電動鉆機氣控系統集成化和自動化改進設計

陳 建,董云飛,廖文青

(江蘇石油勘探局鉆井處,江蘇揚州225261) ①

電動鉆機氣控系統集成化和自動化改進設計

陳 建,董云飛,廖文青

(江蘇石油勘探局鉆井處,江蘇揚州225261)①

通過對江蘇油田在用ZJ30DB、ZJ40D、ZJ50D和ZJ70D型電動鉆機氣控系統故障率高、操作不方便、維修困難、冬季氣瓶每隔30 min需要人工放水等問題的分析和研究,對ZJ70DB型電動鉆機氣控系統進行了完善和設計,實現了對電動鉆機盤剎、風動旋扣器、轉盤慣剎、自動送鉆離合、防碰釋放、游車防碰、氣喇叭、氣動卡瓦以及鉆臺上氣罐自動放水等的集中控制和自動控制。改進后的氣控系統具有動作靈敏、結構簡單、安裝維護方便、操作容易、正壓防爆和使用壽命長等特點。

氣控系統;電動鉆機;集成化;智能化

近年來,隨著鉆機自動化和智能化的程度越高,鉆機空氣系統的問題就越顯得突出[1]。

a) 傳統的鉆機氣控系統均由司鉆控制房內的手動換向氣閥來控制。由于手動換向閥均為手柄式的,司鉆在操作時容易造成誤操作,從而發生嚴重的生產事故;另外,由于手動換向氣閥體積大,占用司鉆操作臺的面積大,使司鉆控制房的空間狹窄,給維護和使用都帶來不便。

b) 傳統的鉆機空氣系統在防碰天車起作用時,會切斷氣路控制盤剎液壓站工作使盤剎剎死,而這時絞車電機沒有得到停止工作的信號而繼續工作,從而產生憋電機事故。

c) 在冬季低溫時,空氣系統的氣瓶容易積水、凍結,所以每隔30 min就需要對氣瓶人工放水。由于氣瓶大多在鉆臺面底下,放水時不僅上下不方便,還因為鉆臺離地面較高容易發生高空墜落事故。

本文提出的集成化、自動化氣控系統具有優良的控制性能,改變了傳統的控制方式,采用冗余系統控制[2],不僅節約了氣控系統的占用空間,也解決了氣控系統性能不穩定、操作不方便、故障率高、自動化程度低、安全性低以及在冬季氣瓶需要人工放水等問題。

1 氣控系統集成

氣控系統的集成是將盤剎、風動旋扣器、轉盤慣剎、自動送鉆離合、防碰釋放、游車防碰、氣喇叭、氣動卡瓦以及鉆臺上氣罐自動放水等的電控換向閥集中設計在一個閥組里,采用特殊設計的控制閥以保證其能用于各種場合,并具有很長的使用壽命。改進設計的ZJ70DB型電動鉆機氣控系統采用的閥組由10個閥組成,每一個閥為一個二位三通閥,閥組功能如圖1。

圖1 閥組功能

閥組控制電源為24 V DC,整個閥組安裝在1個正方形箱子里,采用正壓防爆,具有動作靈敏、結構簡單、安裝維護方便、操作容易等優點。另外,在氣體進入閥組之前要經過40μm級過濾器過濾,閥組的工作氣路通過一個統一的對外接口板送至對應的控制管線來控制各個工作點,既減小了控制閥所占空間,也方便了維護和保養。

閥組的控制信號線統一連接到箱體的一個多芯電纜接頭上,使用時只需將多芯電纜兩端分別連接到閥組箱的多芯電纜接頭和司鉆房底下的多芯電纜接頭上即可。

該氣控系統閥組控制分別使用面板控制和觸摸屏2種控制方式,如圖2。面板控制和觸摸屏控制的功能完全相同,二者都與PLC連接,通過一系列邏輯來控制閥組,以實現鉆機的各種功能。當司鉆臺上的控制按鈕失效時,采用觸摸屏控制也可以實現其控制功能,從而實現了氣控系統控制的冗余設計。

圖2 閥組箱控制方式

在每個閥上還設有手動按扭,按動閥組上相應的按扭就可以實現在沒有電源的情況下控制閥組,以實現閥組的部分控制功能。當PLC出現故障時,為了保證鉆機仍能正常工作,PLC單元還設有旁路,即繼電器控制單元來保證面板控制的功能不喪失。

2 氣控系統自動化

該氣控系統采用的控制電路與原電動鉆機控制系統一樣都是24 V DC電源,所以可直接從電動鉆機的控制系統中取電[3]。在司鉆臺操作面板上設有防碰釋放、氣動卡瓦控制、轉盤慣剎控制、氣喇叭控制、風動上卸扣、自動送鉆離合控制、氣瓶自動放水以及備用開關按鈕,當司鉆操作時,將24 V DC電源信號送入 PLC數據輸入模塊,然后經過PLC的邏輯計算后,在數據輸出模塊上輸出相應的控制信號,控制信號通過多芯控制電纜傳給閥組,閥組動作。

2.1 絞車盤剎過卷防碰和天車防碰控制

使用絞車時,天車防碰、過卷防碰、盤剎緊急剎車、絞車主電機故障、電子防碰、鉆機急停均為正常狀態,且絞車A、B電機減速箱掛擋信號同在高速或低速時,經PLC程序計算,PLC給閥組閥1(如圖1)信號,閥1打開給盤剎供氣,盤剎釋放可操作。當使用自動送鉆且有自動送鉆離合器反饋時,PLC也會給閥1信號,閥1打開給盤剎供氣,盤剎釋放也可操作。當天車防碰氣路作用或過卷防碰氣路作用時,將供氣信號給閥組箱內的壓力開關,壓力開關接收氣信號后發出天車防碰或過卷防碰信號給PLC,PLC斷開閥1電信號,閥1關閉排氣盤剎剎車,同時PLC還發出控制信號控制電機減速停機。如果使用自動送鉆,PLC還會斷開閥3電信號,實現自動送鉆離合摘離。當盤剎緊急剎車、主電機和送鉆電機出現故障、或游車運行到電子防碰設定的高度、鉆機急停、送鉆離合器破裂或絞車滾筒兩端變速箱掛擋錯誤時,PLC斷開閥1電信號,閥1關閉排氣后盤剎剎車。絞車盤剎電磁閥控制程序如圖3。

圖3 絞車盤剎電磁閥控制程序

上述功能不僅在PLC工作時能夠實現,在PLC出現故障時還設計了繼電器系統作為備用,只需要在司鉆操作臺上把控制方式由PLC模式切換為旁路模式就能夠實現。另外,空氣系統的控制采用司鉆臺控制面板和觸摸屏控制雙控制方式,實現了氣控系統的冗余設計,解決了1種控制出現故障時而使氣控系統無法工作的問題。采用該種控制,在盤剎緊急剎車、主電機和送鉆電機出現故障、游車運行到電子防碰設定高度、鉆機急停、送鉆離合器破裂或絞車滾筒兩端變速箱掛擋錯誤時,不僅能夠給盤剎發出信號,還能給電控系統發出信號,使絞車電機不能啟動,避免絞車憋電機等現象的發生。

2.2 轉盤慣剎控制

轉盤慣剎控制可以選擇手動,也可以選擇自動。當慣剎開關處于手動慣剎位置時,輸出電信號到PLC,PLC斷開閥組閥2電信號,閥2打開輸出信號給轉盤電機使電機停止,實現轉盤慣剎;當轉盤慣剎開關處于自動位置,同時轉盤電機停機或斷電時,輸出電信號到PLC,鉆機急停PLC,輸出電信號同時斷開閥2電信號,閥2打開輸出氣信號到轉盤慣剎離合器剎住轉盤,只有當開關置于自動慣剎位置時,電機才可以再次啟動。轉盤慣剎控制程序如圖4。

圖4 轉盤慣剎控制閥控制程序

2.3 自動送鉆離合控制

當自動送鉆離合器在“合”位置時,輸出電信號給PLC,PLC檢測絞車主電機是否有停機信號,若主電機停機,又無防碰信號、盤剎緊急剎車信號、故障信號和鉆機急停信號的情況下,PLC給閥組閥3送電信號,閥3打開輸出氣信號,實現自動送鉆離合[4]。自動送鉆離合控制程序如圖5。

圖5 自動送鉆離合控制程序

2.4 風動旋扣器控制

2.4.1 風動上扣

當風動旋扣器面板控制開關旋至上扣位置時,開關發出電信號到PLC,PLC給閥組閥5輸出電信號,閥5開啟輸出氣信號,打開井架上風動旋扣器繼氣器,氣源經過風動旋扣繼氣器供給水龍頭風動馬達實現風動上扣。

2.4.2 風動卸扣

當風動旋扣器面板控制開關旋至卸扣位置時,開關發出電信號到PLC,PLC給閥組閥4輸出電信號,閥4開啟延時3 s后給閥5信號,閥5打開,閥4和閥5分別控制風動旋扣器換向閥和繼氣器實現風動卸扣。

風動上扣和風動卸扣功能是互鎖的。

2.5 防碰釋放控制

當游車上升到緊急高度時,盤剎剎車。若要讓游車下放,按下面板上的防碰釋放開關,輸出電信號給PLC,PLC給閥組閥1電信號,閥1打開,盤剎釋放可操作,同時PLC給閥6電信號,閥6關閉排氣,放掉防碰回路中的控制氣信號。司鉆通過防碰釋放開關盒絞車控制手柄緩慢下放游車,防碰釋放開關可復位。當游車下放到安全高度以下后,松開防碰釋放按鈕開關,同時將絞車防碰過卷閥和天車防碰器復位至工作位置,鉆機能正常使用。

2.6 氣喇叭控制

當司鉆需要提醒工作人員注意時,按住面板上氣喇叭開關,開關輸出電信號到PLC,PLC給閥組閥7電信號,閥7打開供氣給氣喇叭,氣喇叭鳴叫,松開后信號消失,氣喇叭停止鳴叫。

2.7 氣動卡瓦控制

當氣動卡瓦控制旋鈕旋至松開位置時,開關發出電信號到PLC,PLC經過計算后給閥組閥8電信號,閥8打開供氣給氣動卡瓦,氣動卡瓦松開。當氣動卡瓦控制旋鈕旋至卡緊位置時,開關發出電信號到PLC,PLC經過計算后斷開閥8電信號,閥8關閉斷開氣動卡瓦的氣信號,氣動卡瓦卡緊鉆桿。

2.8 鉆臺上氣罐自動放水

氣溫較低時,司鉆可將氣罐放水控制旋鈕旋至自動放水位置,開關發出信號到PLC,PLC給氣瓶上的電控閥發出電信號,電控閥門延時5 s后(延時時間可根據現場情況進行調節)自動關閉,此后PLC每過30 min會自動給氣瓶上的電控閥發出電信號。若司鉆想要停止該功能時,只需將氣罐放水控制旋鈕旋至停止放水位置。

2.9 備用開關

當鉆機需要拓展其他功能時,可啟動備用開關輸出電信號給PLC,閥組備用閥9和閥10的輸入/輸出邏輯關系可通過在PLC內輸入增補程序實現。當閥組內的閥1～閥7出問題時,可用閥9、閥10代替。

3 結論

1) 該氣控系統所有的控制氣閥集成在1個閥組箱里,安裝、維護方便。

2) 氣控系統采用自動化程度較高的 PLC進行控制,通過面板或觸摸屏2種操作方式,實現了操作系統的冗余設計,操作方便,安全性高。

3) 閥組設計手動按扭開關,可以實現在沒有電源的情況下手動控制閥組。

4) 設計繼電器系統作為PLC系統的備用,在PLC出現故障時氣控系統也能正常工作,提高了氣控系統的可靠性。

5) 設計人性化的自動氣瓶放水控制系統,減輕工人的勞動強度。

6) 該氣控系統集成化、自動化、智能化程度高,系統穩定,安全性高,維護和操作方便,可最大限度地減少鉆井生產事故。

[1] 張建軍,李耀杰.淺談司鉆控制系統的現狀和發展[J].電氣傳動自動化,2005(5):23-25.

[2] 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社,2005:47-49.

[3] 鄭蕓哲,齊明俠,沈 蓉,等.基于西門子 PLC的司鉆控制系統[J].石油礦場機械,2008,37(5):53-55.

[4] 張曉軍,王建才,戴克文,等.交流變頻電機自動送鉆系統的原理和應用[J].石油礦場機械,2007,36(11):32-34.

Integration and Automatization of Air System in Electric Rig

CHEN Jian,DONG Yun-fei,LIAO Wen-qing
(Department of Drilling Engineering,J iangsu Oil Ex ploration Corporation,Yangzhou225261,China)

The air systems of ZJ30DB,ZJ40D,ZJ50D and ZJ70D which are being used in JOECO are featured by the high failure rate,difficult operation and frequent repair.Through the analysis and research,a new air system of ZJ70DB was designed.The new air system is of integration and automatization of controlling the disc brake,the pneumatic make-up and brake-out,the rotary table inertia control,the auto driller clutch,the anti-collision protection,the air trump,the pneumatic slips and the air tank.It is featured by the sensitive action,simple structure,convenient installation and maintenance,easy operation,positive-pressure explosion prevention and the long service life.

air system;electric rig;integration;automatization

1001-3482(2010)10-0051-04

TE922

A

2010-04-11

陳 建(1985-),男,福建周寧人,2007年畢業于西南石油大學機械工程及其自動化專業,現從事電動鉆機和頂驅的維護和維修工作,E-mail:chenjian5001@163.com。