ZD-50/25E型井口電磁閥控制系統現狀分析及優化

2016-09-03 05:48:37李旺寇苗苗劉書炳陳燁楊洋項文欽楊帆

石油化工應用 2016年7期

李旺，寇苗苗，劉書炳，陳燁，楊洋，項文欽，楊帆

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

智能油化工程

ZD-50/25E型井口電磁閥控制系統現狀分析及優化

李旺1，寇苗苗1，劉書炳1，陳燁1，楊洋2，項文欽1，楊帆1

（1.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安710021；2.中國石油長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的穩定可靠是氣田安全生產的保障。現場應用表明，基于電-氣工作原理的ZD-50/25E型井口電磁閥安全控制系統故障多源于機械和電路部分，為了從本質上提高系統的可靠性，需對現有的電磁閥安全控制系統的現狀進行分析和優化。本文分析了蘇里格氣田ZD-50/25E型井口電磁閥控制系統的工作原理及特點；針對系統部分現狀，從系統架構、安裝接線、運行環境等因素，提出了系統目前存在的問題。分析提出了機械部分和電路部分的優化方案和整改建議。卸荷孔與外界大氣阻隔、提高電磁頭工作電流，采用改進型高度集成化的自動化架構等研究成果可為蘇里格氣田井口安全控制系統優化改造和井口保護裝置的后續設備采購提供參考依據。

電磁閥控制系統；電-氣工作原理；電路；優化

1　ZD-50/25E型井口電磁閥運行概況

蘇里格氣田井口截斷控制系統是一種結合實際工況條件的ESD緊急關閉系統，是蘇里格氣田SCADA控制系統的重要組成部分。ZD-50/25E型井口電磁閥占截斷閥總數的66.67%，同時也是發生故障率最高的井口截斷閥［1-3］。

1.1ZD-50/25E型井口電磁閥控制原理

蘇里格氣田井口截斷控制系統主要通過上位機發送指令，通過無線電臺傳輸系統至井口前端控制終端RTU實現電磁閥的遠程控制及高低壓保護。系統架構（見圖1）。

圖1　井口截斷控制系統架構圖

2　ZD-50/25E型井口電磁閥工作原理

2.1開閥工作原理

平衡孔鎖芯電磁頭通電，平衡孔鎖芯電磁頭得電，鎖芯向后運動，平衡孔副閥芯在彈簧張力作用下向前運動堵住平衡孔，5 s后平衡孔鎖芯電磁頭斷電復位，此時平衡孔完全關閉，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動，卸荷孔鎖芯在彈簧張力作用下復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，主閥芯上閥腔氣體排空。此時下閥腔氣體壓力大于上閥腔氣體壓力，在壓差作用下推動主閥芯向上運動，電磁閥閥體打開，上下游管線聯通（見圖2）。

圖2　ZD-50/25E型井口電磁閥橫向剖面圖

2.2關閥工作原理

首先卸荷孔鎖芯電磁頭通電，卸荷孔鎖芯電磁頭得電，鎖芯向后運動，卸荷孔副閥芯在彈簧張力作用下向前運動堵住卸荷孔，5 s后平衡孔鎖芯電磁頭斷電復位，此時卸荷孔完全關閉，上腔與外界大氣環境隔離。然后平衡孔副閥芯電磁頭通電，平衡孔副閥芯向后運動，平衡孔鎖芯在彈簧張力作用下復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，主閥芯上閥腔與下閥腔氣體聯通。此時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主閥芯向下運動，電磁閥閥體關閉，上下游管線隔斷（見圖3）。

圖3　接頭體套件剖面示意圖

3　井口電磁閥現場應用中存在的問題

3.1遠程開、關井閥體無動作

上位機下發指令遠程控制電磁閥，而現場電磁閥主閥芯不能提升或下坐，無法實現遠程作業。

原因分析：叢式井井場占地面積較大，電磁閥通常距離井場水泥桿較遠，負載線路的阻抗較大，井場供電蓄電池的帶負載能力有限，導致在電磁頭處的負載電流減弱，電磁頭所產生的電磁力無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作。在副閥芯和鎖芯不動作的情況下，主閥芯上腔與下腔的壓力無法正常切換導致遠程開、關井無動作。

3.2遠程開閥長排氣

蘇里格氣田外部環境惡劣，常年風沙較大。當有沙粒進入平衡孔副閥芯接頭體套時，導致平衡孔副閥芯在接頭體套件的通道內的行程受阻，在彈簧張力作用下無法正常復位。主閥芯上腔與下腔氣體聯通，無法正常阻隔，當卸荷孔副閥芯打開時主閥芯上腔一直有氣體介質從下閥腔連續進入造成開井長排氣現象。

3.3遠程關閥長排氣

蘇里格氣田最北氣井含水量較高，水氣比高達1.706 1。因為卸荷孔副閥芯打開正常泄壓時上閥腔的氣體會攜帶液體排出，當卸荷孔副閥芯在接頭體套件有液體存在時，導致卸荷副閥芯在接頭體套件的通道內的行程同樣受阻，在彈簧張力作用下無法正常復位，導致上閥腔與大氣之間的卸荷孔無法正常關閉，當平衡孔副閥芯打開時主閥芯上腔一直有氣體介質從下閥腔連續進入造成關井長排氣現象。當平衡孔副閥芯打開時主閥芯上腔一直有氣體介質從下閥腔連續進入外漏至大氣環境造成關井長排氣。

4　方案及解決措施

4.1增加BOOST電路升壓模塊提高帶負載能力

采用BOOST電路實現增大輸出電壓，開關接通時給電感L1充電，開關斷開時電感L1放電，L1放電時把儲存的能量通過二極管給電容V0（見圖4）。

圖4　BOOST電路圖

已知：

得到：

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

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

4.2加裝BOOST電路帶負載能力實驗數據分析

由安培定則可知，通電線圈產生的電磁力：

式中：F-電線圈產生的電磁力，N；B-磁場強度，A/m；I-通電導體中的電流強度，A；L-通電導體處在磁場中的長度，m。

經過試驗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。通過加裝BOOST電路升壓模塊，研究帶負載能力的實驗數據如下［4］。

4.2.1室內環境下常溫負載試驗（見表1）

4.2.2-17℃環境低溫負載試驗（見表2）根據室內溫度與-17℃低溫環境，加裝BOOST電路帶負載能力的實驗數據可知，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載電阻的能力越強。表1、表2數據比較可知環境溫度越低帶負載電阻的能力越弱，所以考慮到冬季低溫環境的影響應相應的將輸出電壓的值增大的多一點，留有一定的余量。

4.3增大接頭體套件的行程通道動作的靈活性

接頭體套件的機械部件結構進行改造阻止雜質進入副閥芯和鎖芯，增大行程通道動作的靈活性，解決遠程開關井長排氣問題（見圖5）。

通過增大副閥芯與電磁頭導套的間隙，以減少雜質進入電磁頭內部后引起的發卡不靈活；并在接頭體與副閥芯配合端增加一特殊材質的鑲套橡膠圈，在保證導向的前提下，起到剮蹭和過濾的作用；同時在接頭體鎖芯端內部設置一凹槽，減少機械磨損帶來的鎖芯動作不靈活。這樣在沙粒和液體存在時引起的卡澀現象可以完全解決，遠程開關井長排氣問題可以完全解決。