基于S7-1200 的水力無桿排采裝置的設計與應用

杜 業，劉學文，畢琳琳

（渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

水力無桿排采裝置以高壓水作為動力液驅動水力柱塞泵進行排采作業，可有效地解決煤層氣大斜度定向井和水平井采用有桿舉升方式存在的偏磨的弊端，為煤層氣的生產作業提供了新的開采方式。

1 系統結構

水力無桿排采裝置的系統結構如圖1 所示。它主要由水力柱塞泵、同心管、水箱、換向系統、電磁流量計、壓力計、變頻器、電動機、PLC 和觸摸屏等組成。

圖1 中虛線表示裝置的電氣控制流程：PLC 作為電氣控制的核心部件，采集并監測系統的壓力、注入流量、采出流量等運行數據，通過控制變頻器的輸出頻率改變電機轉速，進而調節水力柱塞泵的排采沖次。觸摸屏HMI 用于實現人機交互，具有本地/遠程啟?？刂?，可顯示系統壓力、注入水量、采出水量、運行頻率、故障信息等數據，以及調節排采工作制度等。圖1 中實線表示系統的水路控制流程：水箱內的水經過往復式注水泵加壓后形成高壓動力液，通過換向系統在中心管和同心管（中心管與油管）的環空內輪換注入，推動水力柱塞泵的上下往復運動完成井下液的排采。當高壓動力液通過同心管的環形空間注入泵腔時，推動水力泵內柱塞下行，同時井下液進入泵腔。當驅動液由中心管注入中心管時，推動水力柱塞泵的泵筒上行，井下液與動力液形成的混合液通過同心管環形空間中排出?；旌弦航涍^濾后進入水箱，以補充水力柱塞泵往復運動進行循環吞吐的消耗。井下采出液則經流量計計量后排至地面儲水池。

圖1 系統結構

水力柱塞泵設計有洗井功能。在洗井時，高壓水流持續注入中心管推動柱塞上行至泵組上死點，游動閥隨之打開，高壓水流沖洗泵內的煤灰排出至地面儲水池，完成洗井作業。

2 硬件設計

排采裝置以性能穩定的西門子S7-1200 PLC為控制核心，通過博途軟件進行組態編程，控制電路如圖2 所示。當PLC 控制單元CPU 接收到觸摸屏HMI 發送的指令后，程序運算控制并完成相應的輸出至固態繼電器SR1～SR4?，F場數據采集由流量計BQ1、BQ2，壓力傳感器BP，泵溫傳感器BT1 和水溫傳感器BT2 組成，傳入模擬量采集模塊AI。變頻器VFD 和井下流壓傳感器通過RS-485 與PLC 進行通信，實現監控中心對現場各個控制點的調節和監控。當系統出現液位故障、變頻故障、電機故障和超壓故障時，PLC 立即停機并鎖定故障，等待人為排除。當系統運行壓力超過保護壓力時立即停機保護，同時PLC 控制所有電磁閥打開泄壓，水回流至水箱。如果電磁閥失效，由系統內的機械安全閥進行保護。

圖2 控制電路

3 軟件編程

排采裝置的控制流程如圖3 所示。系統上電初始化完成后，PLC 進行故障檢測。若出現故障，相應報警指示燈閃爍，停機等待人為排除故障。若系統正常，按下啟動后，系統主泵啟動，高壓動力液推動水力柱塞泵上行，上行過程中系統檢測實時的運行壓力和流量，當兩者達到設定閾值時轉至下行；同理下行達到設定閾值后，轉至上行，如此循環往復完成自動控制。當系統的運行時間、洗井時間、停機時間設置不為零時，系統按上述設定時間進行間抽控制。排采裝置的軟件編程以控制變頻器的頻率為中心，以控制井底流壓為核心，根據煤層氣井的開采規律和井底流壓變化規律，系統自動控制注水泵的轉速和換向閥的換向頻率，調節水力柱塞泵的排量，控制井底流壓的變化，實現煤層氣的開采作業。

圖3 控制流程

4 RS-485 通信

設置PLC 通信模塊串口為主站，用于讀取/寫入變頻器數據，讀取井下流壓傳感器數據。

通信接口功能塊的編程實例如圖4 所示。EN 保持通信使能。REQ 每接通一次就讀寫一次數據，可采用輪詢的方式觸發。MB_ADDR 是從站地址，與被讀寫設備保持一致，此處設定為3。MODE 是讀寫控制字，0 讀取，1 寫入，此處設定為1，即將設定頻率寫入到變頻器。DATA_ADDR 是要寫入的寄存器的起始地址。DATA_LEN 是讀取的長度，根據實際情況設置。DATA_PIR 是一指針變量P#DB9.DBX2.0 INT 1。功能塊實現了將DB9 數據塊中地址為2.0 的INT 類型的存儲區中的數據寫入變頻器的功能。需要注意的是在取消DB 塊的屬性中優化訪問后，才能顯示DB 數據地址。

圖4 通信接口功能塊編程示例

5 人機交互

排采裝置的人機交互界面如圖5 所示。系統上電后，自動顯示其運行狀態，如運行/停止/洗井時間、沖次、頻率、閥的狀態、壓力、溫度、流量和故障信息等。當按下“啟動按鈕”，系統啟動運行；啟動后首先洗井，洗井狀態指示燈閃爍；60 s 后按設定沖次運行，此時“洗井狀態指示燈”熄滅，“閥運行指示燈”閃爍，游動閥或固定閥開始計時。當按下“停機按鈕”或“急停按鈕”后，系統停止運行，所有閥打開，60 s 后自動關閉。在停機狀態下，按下“洗井按鈕”，系統開始洗井；再次按下“洗井按鈕”或“停止按鈕”后，系統系統停止運行。當系統出現故障時，系統立即停機保護，所有電磁閥打開，系統泄壓將水回流至水箱。每次出現故障時，系統會進行故障自鎖，相應紅色指示燈閃爍，等待人為按動復位按鈕排除故障。

圖5 人機交互界面

6 現場應用

排采裝置經山西煤層氣L 形水平井現場實驗驗證，該裝置能夠在產水量0.2～20 m3/d 范圍變化的井況下連續穩定運行，降壓范圍滿足0.01～0.2 MPa/d 的工作制度要求。該裝置能夠與現場遠控系統同步對接，能夠現場顯示并上傳設備啟停狀態、井底流壓、電流、驅動系統壓力、產水量、頻率等運行數據，能夠很好地滿足現場排采工藝要求。

7 結語

基于S7-1200 可編程控制系統的水力無桿排采裝置運行平穩可靠，有效地解決煤層氣大斜度定向井和水平井采用有桿舉升方式存在的偏磨的弊端，為類似應用場景提供參考。