陳少成，王 沖

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

石油鉆井中通常利用泥漿循環(huán)來實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)功能。閥門組作為控制泥漿泵排出泥漿的關(guān)鍵設(shè)備，使用頻繁，且每次開啟泥漿泵前，都需要石油工人將閥門組上通路的閥門完全打開，閉路的閥門完全關(guān)閉[1]。由于閘閥的扭矩大，且工人無法準(zhǔn)確判斷閥門是否完全開啟或關(guān)閉，所以工人往往采用加力杠大力開啟或關(guān)閉閥門的方法，來確保閥門完全的開啟和關(guān)閉。該工作不僅僅耗時(shí)耗力，往往還會(huì)因過度開關(guān)閥門導(dǎo)致閥門閘板受損，從而降低閥門的密封性和使用壽命。盡管近年來，鉆井公司嘗試采購新的閥門組設(shè)備，代替原有的泥漿閥門組，但都因新設(shè)備成本過高，占地面積較大而使上述問題沒有得到很好的解決[2]。

經(jīng)過長期的實(shí)地考察，本文提出了一種新型的遠(yuǎn)程自控泥漿閥門組系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在原有泥漿閥門組的基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)而完成的。基于成熟的PLC 技術(shù)，系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序進(jìn)行高效、有序的工作，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆井效率，保證了工作的安全進(jìn)行[3]。

1 總體結(jié)構(gòu)方案

1.1 布局和技術(shù)參數(shù)

遠(yuǎn)程自控泥漿閥門組系統(tǒng)主要由底座、高壓泥漿閥門、電動(dòng)執(zhí)行器、安全閥門等組成。遠(yuǎn)程自控泥漿閥門組系統(tǒng)工作時(shí)，通過操控安裝在高壓泥漿閥門上的電動(dòng)執(zhí)行器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)通路上的泥漿閥門開啟，閉路上的泥漿閥門關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)泥漿的灌入，完成鉆井工作。其中電動(dòng)執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操控與自動(dòng)操控的切換，當(dāng)系統(tǒng)電路出現(xiàn)故障或者需要手動(dòng)關(guān)閉泥漿閥門時(shí)，只需扳動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)至手動(dòng)操作，然后通過轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行器上的手環(huán)，即可完成手動(dòng)關(guān)閉泥漿閥門的操作?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)程自控泥漿閥門組系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)為：

電動(dòng)執(zhí)行器電源：AC380V±5%、50HZ

電動(dòng)執(zhí)行器輸出扭矩：250N·m

電動(dòng)執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)速：20r/min

電動(dòng)執(zhí)行器環(huán)境溫度：-40～+60℃

高壓泥漿閥門通徑與壓力：DN50mm、70MPa

1.2 原始閥門的改造及電動(dòng)執(zhí)行器的選型

閥門作為本控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，為了能夠使原始機(jī)械閥門實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本套遠(yuǎn)程自控泥漿閥門組系統(tǒng)高壓泥漿閥門由原始泥漿閥門改造后而來，為方便閥門與電動(dòng)執(zhí)行器的連接，在對(duì)原始閥門改造設(shè)計(jì)過程中去掉了原始閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，保留了原有的螺桿。

電動(dòng)執(zhí)行器作為一種驅(qū)動(dòng)閥門的新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于其自身的精密電子元件，以及使用環(huán)境的影響[2]。因此為了保證該系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，根據(jù)現(xiàn)場使用的工況，選用的電動(dòng)執(zhí)行器需要滿足以下幾點(diǎn)要求：1）供電電源AC380 或220V。2）可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。緊急時(shí)可手動(dòng)操作。3）具有防爆要求，4）輸出扭矩為250～300NM。

電動(dòng)執(zhí)行器的控制模式[4]一般分為開關(guān)型（開環(huán)控制）和調(diào)節(jié)型（閉環(huán)控制）兩大類。開關(guān)型（開環(huán)控制）電動(dòng)執(zhí)行器一般實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門全關(guān)或者全開兩種狀態(tài)的控制，所控制的閥門不需對(duì)介質(zhì)流量進(jìn)行精確控制。調(diào)節(jié)型（閉環(huán)控制）電動(dòng)執(zhí)行器能對(duì)閥門進(jìn)行精確控制，從而精確調(diào)節(jié)介質(zhì)流量。

通過對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器工作原理的了解以及現(xiàn)場使用工況的要求，選用的電動(dòng)執(zhí)行器為防爆型電動(dòng)執(zhí)行器，防護(hù)等級(jí)IP67，電源為三相交流380V，50HZ，輸出扭矩為300NM。電動(dòng)執(zhí)行器與閥門之間采用法蘭盤支座的形式進(jìn)行連接，最終效果如圖2 所示。

圖2 執(zhí)行器安裝圖

1.3 底座的設(shè)計(jì)

底座作為整個(gè)系統(tǒng)的承重部件，為了保證底座能夠在承受泥漿閥門、電動(dòng)執(zhí)行器以及各泥漿管道的重力下不變形，底座整體采用工字鋼，表面鋼板焊接而成。底座表面設(shè)置有走線孔、管道固定座，這樣既保證了底座的整潔，使電纜不受破壞，同時(shí)又保證了工作時(shí)管道的穩(wěn)定性。且底座為整體撬裝設(shè)計(jì)，兩邊由無縫鋼管連接，便于對(duì)泥漿閥門組進(jìn)行整體的移動(dòng)以及設(shè)備維護(hù)。設(shè)計(jì)的效果如圖3 所示。

2 控制系統(tǒng)

2.1 工作原理

圖3 底座結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)基于成熟的PLC 技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由泥漿閥門和電動(dòng)執(zhí)行器以及外部交接設(shè)備組成。電動(dòng)執(zhí)行器內(nèi)部設(shè)置有編碼器，可以對(duì)閥門的開關(guān)程度進(jìn)行精確的記錄，通過對(duì)全開和全閉的位置進(jìn)行記錄，來檢測在工作時(shí)閥門是否全關(guān)或者全開。所有的測量動(dòng)態(tài)參數(shù)都用于計(jì)算閥門開關(guān)的程度，并通過反饋數(shù)據(jù)來調(diào)整執(zhí)行器的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)全程自動(dòng)化控制。當(dāng)現(xiàn)場線路出現(xiàn)故障，或緊急條件下可操縱轉(zhuǎn)換手柄至手動(dòng)模式，此時(shí)啟動(dòng)手動(dòng)操作，即可人工操作。在啟動(dòng)電機(jī)后，自動(dòng)脫離手動(dòng)操作，轉(zhuǎn)為自動(dòng)操作模式。

2.2 工作流程

圖4 為本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)邏輯圖?；阢@井現(xiàn)場三臺(tái)泥漿泵兩用一備、泥漿出口一用一備的情況，本程序設(shè)計(jì)邏輯圖就以開1、2 號(hào)泵，1 號(hào)泥漿出口為例進(jìn)行說明。

圖4 程序邏輯圖

遠(yuǎn)程自控泥漿閥門組系統(tǒng)工作時(shí)，首先閥門組固定在底座，然后組裝好閥門組系統(tǒng)，手動(dòng)模式下設(shè)置電動(dòng)執(zhí)行器的行程，使其行程剛好可以讓泥漿閥處于全開或者全閉狀態(tài)，調(diào)好后，電動(dòng)執(zhí)行器通電，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切換到電動(dòng)模式，選擇需要打開的泥漿泵和泥漿通道，例如選擇打開泥漿泵1 和泥漿通道1，首先開啟1#泥漿閥門，當(dāng)1# 泥漿閥門開啟程度達(dá)到閥門完全開啟的位置時(shí)，指示燈“開到位”亮起，表示閥門已經(jīng)完全打開，此時(shí)即可進(jìn)行開啟7#泥漿閥門的操作，若開啟1# 泥漿閥門時(shí)指示燈“開到位”沒有亮起，表示1#泥漿閥門未完全開啟，檢查1#閥門的開啟情況，排除故障后即可繼續(xù)進(jìn)行下一步操作。當(dāng)兩個(gè)閥門均完全打開時(shí)，表示1 號(hào)泥漿通道暢通，然后關(guān)閉其他泥漿閥，當(dāng)其指示燈“關(guān)到位”亮起時(shí)，表示閥門已經(jīng)完全關(guān)閉，此時(shí)1號(hào)泥漿通道已經(jīng)設(shè)置完成，打開1# 泥漿泵即可進(jìn)行泥漿的輸入，進(jìn)行鉆井作業(yè)。

3 技術(shù)特點(diǎn)

1）該系統(tǒng)是在原有的閥門組上改造而完成，提高了漿閥門的利用率，節(jié)約了成本。

2）該系統(tǒng)控制部分采用PLC 技術(shù)，軟件開發(fā)簡單，控制程序編譯容易。

3）該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全過程、各個(gè)環(huán)結(jié)的數(shù)字化控制，且控制方式可集成到司鉆房由司鉆統(tǒng)一控制，節(jié)省了勞動(dòng)力，保障了工作的安全。

4）該系統(tǒng)設(shè)置有自我保護(hù)機(jī)制，當(dāng)電動(dòng)執(zhí)行器在工作過程中，閥門扭矩突然變大，或行程超出設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行器會(huì)自動(dòng)暫停工作，從而起到對(duì)設(shè)備的保護(hù)作用，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語

目前該系統(tǒng)已經(jīng)完成了總體方案設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分已完成底座的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵受力部分的強(qiáng)度校核與優(yōu)化，控制系統(tǒng)已完成控制流程設(shè)計(jì)和電器元件的選型。本設(shè)計(jì)的底座可以根據(jù)不同管徑更換不同尺寸的固定支座。當(dāng)需要釋放管道壓力時(shí)，只需打開泄壓口泥漿通道，即可釋放管道壓力。該遠(yuǎn)程自控泥漿閥門組的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自檢功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并亮起紅色故障燈。設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程自控泥漿閥門組系統(tǒng)將大大節(jié)約鉆井的成本，提高了鉆井的自動(dòng)化程度。