一種新型節(jié)流壓力控制系統(tǒng)原理及試驗

劉剛，常鑫，劉志國，趙永斌

一種新型節(jié)流壓力控制系統(tǒng)原理及試驗

劉剛1，常鑫1，劉志國2，趙永斌1

（1.中國石油大學石油工程學院，山東青島 266580;2.北京師范大學核科學與技術學院，北京 100875）

針對基于PID和比例伺服閥的控制裝備存在過沖、反應時間長等問題，研發(fā)基于PLC和高速開關電磁閥的節(jié)流壓力控制系統(tǒng)。介紹系統(tǒng)的主要組成及功能，建立壓力控制數學模型，分析系統(tǒng)動態(tài)響應特性，并通過壓力控制試驗和壓力階躍試驗檢驗系統(tǒng)的靈敏度與可靠性。結果表明:壓力控制誤差在±0.3 MPa以內，壓力跟隨效果優(yōu)異;在改變控制壓力和流量的試驗條件下系統(tǒng)具有較高的靈敏度和可靠性。

節(jié)流壓力;高速開關電磁閥;數值仿真;試驗

節(jié)流壓力控制系統(tǒng)在油氣井壓井、欠平衡鉆井及控壓鉆井過程中有著廣泛的應用，它主要通過調節(jié)節(jié)流閥開度來控制井筒壓力［1-4］。以往研發(fā)的節(jié)流壓力控制系統(tǒng)采用PID+比例伺服閥的控制方式［5］，此類系統(tǒng)易產生壓力過沖導致井筒壓力波動，難以滿足精細控壓鉆井及窄密度窗口地層的壓力控制需求。筆者采用高速開關閥+PLC+間歇脈沖的控制方式，設計一種新型的節(jié)流壓力控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設計

控制系統(tǒng)主要包括信號采集與顯示（傳感器與計算機）、電液控制系統(tǒng)（PLC控制器與電液轉換元件）、執(zhí)行裝置（液壓執(zhí)行元件與液動節(jié)流閥）與控制軟件4部分（圖1）。系統(tǒng)通過比對傳感器采集到的實際壓力數據與設置控制壓力數據的差異，指令高速開關閥與換向閥的動作，實現(xiàn)對液動節(jié)流閥運動方向及開關時間的調節(jié)，完成自動控制節(jié)流壓力的目標。

1.1 信號采集與顯示

為了解工藝過程中主要參數的變化，需要對表征被控對象特征的關鍵參數進行采集和顯示，該部分由傳感器、PLC、工控機、連接電纜等組成（圖2）。

圖1 節(jié)流壓力控制系統(tǒng)主要組成Fig.1 M ain com ponen ts of throttle p ressure control system

系統(tǒng)采集的鉆井參數包括:①立管壓力、套管壓力、分離器出口壓力、油源壓力;②分離器出口氣體流量、分離器出口液體流量;③一號節(jié)流閥開度、二號節(jié)流閥開度;④一號泵沖、二號泵沖、三號泵沖;⑤鉆井液出口溫度。

數據顯示:①將采集的各路傳感器信號通過PLC擴展模塊EM231進行A/D轉化后進入PLC進行處理;②PLC利用RS-232與工控機通訊，通過組態(tài)軟件將各路參數顯示到控制系統(tǒng)電腦屏幕上;③通過局域網將各路采集參數傳送到其他計算機，使得鉆臺及鉆井監(jiān)督等區(qū)域的主要人員能夠實時觀測相關參數變化。

圖2 數據采集、傳輸及顯示流程Fig.2 Flow chart of data acquisition，transm ission，display

1.2 電液控制

可編程控制器PLC作為節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的核心控制器對壓力變化做出反應，對傳感器采集到的數據和設定值進行比較，根據壓差控制高速開關閥與換向閥的動作，以控制液壓回路中液壓油的流向與流量，實現(xiàn)自動控制液動節(jié)流閥開關和控制節(jié)流壓力的目的。

1.3 執(zhí)行機構

利用液壓系統(tǒng)提供的液壓能，通過電液轉換元件控制進出液動節(jié)流閥液壓缸的液壓油流量，控制液動節(jié)流閥液壓缸活塞桿的位移改變液動節(jié)流閥的鉆井液通道開度，通過控制井口回壓，達到控制井筒壓力的目的。

1.4 控制軟件

系統(tǒng)的控制軟件由PLC控制程序及力控組態(tài)程序構成，其主要作用是:①利用PLC完成對采集信號的處理并傳至組態(tài)軟件;②通過界面實現(xiàn)控壓鉆井關鍵參數的實時數據及曲線顯示;③利用PLC實現(xiàn)實際數據和目標數據比較、分析和控制電液轉換元件工作;④系統(tǒng)具有多重自動保護功能，實施危險操作和參數超限的自動報警和控制。

2 壓力控制模型

節(jié)流壓力控制原理見圖3。

圖3 節(jié)流壓力控制原理簡圖Fig.3 Princip le diagram of throttle p ressure control system

2.1 基本原理

用PLC輸出導通時間為Δt的脈沖來控制高速開關電磁閥的開閉，使液壓油流量產生變化ΔQA，導致雙向液壓缸高壓腔的流體體積發(fā)生改變，從而推動活塞移動Δl，帶動液動節(jié)流閥的運動使液動節(jié)流閥鉆井液出口面積變化，進而改變流經節(jié)流閥的鉆井液的流阻，使控制壓力產生Δp的變化。

2.2 假設條件

（1）設液壓源的供油壓力為ps，由于管路較短，忽略其沿程摩阻損失。

（2）高速開關電磁閥運行周期為T，在Δt時間內導通［6］。

（3）三位四通電磁換向閥在整個液壓系統(tǒng)當中只起到改變液壓油流向的作用，在收到換向信號后處于全開狀態(tài)，對所輸入的液壓油流量不產生影響。

（4）選取液動節(jié)流閥為錐形閥［7］。

（5）因為閥桿密封和液壓缸活塞摩擦以及閥心自身重力的問題，要求液壓缸推力Fy≥KF，K取1.1～1.2。

2.3 控制方程

根據上述基本原理和假設條件可以建立如下的控制方程組:

式中，ps為液壓油源壓力，MPa;p1和p2分別為高速開關閥入口和出口壓力，MPa;p3和p4分別為三位四通電磁換向閥入口和出口壓力，MPa;p6為液壓源油箱壓力，MPa;pm為節(jié)流閥入口壓力，MPa;pn為節(jié)流閥出口壓力，MPa;pA為液壓缸A腔壓力，MPa;SA為液壓缸A腔壓力作用面積，m2;SB為液壓缸B腔壓力作用面積，m2;Ap為流通面積，m2;ASA為三位四通電磁換向閥m→n路全開時的面積，m2;ASB為三位四通電磁換向閥o→p全開時的面積，m2;d0為液壓缸活塞直徑，m;d1為節(jié)流閥出口直徑，m;d2為錐形閥心最大直徑為液壓缸活塞位Δl移，m;F為節(jié)流閥軸向作用力，N;Δt為導通時間，s; ΔQ為導通時間內注入的液壓油流量，m3/s;Cd為開關閥的流量系數;Cq為節(jié)流閥流量系數;Cv為返出鉆井液流量系數;α為錐形角，rad。

3 系統(tǒng)動態(tài)響應特性

控制系統(tǒng)主要由壓力傳感器、高速開關電磁閥、三位四通換向閥、液動節(jié)流閥等組成。由于高速開關電磁閥的啟閉延遲效應，可將其簡化為一個一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數為

式中，τ為占空比，s;s為拉氏變換量;KQ為增益系數。

液動節(jié)流閥是一個閥控液壓缸直線位移控制系統(tǒng)，可近似認為是振蕩環(huán)節(jié)，根據流量連續(xù)性原理可以確定液壓缸兩腔的流量連續(xù)方程與活塞上的力平衡方程，忽略其彈性影響，得到液壓缸的輸出位移Gs，其拉氏變換為

式中，ωn為無阻尼振動頻率，Hz;ξ為液壓阻尼比。

壓力傳感器的時間常數一般很小，所以檢測反饋環(huán)節(jié)可將其看作比例系數為Kf的比例環(huán)節(jié)［8-11］。

依據圖3壓力控制原理簡圖，建立系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數方框圖（圖4）。

圖4 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數方框圖Fig.4 Closed-loop transfer function block diagram

其中，液壓系統(tǒng)的ωn=80 Hz，ξ=0.2，占空比τ =0.1 s，系統(tǒng)開環(huán)增益Kv=1，Kf為傳感器增益。

利用Matlab/simulink軟件繪制系統(tǒng)的單位階躍響應，得到系統(tǒng)的上升時間tr=0.1 s;調節(jié)時間ts=0.6 s;計算超調量σ=22%?？梢娤到y(tǒng)能夠滿足穩(wěn)定、迅速、準確的要求。

4 試驗結果分析

2010年8月26日至9月2日在中海油服天津塘沽基地，對節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的參數指標及可靠性進行了試驗。本次試驗的工況:采用固井泵轉速為900～1400 r/min，常用試驗排量為1200 L/min;液動節(jié)流閥閥芯直徑Φ50 mm，45°錐面長度10 mm，100%開度時閥芯位移50 mm。

4.1 可靠性驗證

評價系統(tǒng)可靠性的一個重要指標就是判斷節(jié)流閥產生的壓降是否接近標準值。采用理論計算和數值模擬兩種方法求解節(jié)流閥開度與壓降曲線，并將其與實測曲線進行比較。

（1）理論計算。節(jié)流閥壓降計算可由如下經驗公式求解［12］:

（2）數值模擬。根據實際節(jié)流閥結構用Pro/E建立三維CAD模型，使用面向CFD的前處理器軟件Gambit對內部流道進行網格劃分，在Fluent軟件中采用求解壓力耦合方程組的半隱式SIMPLE方法求解，紊流模型采用標準k－ε方程［13］。

（3）結果分析。根據試驗記錄數據，得到節(jié)流閥開度壓降關系曲線以及數值擬合模型。將節(jié)流閥理論壓降計算結果、CFD軟件數值模擬結果和試驗擬合結果進行對比，見圖5。由圖5可以看出:3條曲線吻合良好，其中試驗擬合結果與理論計算結果的最大相對誤差小于19.3%;試驗擬合結果與仿真結果的最大相對誤差小于12.2%，可見系統(tǒng)的控制精度較高，控制效果趨近標準值，說明該系統(tǒng)具有較高的可靠性。

圖5 節(jié)流閥開度與壓降關系曲線Fig.5 Variation of pressure drop with throttle opening

4.2 壓力控制試驗

為了評價系統(tǒng)跟隨目標壓力的效果，進行了壓力控制試驗，結果見圖6。試驗中，將控制套壓從1 MPa依次提高至7 MPa。

圖6 壓力控制試驗Fig.6 Test of pressure control

從圖6可以看出，控制過程中，系統(tǒng)反應迅速，節(jié)流閥開度逐漸減小，當壓力值達到壓力控制精確度范圍后，節(jié)流閥停止動作。整個控制過程壓力平穩(wěn)，無過沖現(xiàn)象出現(xiàn)，壓力波動為±0.3 MPa。由此可見，系統(tǒng)具有較好的壓力跟隨能力。

4.3 壓力階躍試驗

為了評價系統(tǒng)在節(jié)流閥流量和控制壓力發(fā)生較大改動時系統(tǒng)的控制敏感度和反應速度，進行了變排量（800～1 200 L/min）和變控制壓力（0.5～7 MPa）試驗，結果見圖7。試驗中在900～1400 r/min隨機改變泵轉速，不斷隨意改變泵排量的前提下，將控制套壓由7 MPa降到2 MPa再提升到6 MPa，又降到0.5 MPa的變壓力試驗。從圖7可以看出:節(jié)流閥在系統(tǒng)的控制下反應迅速，控制壓力能夠以較快速度達到控制要求，且很快趨于穩(wěn)定;壓力穩(wěn)定后，節(jié)流閥開度基本不發(fā)生變化，壓力控制準確，沒有出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。

圖7 壓力階躍試驗Fig.7 Test of pressure step

5 結論及建議

（1）以PLC+高速電磁閥開關的控制方式，提高了節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的控制精度，更好地滿足了井筒壓力控制反應速度，控制過程穩(wěn)定。

（2）系統(tǒng)控制效果趨近標準值，壓力控制誤差在±0.3 MPa以內，壓力跟隨效果優(yōu)異，在快速改變控制壓力和頻繁變化流量時仍具有較高的靈敏度和可靠性。

（3）系統(tǒng)的體積小，設備占用空間小，為海上平臺面積受限條件下的控壓鉆井實踐提供了手段。

（4）系統(tǒng)的制造成本低，可明顯降低油氣井節(jié)流壓力自動控制設備的服務成本，適合于低成本控壓鉆井施工的需要。

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Princip le and experim ent of a novel throttle pressure control system

LIU Gang1，CHANG Xin1，LIU Zhi-guo2，ZHAO Yong-bin1
（1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China; 2.Nuclear Science and Technology Institute in Beijing Normal University，Beijing 100875，China）

The control system with PID and proportional servo valve has the defectsof overshorting and long response time.A PLC and high-speed switch electromagnetic valve were used in the improved design.The components and its function of newly designed throttle pressure control device were introduced.A pressure controlmathematicalmodel was presented，and the dynamic response characteristics of this system were analyzed.The sensitivity and reliability of this system were tested and verified by pressure control and pressure step experiments.The results show that the pressure control fluctuations are less than±0.3 MPa.The pressure following effect is good.The pressure control system has high sensitivity and reliability under the experimental conditions of changing control pressure and flow rate.

throttle pressure;high-speed switch electromagnetic valve;numerical simulation;experiment

TE 831.1

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.05.018

1673-5005（2012）05-0100-05

2012－03－12

國家科技支撐計劃（2008BAB37B02）

劉剛（1960－），男（漢族），安徽利辛人，教授，博士，主要從事油氣井工程方面的教學和科研工作。

（編輯 李志芬）