远程自控泥浆阀门组系统设计与应用

陈少成，王 冲

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

石油钻井中通常利用泥浆循环来实现钻进功能。阀门组作为控制泥浆泵排出泥浆的关键设备，使用频繁，且每次开启泥浆泵前，都需要石油工人将阀门组上通路的阀门完全打开，闭路的阀门完全关闭[1]。由于闸阀的扭矩大，且工人无法准确判断阀门是否完全开启或关闭，所以工人往往采用加力杠大力开启或关闭阀门的方法，来确保阀门完全的开启和关闭。该工作不仅仅耗时耗力，往往还会因过度开关阀门导致阀门闸板受损，从而降低阀门的密封性和使用寿命。尽管近年来，钻井公司尝试采购新的阀门组设备，代替原有的泥浆阀门组，但都因新设备成本过高，占地面积较大而使上述问题没有得到很好的解决[2]。

经过长期的实地考察，本文提出了一种新型的远程自控泥浆阀门组系统。该系统是在原有泥浆阀门组的基础上进行再设计而完成的。基于成熟的PLC 技术，系统可以根据预先设定好的程序进行高效、有序的工作，从而减轻工人的劳动强度，提高钻井效率，保证了工作的安全进行[3]。

1 总体结构方案

1.1 布局和技术参数

远程自控泥浆阀门组系统主要由底座、高压泥浆阀门、电动执行器、安全阀门等组成。远程自控泥浆阀门组系统工作时，通过操控安装在高压泥浆阀门上的电动执行器，来实现对通路上的泥浆阀门开启，闭路上的泥浆阀门关闭，从而实现泥浆的灌入，完成钻井工作。其中电动执行器可实现手动操控与自动操控的切换，当系统电路出现故障或者需要手动关闭泥浆阀门时，只需扳动转换开关至手动操作，然后通过转动电动执行器上的手环，即可完成手动关闭泥浆阀门的操作。总体结构如图1 所示。

图1 总体结构图

远程自控泥浆阀门组系统主要技术参数为：

电动执行器电源：AC380V±5%、50HZ

电动执行器输出扭矩：250N·m

电动执行器输出转速：20r/min

电动执行器环境温度：-40～+60℃

高压泥浆阀门通径与压力：DN50mm、70MPa

1.2 原始阀门的改造及电动执行器的选型

阀门作为本控制系统的关键设备，为了能够使原始机械阀门实现远程控制。本套远程自控泥浆阀门组系统高压泥浆阀门由原始泥浆阀门改造后而来，为方便阀门与电动执行器的连接，在对原始阀门改造设计过程中去掉了原始阀门的转动手柄，保留了原有的螺杆。

电动执行器作为一种驱动阀门的新型执行机构，由于其自身的精密电子元件，以及使用环境的影响[2]。因此为了保证该系统安全、稳定的运行，根据现场使用的工况，选用的电动执行器需要满足以下几点要求：1）供电电源AC380 或220V。2）可实现远程操控。紧急时可手动操作。3）具有防爆要求，4）输出扭矩为250～300NM。

电动执行器的控制模式[4]一般分为开关型（开环控制）和调节型（闭环控制）两大类。开关型（开环控制）电动执行器一般实现对阀门全关或者全开两种状态的控制，所控制的阀门不需对介质流量进行精确控制。调节型（闭环控制）电动执行器能对阀门进行精确控制，从而精确调节介质流量。

通过对电动执行器工作原理的了解以及现场使用工况的要求，选用的电动执行器为防爆型电动执行器，防护等级IP67，电源为三相交流380V，50HZ，输出扭矩为300NM。电动执行器与阀门之间采用法兰盘支座的形式进行连接，最终效果如图2 所示。

图2 执行器安装图

1.3 底座的设计

底座作为整个系统的承重部件，为了保证底座能够在承受泥浆阀门、电动执行器以及各泥浆管道的重力下不变形，底座整体采用工字钢，表面钢板焊接而成。底座表面设置有走线孔、管道固定座，这样既保证了底座的整洁，使电缆不受破坏，同时又保证了工作时管道的稳定性。且底座为整体撬装设计，两边由无缝钢管连接，便于对泥浆阀门组进行整体的移动以及设备维护。设计的效果如图3 所示。

2 控制系统

2.1 工作原理

图3 底座结构

控制系统基于成熟的PLC 技术，设计了一套自动化控制系统。该系统主要由泥浆阀门和电动执行器以及外部交接设备组成。电动执行器内部设置有编码器，可以对阀门的开关程度进行精确的记录，通过对全开和全闭的位置进行记录，来检测在工作时阀门是否全关或者全开。所有的测量动态参数都用于计算阀门开关的程度，并通过反馈数据来调整执行器的动作，从而实现阀门的开关全程自动化控制。当现场线路出现故障，或紧急条件下可操纵转换手柄至手动模式，此时启动手动操作，即可人工操作。在启动电机后，自动脱离手动操作，转为自动操作模式。

2.2 工作流程

图4 为本系统的程序设计逻辑图。基于钻井现场三台泥浆泵两用一备、泥浆出口一用一备的情况，本程序设计逻辑图就以开1、2 号泵，1 号泥浆出口为例进行说明。

图4 程序逻辑图

远程自控泥浆阀门组系统工作时，首先阀门组固定在底座，然后组装好阀门组系统，手动模式下设置电动执行器的行程，使其行程刚好可以让泥浆阀处于全开或者全闭状态，调好后，电动执行器通电，此时系统自动切换到电动模式，选择需要打开的泥浆泵和泥浆通道，例如选择打开泥浆泵1 和泥浆通道1，首先开启1#泥浆阀门，当1# 泥浆阀门开启程度达到阀门完全开启的位置时，指示灯“开到位”亮起，表示阀门已经完全打开，此时即可进行开启7#泥浆阀门的操作，若开启1# 泥浆阀门时指示灯“开到位”没有亮起，表示1#泥浆阀门未完全开启，检查1#阀门的开启情况，排除故障后即可继续进行下一步操作。当两个阀门均完全打开时，表示1 号泥浆通道畅通，然后关闭其他泥浆阀，当其指示灯“关到位”亮起时，表示阀门已经完全关闭，此时1号泥浆通道已经设置完成，打开1# 泥浆泵即可进行泥浆的输入，进行钻井作业。

3 技术特点

1）该系统是在原有的阀门组上改造而完成，提高了浆阀门的利用率，节约了成本。

2）该系统控制部分采用PLC 技术，软件开发简单，控制程序编译容易。

3）该系统可实现全过程、各个环结的数字化控制，且控制方式可集成到司钻房由司钻统一控制，节省了劳动力，保障了工作的安全。

4）该系统设置有自我保护机制，当电动执行器在工作过程中，阀门扭矩突然变大，或行程超出设定值时，执行器会自动暂停工作，从而起到对设备的保护作用，保证了系统的安全运行。

4 结语

目前该系统已经完成了总体方案设计。机械结构部分已完成底座的机械结构设计和关键受力部分的强度校核与优化，控制系统已完成控制流程设计和电器元件的选型。本设计的底座可以根据不同管径更换不同尺寸的固定支座。当需要释放管道压力时，只需打开泄压口泥浆通道，即可释放管道压力。该远程自控泥浆阀门组的控制系统可以实现自检功能，当设备出现故障时，系统会自动报警，并亮起红色故障灯。设计的远程自控泥浆阀门组系统将大大节约钻井的成本，提高了钻井的自动化程度。