ZD-50/25E型井口电磁阀控制系统现状分析及优化

2016-09-03李旺寇苗苗刘书炳陈烨杨洋项文钦杨帆

石油化工应用 2016年7期

关键词：主阀里格卸荷

李旺，寇苗苗，刘书炳，陈烨，杨洋，项文钦，杨帆

（1.中国石油长庆油田分公司第五采气厂，陕西西安710021；2.中国石油长庆油田分公司第一采气厂，宁夏银川750006）

智能油化工程

ZD-50/25E型井口电磁阀控制系统现状分析及优化

李旺1，寇苗苗1，刘书炳1，陈烨1，杨洋2，项文钦1，杨帆1

（1.中国石油长庆油田分公司第五采气厂，陕西西安710021；2.中国石油长庆油田分公司第一采气厂，宁夏银川750006）

井口电磁阀控制系统的稳定可靠是气田安全生产的保障。现场应用表明，基于电-气工作原理的ZD-50/25E型井口电磁阀安全控制系统故障多源于机械和电路部分，为了从本质上提高系统的可靠性，需对现有的电磁阀安全控制系统的现状进行分析和优化。本文分析了苏里格气田ZD-50/25E型井口电磁阀控制系统的工作原理及特点；针对系统部分现状，从系统架构、安装接线、运行环境等因素，提出了系统目前存在的问题。分析提出了机械部分和电路部分的优化方案和整改建议。卸荷孔与外界大气阻隔、提高电磁头工作电流，采用改进型高度集成化的自动化架构等研究成果可为苏里格气田井口安全控制系统优化改造和井口保护装置的后续设备采购提供参考依据。

电磁阀控制系统；电-气工作原理；电路；优化

1　ZD-50/25E型井口电磁阀运行概况

苏里格气田井口截断控制系统是一种结合实际工况条件的ESD紧急关闭系统，是苏里格气田SCADA控制系统的重要组成部分。ZD-50/25E型井口电磁阀占截断阀总数的66.67%，同时也是发生故障率最高的井口截断阀［1-3］。

1.1ZD-50/25E型井口电磁阀控制原理

苏里格气田井口截断控制系统主要通过上位机发送指令，通过无线电台传输系统至井口前端控制终端RTU实现电磁阀的远程控制及高低压保护。系统架构（见图1）。

图1　井口截断控制系统架构图

2　ZD-50/25E型井口电磁阀工作原理

2.1开阀工作原理

平衡孔锁芯电磁头通电，平衡孔锁芯电磁头得电，锁芯向后运动，平衡孔副阀芯在弹簧张力作用下向前运动堵住平衡孔，5 s后平衡孔锁芯电磁头断电复位，此时平衡孔完全关闭，主阀芯上腔与下腔气体隔离。然后卸荷孔副阀芯电磁头通电，卸荷孔副阀芯向后运动，卸荷孔锁芯在弹簧张力作用下复位锁住卸荷孔副阀芯，5 s后卸荷孔副阀芯电磁头断电卸荷孔完全打开，主阀芯上阀腔气体排空。此时下阀腔气体压力大于上阀腔气体压力，在压差作用下推动主阀芯向上运动，电磁阀阀体打开，上下游管线联通（见图2）。

图2　ZD-50/25E型井口电磁阀横向剖面图

2.2关阀工作原理

首先卸荷孔锁芯电磁头通电，卸荷孔锁芯电磁头得电，锁芯向后运动，卸荷孔副阀芯在弹簧张力作用下向前运动堵住卸荷孔，5 s后平衡孔锁芯电磁头断电复位，此时卸荷孔完全关闭，上腔与外界大气环境隔离。然后平衡孔副阀芯电磁头通电，平衡孔副阀芯向后运动，平衡孔锁芯在弹簧张力作用下复位锁住平衡孔副阀芯，5 s后平衡孔副阀芯电磁头断电卸荷孔完全打开，主阀芯上阀腔与下阀腔气体联通。此时上阀腔气体压力与下阀腔气体压力相平，在主阀芯弹簧张力作用下推动主阀芯向下运动，电磁阀阀体关闭，上下游管线隔断（见图3）。

图3　接头体套件剖面示意图

3　井口电磁阀现场应用中存在的问题

3.1远程开、关井阀体无动作

上位机下发指令远程控制电磁阀，而现场电磁阀主阀芯不能提升或下坐，无法实现远程作业。

原因分析：丛式井井场占地面积较大，电磁阀通常距离井场水泥杆较远，负载线路的阻抗较大，井场供电蓄电池的带负载能力有限，导致在电磁头处的负载电流减弱，电磁头所产生的电磁力无法抵消副阀芯和锁芯背后小弹簧的张力，所以副阀芯和锁芯不动作。在副阀芯和锁芯不动作的情况下，主阀芯上腔与下腔的压力无法正常切换导致远程开、关井无动作。

3.2远程开阀长排气

苏里格气田外部环境恶劣，常年风沙较大。当有沙粒进入平衡孔副阀芯接头体套时，导致平衡孔副阀芯在接头体套件的通道内的行程受阻，在弹簧张力作用下无法正常复位。主阀芯上腔与下腔气体联通，无法正常阻隔，当卸荷孔副阀芯打开时主阀芯上腔一直有气体介质从下阀腔连续进入造成开井长排气现象。

3.3远程关阀长排气

苏里格气田最北气井含水量较高，水气比高达1.706 1。因为卸荷孔副阀芯打开正常泄压时上阀腔的气体会携带液体排出，当卸荷孔副阀芯在接头体套件有液体存在时，导致卸荷副阀芯在接头体套件的通道内的行程同样受阻，在弹簧张力作用下无法正常复位，导致上阀腔与大气之间的卸荷孔无法正常关闭，当平衡孔副阀芯打开时主阀芯上腔一直有气体介质从下阀腔连续进入造成关井长排气现象。当平衡孔副阀芯打开时主阀芯上腔一直有气体介质从下阀腔连续进入外漏至大气环境造成关井长排气。

4　方案及解决措施

4.1增加BOOST电路升压模块提高带负载能力

采用BOOST电路实现增大输出电压，开关接通时给电感L1充电，开关断开时电感L1放电，L1放电时把储存的能量通过二极管给电容V0（见图4）。

图4　BOOST电路图

已知：

得到：

式中：i（t）-负载电流，A；C-电容大小，F；dV0-通电电容两端的电压强度，V。

所以BOOST电路电容的输出电压是电流关于时间的积分，晶体管导通时间越长，电容两端的电压将越高。这样在负载端电阻一定的情况下负载电流可以适当增大，提高了电磁头的负载电流。

4.2加装BOOST电路带负载能力实验数据分析

由安培定则可知，通电线圈产生的电磁力：

式中：F-电线圈产生的电磁力，N；B-磁场强度，A/m；I-通电导体中的电流强度，A；L-通电导体处在磁场中的长度，m。

经过试验得到电磁头副阀芯和锁芯克服弹簧弹力的临界电流为5.8 A。通过加装BOOST电路升压模块，研究带负载能力的实验数据如下［4］。

4.2.1室内环境下常温负载试验（见表1）

4.2.2-17℃环境低温负载试验（见表2）根据室内温度与-17℃低温环境，加装BOOST电路带负载能力的实验数据可知，在电磁头克服弹簧弹力的临界电流5.8 A一定的情况下，电容V0的输出电压越大所带负载电阻的能力越强。表1、表2数据比较可知环境温度越低带负载电阻的能力越弱，所以考虑到冬季低温环境的影响应相应的将输出电压的值增大的多一点，留有一定的余量。

4.3增大接头体套件的行程通道动作的灵活性

接头体套件的机械部件结构进行改造阻止杂质进入副阀芯和锁芯，增大行程通道动作的灵活性，解决远程开关井长排气问题（见图5）。

通过增大副阀芯与电磁头导套的间隙，以减少杂质进入电磁头内部后引起的发卡不灵活；并在接头体与副阀芯配合端增加一特殊材质的镶套橡胶圈，在保证导向的前提下，起到剐蹭和过滤的作用；同时在接头体锁芯端内部设置一凹槽，减少机械磨损带来的锁芯动作不灵活。这样在沙粒和液体存在时引起的卡涩现象可以完全解决，远程开关井长排气问题可以完全解决。