深水防噴器組及控制系統實驗教學平臺研制

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(華東) 機電工程學院，山東 青島 266580)

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

1 深水防噴器組模擬樣機

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的深水防噴器組模擬樣機。該模擬樣機由閘板防噴器殼體、左右側門、鎖緊結構、旋轉結構、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。主要優點：閘板防噴器兩側的油缸、側門、鎖緊裝置等集成安裝在兩側的導軌上，可以模塊化分解，易于檢修與更換閘板總成，節約時間和人力；兩側尾部安裝有磁致伸縮傳感器，實時監測到閘板防噴器閘板總的實際位置；兩套液壓控制系統之間安裝有液壓換向閥，消除控制系統之間的互相干擾；液壓回路設計在殼體及零件內部，簡化了液壓系統的流程，提高了可靠性；兩側安裝有鎖緊裝置，在撤去高壓工作液時能夠保持封井狀態[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中最為關鍵的零件之一。殼體內腔及與閘板總成配合的部位又是防噴器殼體最關鍵部位。為了使閘板總成在動力液的作用下能夠在防噴器殼體內腔內迅速地左右移動，而且能完全封住井口，殼體內腔與閘板總成有一定的間隙，允許閘板總成在殼體內腔內能上下浮動。當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腔不接觸。當閘板總成處于封井狀態時，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壁接觸達到封井效果。

圖2 閘板防噴器實物圖

閘板總成由閘板和膠芯組成，相應的防噴器閘板的輪廓與防噴器殼體內腔的輪廓設計成一致。當閘板總成封閉井口時，閘板總成上的膠芯與殼體橢圓形內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腔緊密接觸，壓力越大接觸的密封性能越好，直到壓力達到極限壓力為止[9-11]。

安裝在鎖緊裝置尾部的磁致伸縮傳感器實時監測防噴器組閘板總成的實際位置，當驅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，控制系統得出閘板防噴器組已完全封閉井口信號，由此控制系統發出驅動鎖緊裝置的控制信號。

2 深水防噴器組液控系統模擬樣機

深水防噴器組液控系統模擬樣機是由藍箱和黃箱組成的一套雙冗余控制系統，兩套控制系統的切換由設計在深水閘板防噴器上的液壓換向閥實現，圖3為液控系統原理圖。該液控系統由主控回路、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。當需要閘板防噴器組關閉時，泵開始工作，液壓油經主控回路通過分流閥分成兩路，分別進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調壓閥調壓后，工作壓力分別為0.8 MPa和0.6 MPa。高壓回路用于驅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、以及設計在深水防噴器上的換向閥組成；低壓回路用于驅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還配備了蓄能器組，用于實現閘板防噴器組的快速封井，由電磁閥控制蓄能器實現放壓。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，進入深水防噴器。當蓄能器組放壓后，需要對其進行充壓，充壓回路也由電磁閥控制，當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行充壓，達到規定壓力后電磁閥失電，充壓結束。另外，在液壓回路的關鍵節點上安裝了壓力傳感器和壓力表，用于實時監測深水防噴器組液壓控制系統的工作狀態。

3 深水防噴器組電控系統模擬樣機

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

水上電控系統位于鉆井平臺上，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的電控模塊。中央控制單元位于平臺的安全區域內，它是電控系統的核心，提供了司鉆控制臺、隊長控制臺、深水電子模塊和液壓系統電控模塊的通信接口。系統的可編程控制器、控制計算機、服務器、網絡設備和打印設備等均位于中央控制臺內。電控系統通過2條光電纜從水上電控系統向藍、黃控制箱的深水電子模塊內傳輸電力和數據。光電纜一般由6芯單模光纖和2芯電線構成。水上電控系統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換器內轉換成光信號，經過3 000 m單模光纖傳輸后，在藍、黃箱水下電子模塊的光電轉換器內再轉換為電信號[12]。

水下電控系統位于海底藍、黃控制箱的密封艙內，主要由中央控制單元、水下藍箱電子模塊、水下黃箱電子控制模塊和連接水上、水下系統的傳輸光電纜組成，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。4臺PLC的主機架各配置有3塊總線控制模塊，其中PLC-A和PLC-B與水下藍箱電子模塊構成兩模冗余控制結構，PLC-C和PLC-D與水下黃箱電子模塊構成兩模冗余控制結構。4臺PLC通過雙冗余以太網，與位于中央控制單元的工控機連接，構成雙兩模冗余電控系統。每個PLC執行相同的控制邏輯，處理輸入數據并產生新的輸出數據，從而控制深水防噴器模擬樣機的所有功能。當1臺、2臺甚至3臺PLC出現故障時，系統軟件依據設置的表決方式，仍可執行控制功能，最大程度地保證了系統的可靠性。

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

圖4 電控系統原理圖

4 深水防噴器組模擬樣機實驗

在實驗室進行了深水防噴器組模擬樣機聯調實驗，操作界面見圖5和圖6。操作人員通過裝載在工控機中的上位機軟件操作深水防噴器組模擬樣機的相應功能，可在投影屏幕上顯示出防噴器組的對應動作、液壓流向等具體信息。同時，研制的深水防噴器組模擬樣機可相應地實現打開、關閉、解鎖、鎖緊等動作。液壓回路的壓力數據、閘板位移數據能夠實時顯示在上位機軟件上。一系列測試表明，研制的深水防噴器組模擬樣機可模擬3 000 m深水防噴器組及控制系統的基本控制功能，滿足實驗教學要求。

圖5 深水防噴器組模擬樣機控制操作界面

圖6 深水防噴器組模擬樣機緊急脫斷操作界面

5 結束語

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

開發這樣一套系統，用于石油高校機械工程和石油工程學科高年級本科生的實驗教學，可使學生重點了解深水防噴器組的工作原理和結構組成、雙冗余液控系統的工作原理和液壓流程、雙兩模冗余電控系統的工作原理及實現方式，實現了實驗教學與工程應用的有機結合，對培養學生綜合素質起到了積極的作用。

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