車間水壓增壓系統試壓泵綜合控制系統技術方案

車間水壓增壓系統計算機控制試壓泵系統技術方案

第一部分  設計標準與原則

為滿足我公司對各類工具的測試需要，需要在油氣井測試工房的內建造水壓增壓系統。水壓增壓系統由井下工具增壓系統、地面計量設備增壓系統、室外增壓系統、移動式增壓系統以及電氣自動控制系統組成。

1.1設計標準

1)        API Spec 11D1-2009（ISO 14310-2008）《石油天然氣工業－井下裝備－封隔器和橋塞》；

2)        API Spec 16A《鉆井通道設備規范》 第三版；

3)        API Spec 16D 第二版《鉆井控制設備系統規范》；

4)        GB/T20174-2006石油天然氣工業鉆井和采油設備鉆通設備；

5)        API 16C、SY/T5352-2004《節流與壓井管匯》；

6)        API Spec 6A/SY/T5127—2002《井口裝置和采油樹規范》；

7)        GB/T 22513-2008《石油天然氣工業  鉆井和采油設備  井口裝置和采油樹》；

8)        公共安全行業標準及公安部對安全防范工程管理要求；

9)        其他有關的國家法令、法規文件。

1.2設計原則

1）先進與實用性

整套系統設計有一定的前瞻性，采用國內外最新的技術和工藝。同時考慮國內的技術水平，以節約試驗成本和設備運行成本為系統的設計出發點。

2）開放與標準化

整套系統采用開放式體系結構，易于擴充，使相對獨立的分系統易于進行組合和調整。符合國家標準或行業標準。

3）可擴充性

隨著應用水平的提高，系統結構應具有良好的可擴充與可延展性，能夠適應技術發展的要求。

4）使用安全性

加壓系統采用本質安全型的設備，具有過壓自動保護功能，同時對試驗系統具有限壓功能。設計有三重安全保護功能，第一級繼電過壓保護，第二級計算機軟件保護，第三級本質安全保護；當系統異常壓力超過設置上限壓力時，系統將緊急卸壓。

5）可靠性和可維護性

按照系統結構、技術措施、設備性能、裝置管理、廠商技術支持等要求配備一套集自動控制、數據采集和分析的系統軟件，確保系統運行的可靠性和穩定性。主要設備是定型生產、并具有成功應用實例的成熟產品，確保系統具有較高的穩定性。

6)   質量保證體系

具備ISO質量體系認證和具備相關的企業質量標準體系，嚴格按HSE安全環保標準及相關文件要求執行。各種配套設備及配件需在資質的合格廠家進行采購。

第二部分  技術方案 2.1.1總體要求

水壓增壓系統由四套裝置組成，分別為井下工具增壓系統、地面計量設備增壓系統、室外增壓系統和移動增壓系統?，F場控制柜配觸摸屏，控制方式為手動和自動控制，遠程控制系統控制軟件可以設定試壓流程，系統具備超壓保護功能。

井下工具測試增壓系統配置1臺灌注泵和1臺高壓泵。可分別獨立或同時對4個工位進行試驗，可單獨泄壓：其中2個試壓口在井下工具試壓坑內，另2個是試壓口留在井下工具檢修區備用，4個試壓口最高試驗壓力140MPa。

地面計量設備增壓系統配置2臺灌注泵和2臺高壓泵（200MPa）?？煞謩e獨立或同時對4個工位進行試驗，可單獨泄壓。

室外增壓系統配置2臺灌注泵和3臺高壓泵（140MPa+40MPa×2）?？煞謩e獨立或同時對3個工位進行試驗，可單獨泄壓。

移動增壓系統為2臺灌注泵和3臺高壓泵（140MPa×2+40MPa）?？煞謩e獨立或同時對3個工位進行試驗，可單獨泄壓。此系統位置不固定，因此不配備遠程控制功能，通過觸摸屏可設定及顯示實驗參數。

四套系統的各自的耗氣和耗水量見表2.1技術參數，與工房內氣管線和水管線連接接頭采用快插接頭，具體尺寸可根據現場管線而定。

2.1.2系統功能

u                 快速進行試件容腔的液體灌注，輸出40MPa、140MPa和200MPa三個等級的高壓液體。

u                 配有粗過濾器和精過濾器兩級過濾裝置，避免試件內的雜質對增壓系統造成損傷，分級過濾可以降低過濾器的清洗頻率。

u                 大排量、小排量、低壓、高壓相結合，滿足試驗流程要求。

u                 自動控制或手動控制完成試件的液密封試驗，手動和自動可單獨使用，互不依賴。同時都能自動采集，顯示，記錄和分析試壓數據。

u                 計算機自動生成壓力、時間曲線，實時顯示，并將各種數據存儲，隨時可打印出中英文對照的檢驗報告。同時安裝數據記錄儀表，實時記錄試壓情況。

u                 軟件具備人機界面、設置試驗項目、壓力、時間等各種設置。自定義打印格式，數據可以傳到Microsoft Word，用戶可以自己修改打印格式，方便實用。

u                 在試驗報告中能夠隨機調出試驗過程中時間軸的對應的壓力信息，以便分析試驗產品的泄漏情況。

u                 試壓現場、控制柜分別安裝試壓三色警示燈，對試驗狀態進行警示。

u                 設備具有超壓報警停機功能。

u                 設備具有緊急卸壓停機功能。

2.1.3系統特點

試驗裝置的主要特點如下：

u                    工作和維護成本低：充分利用泵的工作特性，提高設備使用效率，且氣動泵維修配件價格經濟；

u                    設備核心部件氣體增壓泵、高壓閥門和儀表全部為國際優質品牌，安全可靠；

u                    機柜為整體封閉式箱體，操作按鈕集中于面板控制，使用安全；

u                    高壓管路采用不銹鋼管，布局整潔美觀。結構簡單，易操作與維護；

u                    所有進入增壓系統的水均經過兩級過濾，過濾精度分別為5μm和20μm；

u                    氣壓驅動的增壓方式，進口增壓泵，噪音小。效率高。試壓泵可在滿負荷下頻繁啟動；

u                    管路布局合理，連接高壓管件均為HIP扣連接方式，進口產品，無需焊接，連接方便，安全可靠，便于維護。

2.1.4技術參數 

表2.1    主要技術參數

2.1.5增壓系統工作原理

試壓泵采用美國進口氣動泵作為動力源。泵的輸出壓力可現場設定均或在計算機設定。試驗壓力較高，且控制系統需要長時間運行，選用重載型高壓氣控閥。為保證系統的安全，進液閥采用常閉氣控閥。

根據測試內容的不同需要具備不同的輸出壓力和流量，選用不同型號增壓泵和控制管路，各增壓系統的試驗原理如下。

井下工具增壓系統分為低壓灌注和高壓增壓兩部分，試驗時首先啟動低壓灌注泵，快速將試件容腔灌滿；自動或手動切換到高壓增壓泵，將輸出液體壓力增高到140MPa。

泵的增壓比為固定值，通過調節驅動氣體的壓力，可以得到高壓泵的不同輸出壓力。輸出管路設有高壓溢流閥，系統壓力超過設定壓力會自動打開溢流閥泄壓。4個輸出回路均設截止閥，壓力達到試驗值時關閉截止閥進行保壓。試驗完成后可通過排水管路進行泄壓排水。

輸出端均配高壓軟管，接口為G1/4”內牙外錐。

地面計量增壓系統由低壓灌注和高壓增壓兩部分組成，配有有200MPa增壓泵和灌注泵分別實現增壓和灌注。試驗時首先調節驅動氣壓，實現低壓快速將試件容腔灌滿；然后將驅動氣壓調高，將輸出液體壓力增高到200MPa。

泵的增壓比為固定值，通過調節驅動氣體的壓力，可以得到高壓泵的不同輸出壓力。輸出管路設有高壓溢流閥，系統壓力超過設定壓力會自動打開溢流閥泄壓。四個輸出回路均設截止閥，壓力達到試驗值時關閉截止閥進行保壓。試驗完成后可通過排水管路進行泄壓排水。

輸出端均配高壓軟管，軟管接頭為G1/4”內牙外錐。

室外增壓系統由140MPa和40MPa兩種壓力部分組成，140MPa部分有1臺增壓泵和1臺灌注泵實現增壓和灌注，40MPa部分有2臺增壓泵和1臺灌注泵實現增壓和灌注。試驗時首先調節驅動氣壓，實現低壓快速將試件容腔灌滿；然后將驅動氣壓調高，將輸出液體壓力增高到140/40MPa繼續打壓。

泵的增壓比為固定值，通過調節驅動氣體的壓力，可以得到高壓泵的不同輸出壓力。輸出管路設有高壓溢流閥，系統壓力超過設定壓力會自動打開溢流閥泄壓。兩個輸出回路均設截止閥，壓力達到試驗值時關閉截止閥進行保壓。試驗完成后可通過排水管路進行泄壓排水。

輸出端均配高壓軟管，軟管接頭為G1/4”內牙外錐。

移動增壓系統由140MPa和40MPa兩種壓力部分組成，140MPa部分有2臺增壓泵和1臺灌注泵實現增壓和灌注，40MPa部分有1臺增壓泵和1臺灌注泵實現增壓和灌注。試驗時首先調節驅動氣壓，實現低壓快速將試件容腔灌滿；然后將驅動氣壓調高，將輸出液體壓力增高到140/40MPa繼續打壓。

泵的增壓比為固定值，通過調節驅動氣體的壓力，可以得到高壓泵的不同輸出壓力。輸出管路設有高壓溢流閥，系統壓力超過設定壓力會自動打開溢流閥泄壓。兩個輸出回路均設截止閥，壓力達到試驗值時關閉截止閥進行保壓。試驗完成后可通過排水管路進行泄壓排水。

輸出端均配高壓軟管，軟管接頭為G1/4”內牙外錐。

柜體外形

外觀：設計成為柜式結構，外觀是一個獨立的大柜體。

柜體采用加重型架構設計和制造；在柜體的頂部安裝有起重吊耳裝置。柜體的面板前安裝斜面蓋板。蓋板安裝鋼化玻璃窗，便于觀察內部的測量儀表。蓋板配備鎖具，采用氣彈簧支撐。

面板上安裝有高壓壓力表、驅氣壓力表、觸摸屏、緊急關斷及相關閥門開關及狀態顯示。每只閥的手動操作的自鎖按鈕，能夠分別控制每一只閥的開關操作；按鈕帶狀態指示燈，指示燈顯示電磁閥的通電情況；

面板上安裝有蘑菇形自鎖“緊急停止”按鈕；

圖2.5  柜體參考圖

2.1.6泵的選型

增壓系統均采用低壓大排量泵進行灌注，不同壓力級別的壓力采用不同的增壓泵，滿足不同壓力和流量的試驗需要。

圖2.9  200MPa增壓泵流量曲線

2.1.7打壓時間計算

打壓過程分為灌注和增壓兩個過程，增壓過程主要考慮水的壓縮率，不考慮試件變形。水的壓縮率見下圖2.10。

井下工具打壓時間

1)      井下工具容積為20L，氣動泵灌注排量為20L/min，灌滿時間為1min；

2)      200MPa時水的壓縮率為6.8%，未考慮工具容腔的變形，0MPa升到200MPa時，水壓縮后減少的容積為20×6.8%=1.36L；

3)      高壓泵空載排量為0.9L/min，輸出壓力為200MPa時排量為0.45L/min，因此打壓過程平均排量為0.675 L/min；增壓時間為1.36L/0.675 L/min=2.01min；

4)      總的打壓時間為1min+2.01min=3.1min。

管匯打壓時間

1)      管匯容積為50L，氣動泵空載排量為20L/min，灌滿時間為2.5min；

2)      140MPa時水的壓縮率為4.8%，未考慮管匯容腔的變形，0MPa升到140MPa時，水壓縮后減少的容積為50L×4.8%=2.4L；

3)      氣動增壓泵空載排量為1.4 L/min，輸出壓力為140MPa時排量為0.65 L/min，因此打壓過程平均排量為1.025 L/min；增壓時間為2.4L/1.025L/min=2.34min；

4)      總的打壓時間為2.5min+2.34min=4.84min。

分離器打壓時間

1)      分離器容積為4m3，為縮短試驗時間，建議直接用自來水接入分離器；接近充滿狀態時，再采用灌注泵進行灌注。

2)      40MPa時水的壓縮率為1.8%，未考慮分離器容腔的變形，灌滿后打壓，從0MPa升到40MPa時，水壓縮后減少的容積為4m3×1.4%=0.056 m3=56L；

3)      氣動增壓泵空載排量為4L/min，輸出壓力為40MPa時排量為2.4L/min，因此打壓過程平均排量為3.2 L/min；增壓時間為56L/3.2 L/min=17.5min；

4)      不考慮灌注時間，增壓時間為17.5min。

2.1.8控制系統工作原理

采用基于以太網絡的高效高實時性的DCS分布式控制系統，下位機采用西門子的S7 300 PLC控制器，上位機硬件平臺采用研祥特種工控機，軟件平臺采用美國NI 公司專業測控軟件LabvIEW作為其開發平臺。

系統控制流程圖見下圖?？刂平Y構采用上、下位機控制模式。下位機進行系統過程控制、數據采集、現場顯示工作參數、現場修改試驗參數以及與上位計算機進行數據交換等功能。上位機對下位計算機進行數據發送和接收、修改試驗參數、控制工作狀態、存儲試驗數據、顯示控制界面和數據回放、報表生成等功能，采用友好的軟件交互界面。從而實現整個系統的穩定運行，上下位機互相獨立，互不干擾，分工明確，從而可以更好的保證系統穩定運行。

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圖2.11  系統控制流程圖

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  圖2.12   信號控制系統流程圖

2.1.9系統功能

1)      軟件可設定試驗壓力，同時具有超壓保護功能；

2)      控制高壓試驗，與高壓水控制臺構成一個高壓水試驗控制系統；

3)      現場PLC與壓力傳感器構成壓力繼電保護系統；

4)      中控室計算機通過RS485讀取現場PLC實時數據；

5)      計算機具備加壓過程的數據記錄過程數據記錄、回放，數據可導出永久保存；

2.1.10控制系統安全性

1）過壓保護：系統有三級過壓保護措施：

a、第一級繼電過壓保護：當打壓超過系統設定壓力時，控制室的壓力處理系統發出報警，系統控制強制停止高壓泵工作；

b、第二級計算機過壓保護：當控制系統測量壓力超過極限壓力時，啟動快速卸壓通道快速卸壓；

c、第三級本質安全保護：采用本質安全型的高壓加壓泵和可靠的高壓泵的輸出壓力控制技術，保證在任何情況下，系統加壓不會超過設定值。氣動高壓泵的工作原理是采用力平衡原理工作的，啟動活塞受壓面積大，輸出高壓液體的活塞面積小。當驅動壓力產生的力和輸出壓力產生的力平衡時，高壓泵就停止排液，此時的輸出壓力不會再上升。系統的壓力控制設計上利用這個特性，通過手動減壓閥控制高壓泵的驅動壓力，事先按照高壓泵的輸出壓力按照折算比例計算驅動氣體的壓力，保證高壓泵的輸出壓力不會超出試件的最高壓力上限。

2）主控室操作面板和現場超高壓站面板，都具備緊急關斷操作按鈕，緊急情況按下“緊急停止”按鈕迅速超高壓站迅速關斷高壓泵，同時對承受高壓的管路和腔體進行泄壓。

3）高壓站設備具備操作“防呆”繼電保護回路，防止設備的誤操作發生意外。

2.1.11試驗控制程序

下位機PLC負責完成所有試驗傳感器信號的采集、試壓流程的切換、液密封測試壓力的采集、異常判斷等功能。上位機labvIEW軟件通過以太網通訊向下位機輸入試驗標準、試驗工藝及試驗參數等指令，同時也可向下位機獲取試驗壓力和試驗流程狀態、異常情況等參數，并可實時顯示和保存試驗數據。

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圖2.13    軟件控制流程圖

水密控制系統，控制自動試驗流程中采用lab view軟件做其開發平臺，Lab VIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，與Visual Basic，Visual C++、Delphi、組態軟件等工控軟件開發環境相比有獨特的優勢，可以快速靈活地搭建功能完善的高可靠性控制軟件。

軟件特點：

1）可靠性高，軟件可以開辟獨立高優先級線程，保證軟件運行順暢。多線程采用錯誤族輪詢傳遞，及時發現錯誤。每個線程均有設置軟件狗，防止停滯。采用集散控制系統（DCS）控制軟件架構；

2）性能優越，軟件充分利用PC機強大的處理速度，實現與下位機快速的數據交互；實時的數據顯示；實時數據分析處理，實現復雜算法；實時數據存儲。利用目前大容量的硬盤存儲，可以高采樣率數據存儲；

3） 操作簡單，系統的所用功能都由上位機同一調度，在上位機的人機界面（HMI）上即可以實現所有功能的設置，按照用戶的設置設備完全自動運行，可以無人值守。人機界面集中了所有物理量的顯示和記錄，還有各個運行狀態的指示及各類報警信號的指示，可以方便地了解設備運行狀況；

4）安全穩定，系統對于各種各樣異常狀況都有監視，當出現異常情況時軟件安裝上的設定步驟停機，保證設備運行安全穩定。

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上位機軟件主界面監控：以系統流程圖方式整體顯示系統參數（控制閥、傳感器、工作狀態），下位機軟件包包括DI/DO模塊子程序、AI/AO模塊子程序、上位機通訊子程序和通訊模塊子程序。完成現場操作控制的感知和輸出、數據采集和初步處理、控制輸出調節、維持通訊和數據交換等任務。

2.1.12數據采集和處理

1）設備上安裝有嵌入式計算機，能夠根據指令和設定參數，自動完成試驗過程；

2）計算機之間采用數據鏈進行信息交換，實時傳遞數據；

3）上位計算機系統采用工藝流程化的信息界面。實時顯示試驗狀態和個點的試驗參數。滿足甲方的技術要求；

4）上位計算機的強大繪圖和數據處理功能，能夠實時曲線化顯示試驗過程；

5）遠程采集壓力數據，能夠在控制室計算機屏幕和控制儀表上，觀察現場的壓力；

6）試驗完成之后能夠進行試驗數據的曲線回放、數據查詢以及報表打印，試驗數據可導出并永久保存。

2.1.13工藝流程

流程特點

采用灌注和打壓兩個步驟進行試驗，低壓時進行大排量灌注迅速注滿容腔，注滿后再進行增壓，提高試驗效率。高壓試驗時，系統根據預先選擇，可以自動實現打壓流程，灌注泵注滿后自動停止工作，系統自動啟動高壓泵，高壓泵開始工作直到設定壓力。在這一過程中氣動增壓臺泵根據設定的壓力及本身的壓力范圍自動啟停和打壓。

每一路的高壓輸出管路均配有獨立的泄壓排水口，試驗完成后可進行自動排放，各路間互不影響。

試壓裝置的工藝流程是按照計算機自動控制流程設計的，所有控制閥均采用電磁閥或氣控閥，由計算機自動控制。同時根據試驗需要，可切換到手動控制，通過現場控制面板上的按鈕試驗現場控制。

1)      增壓泵的啟動和停止控制，分別有獨立的兩位三通電磁閥的通電和失電來實現；

2)      試驗中向試件中加壓、保壓和泄壓的過程，分別由氣控閥來實現；

3)      分別增加了高壓單向閥和安全溢流閥，以保護各回路的壓力元件；

2.1.14試驗流程

試驗中，各泵和閥均可由自動控制系統進行自動開啟和關閉，可以根據設定的參數進行自動試驗，自動切換試驗流程。

試驗系統使用低壓氣動增壓泵進行灌注，高壓氣動增壓泵進行增壓。

a)        首先確認設備的氣、電、液等連接無誤。

b)        接通低壓氣體，調節驅動氣體的壓力到要求值。

c)        自動控制試驗時，可以設定多個不同的壓力試驗模式，并可分別設定保壓時間；

d)       根據設定的壓力值，系統首先自動啟動低壓氣動泵進行低壓灌注，當注滿容腔后自動關閉灌注泵，開啟高壓氣動泵，直至達到設定壓力值，自動停止，自動進行保壓；

e)        達到保壓時間后再自動進入下一壓力級別的增壓。  

f)         試驗過程灌注過程可采用兩種方案：一是只采用灌注泵進行灌注，注滿后再啟動高壓泵增壓；二是采用灌注泵和高壓泵共同灌注，注滿后關閉灌注泵，高壓泵繼續增壓。    

第三部分  主要組成及供貨設備

增壓系統主要由氣體過濾器、水過濾器、氣動高壓泵、氣動灌注泵、氣控高壓閥、高壓單流閥、高壓過濾器、減壓閥、手動泄壓閥、二位二通電磁換向閥、壓力表、壓力傳感器、高壓鋼管、高壓軟管和PLC控制器等部分組成。

高壓元件采用進口一流產品；

高壓氣動泵采用進口美國品牌HASKEL；

高壓氣控閥采用進口美國品牌ATUOCLAVE/BUTECH；

高壓過濾器單向閥采用進口美國品牌HIP/BUTECH；

高壓壓力表采用進口德國品牌WIKA；

壓力傳感器采用美國品牌SENEX；

低壓管路系統采用進口法國品牌LEGRIS；

高壓管路系統采用進口美國國品牌HIP。

精密水過濾器

過濾精度20μm和5μm。

1)    過濾精度高、濾芯孔徑均勻；

2)    過濾阻力小，通量大、截污能力強，使用壽命長；

3)    強度大，耐高溫，濾芯不易變形；

4)    易于拆卸清洗，濾芯可更換。

機電控制系統

系統功能：機電控制系統是實現計算機軟件程序控制、完成各種機械和電控操作的部分，實現整套系統的運行控制、參數測量和按照設定參數完成確定試驗程序。完成的主要工作內容為：壓力測量、閥門控制、緩沖卸壓控制、泵控操作、系統保護和電源供給等。

操作方式：現場手動試驗控制、遠程試驗步進控制、遠程試驗程序控制。實現遠程工藝流程的切換、打壓、保壓等操作和控制。兩種控制方式容易方便的切換。對遠程控制要求無延遲。在現場和控制室均具備系統緊急停止功能。

數據采集：采用遠程數字壓力信號傳輸方式，用上位機實現壓力的數據采集。

數據處理：采用流程化顯示界面，顯示各點的壓力測量值。試驗完成之后，實現方便的試驗數據或曲線回放和報表打印功能。

1）高壓站設備的面板上，有手動操縱的按鈕和顯示儀表。在現場操作時控制和觀察非常方便；

2）操作界面，提供快速流程切換選項，能夠進行“一鍵”流程切換；

3）“遠程控制”和“現場手動” 功能切換能夠在控制臺的面板上方便的進行。

主要供貨設備

附件：布局參考圖 

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