直流控制电磁三通旋转阀在单井计量中的应用.pdf

第 5 l 卷第 1 期 2 0 1 5年 2月 石油化工自动化 AUT M ATI ON I N PETR _ CHEM I CAL I NDUSTRY Vo 1 ． 5 1 ，No ． 1 Fe br u a r y，201 5 直流控制 电磁三通旋转阀在单井计量 中的应用 高宝元 中国石油川庆钻探工程公司 钻采工程技术研究院， 西安 7 1 0 0 1 8 摘要 针对单井计量中传统牵引式交流控制电磁三通阀启动和运行噪声大、 电能消耗大、 电磁阀控制线圈频繁烧坏、 排油时间 长 、 原 油漏 失大， 计量不准确等缺陷 ， 研制 了一种新型直流控制 电磁旋转三通阀 ， 采取低压直 流控制驱动线圈 。重点介绍了旋转 三通 阀的结构组成 、 工作原理 、 节 电原理 、 机械设计及经济指标评估等 。实际应用表明 直流控制 电磁三通旋转 阀运行稳 定， 满 足 了单井计量 的需求 。 关键 词 直流控制电磁旋转三通阀 中图分 类号 T P 3 0 3 ． 1 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 1 0 0 5 3 0 3 Appl i c a t i o n of DC Co nt r o l El e c t r o ma g ne t i c Th r e e - wa y Ro t a r y Va l v e i n S i n g l e W e l l M e t e r i ng Ga o Ba o y ua n Dr i l l i n g P r o d u c t i o n En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch u a n q i n g Dr i l l i n g En g i n e e r i n g Co ．I t d ．，CNP C， Xi ’ a n，7 1 0 0 1 8，Ch i n a Ab s t r a c t Fo c u s i n g o n t h e d r a wb a c k s o f s t r o n g s t a r t i n g a n d r u n n i n g n o i s e ，l a r g e e l e c t r i c e n e r g y c o n s u mp t i o n，f r e q u e n t b u r n o u t o f e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e c o n t r o l c o i l ，l o n g o i l d i s c h a r g e t i me ， l a r g e c r u d e o i l l e a k a g e a n d i n a c c u r a t e me a s u r e me n t o f t r a d i t i o n a l t r a i l t y p e AC c o n t r o l t h r e e wa y s o l e n o i d v a l v e i n s i n g l e we l l me t e r i n g，a n e w t y p e o f DC c o n t r o l e l e c t r o ma g n e t i c t h r e e wa y r o t a r y v a l v e i s d e v e l o p e d wi t h d r i v e c o i l a d o p t i n g l o w v o l t a g e DC c o n t r o 1 ． Th e s t r u c t u r e ， wo r k i n g p r i n c i p l e s ，e l e c t r i c i t y s a v i n g p r i n c i p l e s ，me c h a n i c a l d e s i g n a n d e c o n o mi c i n d i c a t o r s e v a l u a t i o n o f t h e t h r e e - wa y r o t a r y v a l v e a r e s t r e s s e d ．Th e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i n d i c a t e s t h e DC c o n t r o l e l e c t r o ma g n e t i c t h r e e wa y r o t a r y v a l v e r u n s s t a b l y ． Th e r e q u i r e me n t f o r s i n g l e we l l m e t e r i ng i s m e t ． Ke y wo r d s DC c o n t r o l ；e l e c t r o ma g n e t i c ；t h r e e wa y r o t a r y v a l v e 原油计 量是 油 田生产 管理 中的一项 重要 工 作 ， 做好单 井计 量是油 井长 期稳 产高产 的保证 ， 也是合理开发 油 田， 提高最 终采收率 的需要 。长 庆油 田分公 司采用双容积 分离器进行单井 计量 ， 其 中使用 的牵引式交流 电磁三通 阀有 2 0 0多 台， 使用的电磁铁 均为 MQ1 5 1 5 1系列 。由于采用 交流励磁控制 ， 电磁铁本 身吸合不好 以及受诸 多 外部因素 影 响， 在频 繁动 作工 况下 ， 极 容 易造成 电磁控制 线 圈烧坏 ， 维修 费用 高 ， 并且 严重 影 响 了计量工作 的正常进行 。另外 ， 起动 和运行 噪声 大 ， 对 环境 造 成极 大 污染 ， 且 电能 消 耗大 ， 口径 小 ， 排油时间长 ， 原油漏失 大 ， 计量 不准确 。针对 上述存在 的问题 ， 该公 司研 制 出直流控 制电磁旋 转三通 阀， 其 具有新 颖独 特 的密封结 构 ， 密 封性 能好 ， 原油漏失小 ， 计量准确 ； 具有专用快 速 的旋 转 系统 ， 口径 大 ， 流速快 ， 转 动灵 活 ， 全 天运行 无 故 障 ； 控制线 圈 电压 采用专 用 电源模 块 ， 实 现直 流 阶跃 突变 控 制 ， 克 服 了交 流 电磁 阀存 在 的缺 点 ， 不损烧 控制线 圈 ， 大 幅降低 了维修 费用 以及 采油工的劳 动强度 ； 运行 过程 无 噪声 ， 有 效地 改 变 了工作环境 ； 降低 了励 磁机 构起 动、 运 行 的 电 能消耗 ， 有效地节约了电能 。 1 结构 组成 与 工作 原理 1 ． 1 结构 组成 直流控制电磁旋转三通 阀主要由防爆外壳 、 电 磁驱动线圈 、 可移动牵引磁铁 、 拨又、 大连杆 、 阀体、 指针及连接法兰组成 ， 结构如图 1所示 。 稿件收到 日期 2 0 1 4 0 8 0 4 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 4 1 卜 2 8 。 基金项 目 2 O 1 4 2 O l 5年列为 中国石油集团川庆钻探 工程 公司科 研支撑项 目 C Q2 0 1 4 B 一1 1 2 3 。 作者简介 高宝元 1 9 6 3 ， 男 ， 2 0 0 8年毕业于西安交通大 学电气 工程 及 自动化专业 ， 现就职于 中国石 油川庆钻操工程公 司 ， 从事石 油 自动化仪器 仪表研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 石油化工 自动化 第 5 1卷 防爆壳 电磁驱动线 圈 可移动磁铁 拨 叉 大连杆 阀体 指针 连接法兰 磁铁 为 常 数，吸 力 正 比于 ，反 比于 6 6 磁通的漏磁系数 和 ， 即F C x 3 ／ 。 F同时受 6与 的影响 ， F一 曲线 比较陡削 。 起动时直流控制器 向驱动线圈供 1 9 8 V进行吸引 ， 吸合后1 s 转化为 3 6 V直流电压给驱动线圈供电， 由于直流矫顽力基本保持不变 ， 电磁铁继续 吸合 ， 达到不烧线圈， 运行过程无噪声 ， 节能节 电的 目的。 F一 厂 曲线比较如图 2所示 。 图 1 直流控 制 电磁 旋 转三通 阀结构 示意 图 2 牵引力与磁链漏磁 系数的关系示意 1 ． 2工作原 理 当双容积分离器计量室里的液位上升到上浮 球液位控制器时 ， 直流控制器 向专用的电磁驱动线 圈发出驱动信号 ， 可移动牵引电磁铁被电磁驱动线 圈吸合 ， 带动拨又及大连杆 ， 使阀体 内的阀芯按逆 时针方 向旋转 ， 指针 由水平位置移动到垂直位置， 阀体连接的左边管线与垂直下管线相通 即指针旋 转 9 0 。 时两管线相通 ， 而其他 管线不相通 。此时 双容积分离器计量室里的原油 由阀体 的左边管线 流入 ， 从阀体下垂直管线流出 ， 通过泄油泵 向外排 油。当液位降至下浮球液位控制器时， 直流控制器 切断驱动信号 ， 可移动牵引电磁铁在 自重及 阀体 内 弹簧拉力的作用下 ， 带动旋转机构复位 ， 指针 由垂 直位置返 回到水平位置 ， 停止工作。这时阀体连接 的左右水平管线相通 ， 而左边管线和垂直下管线不 相通 ， 原油从阀体连接的右边管线流人经过左边管 线流出， 进入双容积分离器 的计量室 ， 实现对原油 正常的循环计量。 1 ． 3 节 电措 施 电磁铁受 电磁吸力驱动、 牵引机械装置 ， 直流 电磁三通旋转 阀采用拉 动式 MQ1 5 1 5 1型牵 引 电磁铁 ， 通电率 1 0 0 ， 衔铁质量 4 k g 。根据电磁 定理 ， 当控制线圈通交流电时， 在磁路 内产生变化 磁场 ， 使铁芯和衔铁产生磁化 ， 衔铁产生吸引力将 铁芯吸合。电磁系统中 U≈ E， 即磁链 为常数 ， 吸力 反 比 于 磁 链 的 漏 磁 系 数 ，即 F U／ 8 。 工作气 隙的变化 ， 对 的影 响不大， 即 F一 厂 曲线较平滑 ， 使得起动和运行噪声大 ， 电 能消耗大 ， 电磁阀控制线圈频 繁烧坏 。 如果将交流 电磁系统改变为直流 电磁阶跃式控制系统 ， 直流电 通过计算 直流最大电磁铁牵引力 F一 5 8 8 N。 由于吸力增大， 衔铁行程增大， 在最大电磁铁牵引力 F一 5 8 8 N的情况下 ， 磁铁 向上移动的最大行程 S M／ F一 5 0 m m。 分别采用直流控制器与交流控制器供电时 ， 电 磁阀的性能 比较见表 1所列 。 表 1 交直流控制 电磁 阀性能 比较 1 ． 4 机械 部分 设计 1 原油计量设计。阀体采用铸钢材料 ， 阀芯 采用 4 5 号钢， 阀芯孑 L 径 4 0 m m， 在磨床上进行研 磨后 ， 使阀体和阀芯配合间隙为 0 ． 0 3 mm 以下 ， 达 到密封性能 良好 ， 不窜油 ， 旋转灵活。 2 轴承设计 。由于电磁 阀平均 1 0 rai n动作 一 次， 磁铁向上和 向下运动均有较大负载并伴随强 大的振动 ， 故选用轴承转速较低 、 载荷较大并具有 抗冲击 载荷 的轴 承， 选用 滚 子 轴 承 N0 0 0 0型 和 3 0 0 0 0型 。 3 轴承两端密封设计 。目的是能承受一定 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 高宝元．直流控制电磁三通旋转阀在单井计量中的应用 原油压力 ， 并且防止原油中细沙进入轴承两端卡住 转动。选用橡胶“ 0” 型圈， 其特点是 材料致密性 好 ， 不易泄漏原油； 有适合 的机械强度和硬度 ； 压缩 性和回弹性好 ， 永久性变形小 ； 高温下不软化 、 不松 解 ， 低 温下不硬化 、 不脆裂 ； 抗腐 蚀性能好 ， 在酸 、 碱、 油等介质 中能长期工作 ； 体积和硬度变化小 ， 且 不粘附在金属表面； 摩擦 系数小 ， 经久耐用 ； 取材容 易 ， 加工制造方便 ， 价格便宜。 4 压缩 圆柱螺旋弹簧设计。由于向上提起最 大力为 6 0 0 N， 弹簧变形量在 2 0 ～8 0 的情况下 应正常工作。通过设计和计算应选用碳 素弹簧钢 丝 B级 ， 材料直径 4 mm， 允许用力为 8 7 0 N， 考虑 到 自重、 摩擦力等 ， 能满足设计要求 。 5 安装设计 。为满 足现场需求 ， 连接法兰选 DN5 0标准法兰 P NO ． 6 MP a ， D一1 4 0 mm， K一 1 1 0 mm， C 1 6 ram 且为 8孔。在正常状态下 ， 指 针与阀体上 的法 兰平行 ， 指 针所指法 兰接输入管 线 ， 反之接输出管线 。 6 防爆外壳设计。采用标准钢管 外径 为 2 4 5 I T l r f l ， 壁厚为 6 mm， 高为 3 2 0 m m 制成， 采用 隔 爆型式。 7 拨叉及连杆设计。采用 4 5号钢加工， 经热 处理后， 表面镀锌， 达到旋转灵活、 经久耐用的目的。 2 现场应用情况 截至 2 0 1 3年 1 2月该公司共安装 5 O 多 台直流 控制电磁旋转三通 阀， 全部运行正常 ， 达 到了设计 要求 ， 原油计量准确 ， 泵向外排油时间短， 不烧坏旋 转阀驱动线圈 ， 机械故 障率低 ， 运行过程无噪声污 染 ， 节能节 电， 深受广大基层人员的欢迎。如果该 公司在双容积分离器单井计量中全部采用 阶跃突 变直流控制 电磁旋转三通 阀， 将会产生一定 的经济 效益和社会效益 。 3 结束 语 经过两年多 的实 际应用 ， 5 O多台直 流控制电 磁旋转三通阀安全无故障运行 ， 达 到了设计要求 ， 可以取代现有传统式牵引式交流电磁三通阀， 其优 势在于 1 从根本上解决了原来单井计量 中长期存在 的频繁烧坏电磁阀控制线 圈问题 ， 节约了大量 的维 修费用， 减轻了维修人员的劳动强度。 2 降低了吸合功率， 缩短了排油时间， 节约电能。 3 起动和运行噪声低 ， 达到了石油天然气工 业健康 、 安全 、 管理体系标准 。 4 密封性能好 ， 原油漏失小 ， 计量准确 。 5 结构新颖 ， 动作灵敏 ， 直径大 ， 流速快 ， 适用 于黏度高 、 杂质多的原油介质 。 参考文献 [1 ] 张琪 ， 吴承浩 ， 左凯 ， 等． 新型油层保护 阀的研制 [ J ] ． 石油机 械 ， 2 O 1 2 ， 4 0 O 9 l O O l O 1 ． [2 ] 杨智春 ， 李斌 ， 史交 齐． 特殊扣 套管 接头 的应 力及 密封性分 析 [ J ] ． 机械科学 与技术 ， 2 0 0 4 ， 2 3 0 7 7 7 1 7 7 3 ， 7 7 6 ． [ 3 ] 张琪． 采油工程原理与设计[ M] ． 东 营石油大学出版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 4] 张亚辉 ， 林家浩． 结构动力学基础 [ M] ． 大连 大连理工大学 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 5] 刘新福 ， 綦耀光 ， 吴建军 ， 等． 煤 层气井有杆泵设备 泵阀运动 规律和开启条件_ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 2 ， 3 7 0 5 8 1 8 6 ． [ 6] 卢子广 ， 周永 华．自动 控制理 论 E M3 ． 北京 机械 工业 出版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 7] 顾仁明 ， 李仁俊 ， 隋焕 开． 实用 电工及 电气 设备 [ M] ． 济南 山东科学技术出版社 ， 1 9 8 4 ． [8] 刘晓春． 基于 MC GS和 P L C的电机运行参数 监控 系统设计 口] ． 自动化技术与应用 ， 2 0 1 0 0 9 7 3 7 5 ． [9] 李宁． 基于 MD K 的 S TM3 2处理器 开发与应 用[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 8 ． E l O 3 陈 德 民， 张 振 基 ， 黄 步 余． 石 油 化 工 自动 化 控 制 设 计 手 册E M3 ． 3版． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 上接 第 3 8页 的滨南采油厂得到了很好 的应用 ， 系统 自投入运行 以来 ， 运行状况 良好 ， 性能稳定 ， 使用便捷 ， 各项污 水治理指标稳定合格 。污水监控系统加药部分实 现 自动控制 ， 节省了人力 、 物力 、 财力 ， 达到经济效 益和社会效益双丰收 。 参考文献 [1 ] 张文． 油田污水 处理 技术现 状及 发展趋 势E J ] ． 油 气地质 与 采 收率， 2 O l O ， 1 7 O 2 l O 8 一 l O 9 ． [2] 魏宏晓 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