李旺，寇苗苗，劉書(shū)炳，陳燁，楊洋，項(xiàng)文欽，楊帆

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安710021；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

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智能油化工程

ZD-50/25E型井口電磁閥控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及優(yōu)化

李旺1，寇苗苗1，劉書(shū)炳1，陳燁1，楊洋2，項(xiàng)文欽1，楊帆1

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安710021；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

井口電磁閥控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠是氣田安全生產(chǎn)的保障?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，基于電-氣工作原理的ZD-50/25E型井口電磁閥安全控制系統(tǒng)故障多源于機(jī)械和電路部分，為了從本質(zhì)上提高系統(tǒng)的可靠性，需對(duì)現(xiàn)有的電磁閥安全控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析和優(yōu)化。本文分析了蘇里格氣田ZD-50/25E型井口電磁閥控制系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)；針對(duì)系統(tǒng)部分現(xiàn)狀，從系統(tǒng)架構(gòu)、安裝接線、運(yùn)行環(huán)境等因素，提出了系統(tǒng)目前存在的問(wèn)題。分析提出了機(jī)械部分和電路部分的優(yōu)化方案和整改建議。卸荷孔與外界大氣阻隔、提高電磁頭工作電流，采用改進(jìn)型高度集成化的自動(dòng)化架構(gòu)等研究成果可為蘇里格氣田井口安全控制系統(tǒng)優(yōu)化改造和井口保護(hù)裝置的后續(xù)設(shè)備采購(gòu)提供參考依據(jù)。

電磁閥控制系統(tǒng)；電-氣工作原理；電路；優(yōu)化

1　ZD-50/25E型井口電磁閥運(yùn)行概況

蘇里格氣田井口截?cái)嗫刂葡到y(tǒng)是一種結(jié)合實(shí)際工況條件的ESD緊急關(guān)閉系統(tǒng)，是蘇里格氣田SCADA控制系統(tǒng)的重要組成部分。ZD-50/25E型井口電磁閥占截?cái)嚅y總數(shù)的66.67%，同時(shí)也是發(fā)生故障率最高的井口截?cái)嚅y［1-3］。

1.1ZD-50/25E型井口電磁閥控制原理

蘇里格氣田井口截?cái)嗫刂葡到y(tǒng)主要通過(guò)上位機(jī)發(fā)送指令，通過(guò)無(wú)線電臺(tái)傳輸系統(tǒng)至井口前端控制終端RTU實(shí)現(xiàn)電磁閥的遠(yuǎn)程控制及高低壓保護(hù)。系統(tǒng)架構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

圖1　井口截?cái)嗫刂葡到y(tǒng)架構(gòu)圖

2　ZD-50/25E型井口電磁閥工作原理

2.1開(kāi)閥工作原理

平衡孔鎖芯電磁頭通電，平衡孔鎖芯電磁頭得電，鎖芯向后運(yùn)動(dòng)，平衡孔副閥芯在彈簧張力作用下向前運(yùn)動(dòng)堵住平衡孔，5 s后平衡孔鎖芯電磁頭斷電復(fù)位，此時(shí)平衡孔完全關(guān)閉，主閥芯上腔與下腔氣體隔離。然后卸荷孔副閥芯電磁頭通電，卸荷孔副閥芯向后運(yùn)動(dòng)，卸荷孔鎖芯在彈簧張力作用下復(fù)位鎖住卸荷孔副閥芯，5 s后卸荷孔副閥芯電磁頭斷電卸荷孔完全打開(kāi)，主閥芯上閥腔氣體排空。此時(shí)下閥腔氣體壓力大于上閥腔氣體壓力，在壓差作用下推動(dòng)主閥芯向上運(yùn)動(dòng)，電磁閥閥體打開(kāi)，上下游管線聯(lián)通（見(jiàn)圖2）。

圖2　ZD-50/25E型井口電磁閥橫向剖面圖

2.2關(guān)閥工作原理

首先卸荷孔鎖芯電磁頭通電，卸荷孔鎖芯電磁頭得電，鎖芯向后運(yùn)動(dòng)，卸荷孔副閥芯在彈簧張力作用下向前運(yùn)動(dòng)堵住卸荷孔，5 s后平衡孔鎖芯電磁頭斷電復(fù)位，此時(shí)卸荷孔完全關(guān)閉，上腔與外界大氣環(huán)境隔離。然后平衡孔副閥芯電磁頭通電，平衡孔副閥芯向后運(yùn)動(dòng)，平衡孔鎖芯在彈簧張力作用下復(fù)位鎖住平衡孔副閥芯，5 s后平衡孔副閥芯電磁頭斷電卸荷孔完全打開(kāi)，主閥芯上閥腔與下閥腔氣體聯(lián)通。此時(shí)上閥腔氣體壓力與下閥腔氣體壓力相平，在主閥芯彈簧張力作用下推動(dòng)主閥芯向下運(yùn)動(dòng)，電磁閥閥體關(guān)閉，上下游管線隔斷（見(jiàn)圖3）。

圖3　接頭體套件剖面示意圖

3　井口電磁閥現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題

3.1遠(yuǎn)程開(kāi)、關(guān)井閥體無(wú)動(dòng)作

上位機(jī)下發(fā)指令遠(yuǎn)程控制電磁閥，而現(xiàn)場(chǎng)電磁閥主閥芯不能提升或下坐，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程作業(yè)。

原因分析：叢式井井場(chǎng)占地面積較大，電磁閥通常距離井場(chǎng)水泥桿較遠(yuǎn)，負(fù)載線路的阻抗較大，井場(chǎng)供電蓄電池的帶負(fù)載能力有限，導(dǎo)致在電磁頭處的負(fù)載電流減弱，電磁頭所產(chǎn)生的電磁力無(wú)法抵消副閥芯和鎖芯背后小彈簧的張力，所以副閥芯和鎖芯不動(dòng)作。在副閥芯和鎖芯不動(dòng)作的情況下，主閥芯上腔與下腔的壓力無(wú)法正常切換導(dǎo)致遠(yuǎn)程開(kāi)、關(guān)井無(wú)動(dòng)作。

3.2遠(yuǎn)程開(kāi)閥長(zhǎng)排氣

蘇里格氣田外部環(huán)境惡劣，常年風(fēng)沙較大。當(dāng)有沙粒進(jìn)入平衡孔副閥芯接頭體套時(shí)，導(dǎo)致平衡孔副閥芯在接頭體套件的通道內(nèi)的行程受阻，在彈簧張力作用下無(wú)法正常復(fù)位。主閥芯上腔與下腔氣體聯(lián)通，無(wú)法正常阻隔，當(dāng)卸荷孔副閥芯打開(kāi)時(shí)主閥芯上腔一直有氣體介質(zhì)從下閥腔連續(xù)進(jìn)入造成開(kāi)井長(zhǎng)排氣現(xiàn)象。

3.3遠(yuǎn)程關(guān)閥長(zhǎng)排氣

蘇里格氣田最北氣井含水量較高，水氣比高達(dá)1.706 1。因?yàn)樾逗煽赘遍y芯打開(kāi)正常泄壓時(shí)上閥腔的氣體會(huì)攜帶液體排出，當(dāng)卸荷孔副閥芯在接頭體套件有液體存在時(shí)，導(dǎo)致卸荷副閥芯在接頭體套件的通道內(nèi)的行程同樣受阻，在彈簧張力作用下無(wú)法正常復(fù)位，導(dǎo)致上閥腔與大氣之間的卸荷孔無(wú)法正常關(guān)閉，當(dāng)平衡孔副閥芯打開(kāi)時(shí)主閥芯上腔一直有氣體介質(zhì)從下閥腔連續(xù)進(jìn)入造成關(guān)井長(zhǎng)排氣現(xiàn)象。當(dāng)平衡孔副閥芯打開(kāi)時(shí)主閥芯上腔一直有氣體介質(zhì)從下閥腔連續(xù)進(jìn)入外漏至大氣環(huán)境造成關(guān)井長(zhǎng)排氣。

4　方案及解決措施

4.1增加BOOST電路升壓模塊提高帶負(fù)載能力

采用BOOST電路實(shí)現(xiàn)增大輸出電壓，開(kāi)關(guān)接通時(shí)給電感L1充電，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電感L1放電，L1放電時(shí)把儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管給電容V0（見(jiàn)圖4）。

圖4　BOOST電路圖

已知：

得到：

式中：i（t）-負(fù)載電流，A；C-電容大小，F(xiàn)；dV0-通電電容兩端的電壓強(qiáng)度，V。

所以BOOST電路電容的輸出電壓是電流關(guān)于時(shí)間的積分，晶體管導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，電容兩端的電壓將越高。這樣在負(fù)載端電阻一定的情況下負(fù)載電流可以適當(dāng)增大，提高了電磁頭的負(fù)載電流。

4.2加裝BOOST電路帶負(fù)載能力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由安培定則可知，通電線圈產(chǎn)生的電磁力：

式中：F-電線圈產(chǎn)生的電磁力，N；B-磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；I-通電導(dǎo)體中的電流強(qiáng)度，A；L-通電導(dǎo)體處在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，m。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到電磁頭副閥芯和鎖芯克服彈簧彈力的臨界電流為5.8 A。通過(guò)加裝BOOST電路升壓模塊，研究帶負(fù)載能力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下［4］。

4.2.1室內(nèi)環(huán)境下常溫負(fù)載試驗(yàn)（見(jiàn)表1）

4.2.2-17℃環(huán)境低溫負(fù)載試驗(yàn)（見(jiàn)表2）根據(jù)室內(nèi)溫度與-17℃低溫環(huán)境，加裝BOOST電路帶負(fù)載能力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在電磁頭克服彈簧彈力的臨界電流5.8 A一定的情況下，電容V0的輸出電壓越大所帶負(fù)載電阻的能力越強(qiáng)。表1、表2數(shù)據(jù)比較可知環(huán)境溫度越低帶負(fù)載電阻的能力越弱，所以考慮到冬季低溫環(huán)境的影響應(yīng)相應(yīng)的將輸出電壓的值增大的多一點(diǎn)，留有一定的余量。

4.3增大接頭體套件的行程通道動(dòng)作的靈活性

接頭體套件的機(jī)械部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造阻止雜質(zhì)進(jìn)入副閥芯和鎖芯，增大行程通道動(dòng)作的靈活性，解決遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)井長(zhǎng)排氣問(wèn)題（見(jiàn)圖5）。

通過(guò)增大副閥芯與電磁頭導(dǎo)套的間隙，以減少雜質(zhì)進(jìn)入電磁頭內(nèi)部后引起的發(fā)卡不靈活；并在接頭體與副閥芯配合端增加一特殊材質(zhì)的鑲套橡膠圈，在保證導(dǎo)向的前提下，起到剮蹭和過(guò)濾的作用；同時(shí)在接頭體鎖芯端內(nèi)部設(shè)置一凹槽，減少機(jī)械磨損帶來(lái)的鎖芯動(dòng)作不靈活。這樣在沙粒和液體存在時(shí)引起的卡澀現(xiàn)象可以完全解決，遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)井長(zhǎng)排氣問(wèn)題可以完全解決。

表1　常溫環(huán)境帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2　-17℃環(huán)境帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5　接頭體套件改造對(duì)比圖

5　ZD-50/25E型井口電磁閥改造后效果評(píng)價(jià)

通過(guò)加裝BOOST電路升壓模塊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的效果前后對(duì)比統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，由于電流無(wú)法達(dá)到臨界電流造成ZD-50/25E電磁閥改造后遠(yuǎn)程開(kāi)、關(guān)井無(wú)動(dòng)作現(xiàn)象已由改造前的月均3.85井次徹底降至月均0井次，該問(wèn)題通過(guò)改造后可以完全解決。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)ZD-50/25E電磁閥通過(guò)增大副閥芯與電磁頭導(dǎo)套的間隙并在接頭體與副閥芯配合端增加一特殊材質(zhì)的鑲套橡膠圈填料改造后，遠(yuǎn)程開(kāi)、關(guān)井長(zhǎng)排氣現(xiàn)象已由改造前的月均4.75井次徹底降至月均0.5井次，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題得到了較大改善。

6　結(jié)論

本文針對(duì)蘇里格氣田基于電-氣工作原理的井口安全控制系統(tǒng)ZD-50/25E型電磁閥，分析了其工作原理和特點(diǎn)，以及自身結(jié)構(gòu)部分的現(xiàn)狀對(duì)其運(yùn)行環(huán)境方面提出了優(yōu)化方案和建議。避免給氣田正常的生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)環(huán)境污染及遠(yuǎn)程開(kāi)、關(guān)閥無(wú)動(dòng)作時(shí)帶來(lái)的重大安全隱患。

［1］李瑜，鐘謹(jǐn)瑞，張運(yùn)生，等.國(guó)內(nèi)外井口安全系統(tǒng)的現(xiàn)狀及基本做法［J］.天然氣工業(yè)，2008，（1）：140-142+178.

［2］高久生，汪三谷，文志.井口安全截?cái)嘞到y(tǒng)在大天池氣田的應(yīng)用［J］.天然氣與石油，2002，（4）：10-13.

［3］劉武，吳震，趙曉，等.克拉2氣田自動(dòng)化儀表系統(tǒng)現(xiàn)狀及評(píng)價(jià)［J］.石油與天然氣化工，2006，（6）：450-452+417.

［4］張先敏.復(fù)雜介質(zhì)煤層氣運(yùn)移模型及數(shù)值模擬研究［D］.中國(guó)石油大學(xué)，2010.

TE931.1

A

1673-5285（2016）07-0110-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.07.027

2016－05-14