)展模塊選用EM231 RTD 模塊。首先將PLC 電源端口接入220v 交流電源，擴(kuò)展模塊24 伏電源接入PLC;輸入端接入壓力傳感器，電源正極接PLC 的L+，負(fù)極接PLC 的M 端口。溫度傳感器接法是將EM231 的A +端子和a-端子相連，B+和b-端子相連，然后將溫度傳感器和甲烷氣體濃度傳感器的三線按照紅線接A +端子，藍(lán)線接B +端子，黑線接地連接。輸出端是三個(gè)電磁閥，分別接Q0.5、Q0.6、Q0.7 端口，另一端接交流電源一端，交流電源另一端接2L端口。

4.2 PLC 程序調(diào)試及運(yùn)行

PLC［7］通過EM231 采集溫度信號(hào)和甲烷氣體濃度信號(hào)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過AIW0 和AIW2 兩個(gè)地址傳給PLC，將采集來的數(shù)字信號(hào)和標(biāo)定值比較，當(dāng)溫度、甲烷濃度或壓力達(dá)到第一標(biāo)定溫度值時(shí)Q0.5 導(dǎo)通常規(guī)閘板防噴器和環(huán)形防噴器關(guān)閉;當(dāng)溫度、甲烷濃度或壓力到達(dá)第二標(biāo)定值時(shí)，剪切閘板防噴器、常規(guī)閘板防噴器和環(huán)形防噴器都關(guān)閉。

5 結(jié)束語

與常規(guī)式防噴器組相比，智能防噴器組具有以下優(yōu)點(diǎn):①由于智能防噴器控制系統(tǒng)利用PLC 作為控制器，響應(yīng)速度快，關(guān)閉及時(shí)，控制方便靈活;②智能防噴系統(tǒng)采用了甲烷氣體濃度傳感器，溫度傳感器，壓力傳感器作為控制信號(hào)采集裝置，可使系統(tǒng)控制準(zhǔn)確、可靠;③智能防噴器系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程組態(tài)監(jiān)控，操作人員可遠(yuǎn)離控制現(xiàn)場，并可做到提前預(yù)警，控制更加安全可靠。

［1］李博，張作龍.深水防噴器組控制系統(tǒng)的發(fā)展［J］.流體傳動(dòng)與控制，2008(4):39.

［2］李誠銘.新編石油鉆井工程實(shí)用技術(shù)手冊［K］. 中國知識(shí)出版社，2006(8):737 -738.

［3］海洋鉆井手冊編審組.海洋鉆井手冊(下冊)［K］.北京:中國海洋石油總公司，1996.

［4］Stivers G S.Cameron Iron Works，Inc.Electro-Hydraulic Control Sysrems for Subsea Applications，SPE-European Spring Meeting，SPE3762，1972，3:1 -2.

［5］高鴻斌，孔美靜，赫孟合. 西門子PLC 與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［6］任偉紅，周洪，謝國勝，等. 基于西門子S7—226 PLC 分布式海關(guān)條碼監(jiān)控系統(tǒng)［J］. 微計(jì)算機(jī)信息，2001，17(4):10-11.

［7］陳新崗，彭杰，李樹仿.基于PLC 的XLPE 電纜在線監(jiān)測與故障診斷［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011(5):95 -99.