深水防噴器組及控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺研制

蔡寶平，劉永紅，艾白布·阿不力米提，于示林，王龍庭，董 欣

(中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

深水防噴器系統(tǒng)是深水油氣鉆井中一種高自動化和高可靠性的關(guān)鍵井控裝備，一旦失效，將引起災(zāi)難性的后果，它是石油高校機(jī)械工程與石油工程專業(yè)的高年級本科生應(yīng)重點了解的一種海洋石油裝備[1-5]。目前大多數(shù)學(xué)生對深水防噴器的認(rèn)識僅停留在理論上，缺乏感性的認(rèn)識和實際的動手操作訓(xùn)練。因此，研制了一套深水防噴器組及控制系統(tǒng)模擬樣機(jī)，開發(fā)防噴器控制綜合實驗，使學(xué)生重點掌握深水防噴器系統(tǒng)機(jī)電液的具體構(gòu)成及工作方式，為走上石油石化工作崗位奠定基礎(chǔ)。

1 深水防噴器組模擬樣機(jī)

對3 000 m深水閘板防噴器作等比例縮小，研制一套用于實驗教學(xué)的深水防噴器組模擬樣機(jī)。該模擬樣機(jī)由閘板防噴器殼體、左右側(cè)門、鎖緊結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、油缸、上下法蘭、換向閥和位置傳感器等組成，圖1為深水閘板防噴器零件爆炸圖。主要優(yōu)點：閘板防噴器兩側(cè)的油缸、側(cè)門、鎖緊裝置等集成安裝在兩側(cè)的導(dǎo)軌上，可以模塊化分解，易于檢修與更換閘板總成，節(jié)約時間和人力；兩側(cè)尾部安裝有磁致伸縮傳感器，實時監(jiān)測到閘板防噴器閘板總的實際位置；兩套液壓控制系統(tǒng)之間安裝有液壓換向閥，消除控制系統(tǒng)之間的互相干擾；液壓回路設(shè)計在殼體及零件內(nèi)部，簡化了液壓系統(tǒng)的流程，提高了可靠性；兩側(cè)安裝有鎖緊裝置，在撤去高壓工作液時能夠保持封井狀態(tài)[6-8]。

圖1 閘板防噴器爆炸圖

研制的閘板防噴器實物見圖2。閘板防噴器殼體是整個防噴器系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的零件之一。殼體內(nèi)腔及與閘板總成配合的部位又是防噴器殼體最關(guān)鍵部位。為了使閘板總成在動力液的作用下能夠在防噴器殼體內(nèi)腔內(nèi)迅速地左右移動，而且能完全封住井口，殼體內(nèi)腔與閘板總成有一定的間隙，允許閘板總成在殼體內(nèi)腔內(nèi)能上下浮動。當(dāng)閘板總成返回到全開位置時，閘板總成上部的膠芯與殼體內(nèi)腔不接觸。當(dāng)閘板總成處于封井狀態(tài)時，閘板總成前部的膠皮首選接觸鉆具，在工作液的推理下將膠皮擠向密封部位，封緊鉆具。在井口壓力的作用下，閘板總成向上移動一小距離，使閘板總成上的膠芯與殼體內(nèi)壁接觸達(dá)到封井效果。

圖2 閘板防噴器實物圖

閘板總成由閘板和膠芯組成，相應(yīng)的防噴器閘板的輪廓與防噴器殼體內(nèi)腔的輪廓設(shè)計成一致。當(dāng)閘板總成封閉井口時，閘板總成上的膠芯與殼體橢圓形內(nèi)腔的上端面密封接觸，而且在井口壓力的作用下膠芯與殼體內(nèi)腔緊密接觸，壓力越大接觸的密封性能越好，直到壓力達(dá)到極限壓力為止[9-11]。

安裝在鎖緊裝置尾部的磁致伸縮傳感器實時監(jiān)測防噴器組閘板總成的實際位置，當(dāng)驅(qū)動閘板防噴器組而且閘板防噴器組總成完全封閉井口時，磁致伸縮傳感器檢測到閘板防噴器組完全封閉井口。通過磁致伸縮傳感器傳來的信號，控制系統(tǒng)得出閘板防噴器組已完全封閉井口信號，由此控制系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動鎖緊裝置的控制信號。

2 深水防噴器組液控系統(tǒng)模擬樣機(jī)

深水防噴器組液控系統(tǒng)模擬樣機(jī)是由藍(lán)箱和黃箱組成的一套雙冗余控制系統(tǒng)，兩套控制系統(tǒng)的切換由設(shè)計在深水閘板防噴器上的液壓換向閥實現(xiàn)，圖3為液控系統(tǒng)原理圖。該液控系統(tǒng)由主控回路、高壓回路、低壓回路和蓄能器組充壓回路等4部分組成。主控回路主要由泵、主控電磁閥，溢流閥和過濾器組成，用于為液壓回路提供液壓動力，并為蓄能器組充壓提供動力。當(dāng)需要閘板防噴器組關(guān)閉時，泵開始工作，液壓油經(jīng)主控回路通過分流閥分成兩路，分別進(jìn)入高壓回路和低壓回路，高壓回路和低壓回路的油液分別經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)壓后，工作壓力分別為0.8 MPa和0.6 MPa。高壓回路用于驅(qū)動閘板防噴器組的封井和開井，每一條回路都由電液控制閥、溢流閥、以及設(shè)計在深水防噴器上的換向閥組成；低壓回路用于驅(qū)動閘板防噴器鎖緊裝置的鎖緊和打開，每一條回路都有電磁閥、溢流閥組成。通過控制每條油路中的電液控制閥來驅(qū)動深水閘板防噴器的封井、開井、鎖緊、打開動作。

深水防噴器組液控系統(tǒng)還配備了蓄能器組，用于實現(xiàn)閘板防噴器組的快速封井，由電磁閥控制蓄能器實現(xiàn)放壓。來自蓄能器組的液壓動力油和來自泵的液壓動力油通過梭閥連接，進(jìn)入深水防噴器。當(dāng)蓄能器組放壓后，需要對其進(jìn)行充壓，充壓回路也由電磁閥控制，當(dāng)充壓回路中的電磁閥得電后，來自泵的液壓油對蓄能器組進(jìn)行充壓，達(dá)到規(guī)定壓力后電磁閥失電，充壓結(jié)束。另外，在液壓回路的關(guān)鍵節(jié)點上安裝了壓力傳感器和壓力表，用于實時監(jiān)測深水防噴器組液壓控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3 深水防噴器組電控系統(tǒng)模擬樣機(jī)

深水防噴器組電控系統(tǒng)主要由水上電控系統(tǒng)、水下電控系統(tǒng)和連接水上、水下系統(tǒng)的傳輸光電纜組成。

水上電控系統(tǒng)位于鉆井平臺上，主要包括中央控制單元、司鉆控制臺、隊長控制臺和平臺上液壓系統(tǒng)的電控模塊。中央控制單元位于平臺的安全區(qū)域內(nèi)，它是電控系統(tǒng)的核心，提供了司鉆控制臺、隊長控制臺、深水電子模塊和液壓系統(tǒng)電控模塊的通信接口。系統(tǒng)的可編程控制器、控制計算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和打印設(shè)備等均位于中央控制臺內(nèi)。電控系統(tǒng)通過2條光電纜從水上電控系統(tǒng)向藍(lán)、黃控制箱的深水電子模塊內(nèi)傳輸電力和數(shù)據(jù)。光電纜一般由6芯單模光纖和2芯電線構(gòu)成。水上電控系統(tǒng)通過總線與深水電子模塊中的輸入輸出模塊通信，電信號在中央控制單元的光電轉(zhuǎn)換器內(nèi)轉(zhuǎn)換成光信號，經(jīng)過3 000 m單模光纖傳輸后，在藍(lán)、黃箱水下電子模塊的光電轉(zhuǎn)換器內(nèi)再轉(zhuǎn)換為電信號[12]。

水下電控系統(tǒng)位于海底藍(lán)、黃控制箱的密封艙內(nèi)，主要由中央控制單元、水下藍(lán)箱電子模塊、水下黃箱電子控制模塊和連接水上、水下系統(tǒng)的傳輸光電纜組成，如圖4所示。選用4塊CPU作為核心控制器形成雙兩模冗余電控系統(tǒng)。4臺PLC的主機(jī)架各配置有3塊總線控制模塊，其中PLC-A和PLC-B與水下藍(lán)箱電子模塊構(gòu)成兩模冗余控制結(jié)構(gòu)，PLC-C和PLC-D與水下黃箱電子模塊構(gòu)成兩模冗余控制結(jié)構(gòu)。4臺PLC通過雙冗余以太網(wǎng)，與位于中央控制單元的工控機(jī)連接，構(gòu)成雙兩模冗余電控系統(tǒng)。每個PLC執(zhí)行相同的控制邏輯，處理輸入數(shù)據(jù)并產(chǎn)生新的輸出數(shù)據(jù)，從而控制深水防噴器模擬樣機(jī)的所有功能。當(dāng)1臺、2臺甚至3臺PLC出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)軟件依據(jù)設(shè)置的表決方式，仍可執(zhí)行控制功能，最大程度地保證了系統(tǒng)的可靠性。

水下藍(lán)、黃控制箱各有一套完整的水下電子模塊，以實現(xiàn)對防噴器組所有功能的備用控制。正常情況下，藍(lán)、黃箱電子模塊均得電啟動，并監(jiān)測所有水下參數(shù)。當(dāng)收到平臺上發(fā)出的動作信號時，只有一個控制箱的電子模塊(一般情況下，藍(lán)箱待命)向該箱內(nèi)的電磁閥發(fā)出動作信號，使該箱的液壓閥動作，從而控制防噴器相應(yīng)的功能。當(dāng)藍(lán)箱液壓系統(tǒng)或者藍(lán)箱水下電子模塊出現(xiàn)故障時，控制功能自動或者手動切換到黃箱，由黃箱重新執(zhí)行該動作。每個水下電子模塊中包含1個模擬量輸入子系統(tǒng)、1個數(shù)字量輸入子系統(tǒng)和1個數(shù)字量輸出子系統(tǒng)，這些輸入輸出模塊均連接在3條總線上。2個源模塊和2個漏模塊構(gòu)成1個H型數(shù)字量輸出子系統(tǒng)，主要用于控制藍(lán)、黃箱內(nèi)的深水電磁閥。3個源模塊構(gòu)成1個三重冗余數(shù)字量輸入子系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測深水防噴器組的壓力開關(guān)、溫度開關(guān)等數(shù)字量信號。3個模擬量輸入模塊構(gòu)成一個三重冗余模擬量輸入子系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測防噴器組的溫度、壓力、流量和角度等模擬量信號。對于重要的參數(shù)，采用3個傳感器同時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?yīng)的3個模擬量輸入模塊中，對于一般的參數(shù)，采用一個傳感器監(jiān)測，通過模擬量信號分配器將信號分別傳輸?shù)?個模擬量輸入模塊中。

圖4 電控系統(tǒng)原理圖

4 深水防噴器組模擬樣機(jī)實驗

在實驗室進(jìn)行了深水防噴器組模擬樣機(jī)聯(lián)調(diào)實驗，操作界面見圖5和圖6。操作人員通過裝載在工控機(jī)中的上位機(jī)軟件操作深水防噴器組模擬樣機(jī)的相應(yīng)功能，可在投影屏幕上顯示出防噴器組的對應(yīng)動作、液壓流向等具體信息。同時，研制的深水防噴器組模擬樣機(jī)可相應(yīng)地實現(xiàn)打開、關(guān)閉、解鎖、鎖緊等動作。液壓回路的壓力數(shù)據(jù)、閘板位移數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r顯示在上位機(jī)軟件上。一系列測試表明，研制的深水防噴器組模擬樣機(jī)可模擬3 000 m深水防噴器組及控制系統(tǒng)的基本控制功能，滿足實驗教學(xué)要求。

圖5 深水防噴器組模擬樣機(jī)控制操作界面

圖6 深水防噴器組模擬樣機(jī)緊急脫斷操作界面

5 結(jié)束語

研制的一套深水防噴器組模擬樣機(jī)的兩套閘板防噴器完全由液壓驅(qū)動，并具有鎖緊和解鎖功能，液控系統(tǒng)由藍(lán)箱控制系統(tǒng)和黃箱控制系統(tǒng)組成雙冗余結(jié)構(gòu)，均可獨立控制深水閘板防噴器的所有功能。電控系統(tǒng)由中央控制單元、水下藍(lán)箱電子模塊、水下黃箱電子控制模塊和連接水上、水下系統(tǒng)的傳輸光電纜組成，水下藍(lán)黃箱電子模塊組成雙兩模冗余結(jié)構(gòu)，最大程度地保證了系統(tǒng)的可靠性。

開發(fā)這樣一套系統(tǒng)，用于石油高校機(jī)械工程和石油工程學(xué)科高年級本科生的實驗教學(xué)，可使學(xué)生重點了解深水防噴器組的工作原理和結(jié)構(gòu)組成、雙冗余液控系統(tǒng)的工作原理和液壓流程、雙兩模冗余電控系統(tǒng)的工作原理及實現(xiàn)方式，實現(xiàn)了實驗教學(xué)與工程應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，對培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)起到了積極的作用。

[1] 肖曉華,杜利,李紅偉,等.井下防噴器的現(xiàn)狀分析與研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010(14):1-3.

[2] 許亮斌,張紅生,周建良,等.深水鉆井防噴器選配關(guān)鍵因素分析[J].石油機(jī)械，2012,40(6):49-53.

[3] 王存新,李嗣貴,王增國.深水鉆井水下防噴器組配置選型研究[J].石油礦場機(jī)械，2009,38(2):72-75.

[4] 陳紹偉，萬夫，劉炯,等.閘板防噴器技術(shù)進(jìn)展研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2008,10(4):49-51.[5] 劉清友，陳紹偉，艾海提江,等.閘板防噴器液壓鎖緊裝置研究現(xiàn)狀[J].石油礦場機(jī)械，2007,36(10):1-4.

[6] 付海龍，王金友，賈光政，等.帶壓作業(yè)閘板防噴器關(guān)鍵部件的有限元分析[J].石油機(jī)械，2008,36(8):25-27.

[7] 肖力彤,宋振華,鄭泳,等.Cameron結(jié)構(gòu)的防噴器殼體有限元分析[J].石油礦場機(jī)械，2010,39(2):38-40.

[8] 楊永寧,趙榮軍,孟憲寧,等.液壓防噴器剪切閘板的設(shè)計[J].石油礦場機(jī)械，2002,31(5):31-33.

[9] 任克忍,盧韻皎,張永澤,等.雙閘板防噴器主殼體的有限元強(qiáng)度分析[J].石油礦場機(jī)械，2005,34(1):50-53.

[10] 林軍,伍開松.閘板防噴器膠芯密封參數(shù)算法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].石油學(xué)報，1997,18(1):123-128.

[11] 陳麗霞，劉清友，單代偉，等.防噴器控制系統(tǒng)故障樹的建立與定性分析[J].石油礦場機(jī)械，2008,37(10):64-67.

[12] Cai Baoping,Liu Yonghong,Liu Zengkai,et al.Development of an automatic subsea blowout preventer stack control system using PLC based SCADA[J].ISA Transactions,2012(51):198-207.