水压增压计算机控制系统试压泵

为满足我公司对各类工具的测试需要，需要在油气井测试工房的内建造水压增压系统。水压增压系统由井下工具增压系统、地面计量设备增压系统、室外增压系统、移动式增压系统以及电气自动控制系统组成。

 

1.2设计原则

1）先进与实用性

整套系统设计有一定的前瞻性，采用国内外最新的技术和工艺。同时考虑国内的技术水平，以节约试验成本和设备运行成本为系统的设计出发点。

2）开放与标准化

整套系统采用开放式体系结构，易于扩充，使相对独立的分系统易于进行组合和调整。符合国家标准或行业标准。

3）可扩充性

随着应用水平的提高，系统结构应具有良好的可扩充与可延展性，能够适应技术发展的要求。

4）使用安全性

加压系统采用本质安全型的设备，具有过压自动保护功能，同时对试验系统具有限压功能。设计有三重安全保护功能，第一级继电过压保护，第二级计算机软件保护，第三级本质安全保护；当系统异常压力超过设置上限压力时，系统将紧急卸压。

5）可靠性和可维护性

按照系统结构、技术措施、设备性能、装置管理、厂商技术支持等要求配备一套集自动控制、数据采集和分析的系统软件，确保系统运行的可靠性和稳定性。主要设备是定型生产、并具有成功应用实例的成熟产品，确保系统具有较高的稳定性。

6)   质量保证体系

具备ISO质量体系认证和具备相关的企业质量标准体系，严格按HSE安全环保标准及相关文件要求执行。各种配套设备及配件需在资质的合格厂家进行采购。

1.1设计标准

1.         API Spec 11D1-2009（ISO 14310-2008）《石油天然气工业－井下装备－封隔器和桥塞》；
2.         API Spec 16A《钻井通道设备规范》 第三版；
3.         API Spec 16D 第二版《钻井控制设备系统规范》；
4.         GB/T20174-2006石油天然气工业钻井和采油设备钻通设备；
5.         API 16C、SY/T5352-2004《节流与压井管汇》；
6.         API Spec 6A/SY/T5127—2002《井口装置和采油树规范》；
7.         GB/T 22513-2008《石油天然气工业  钻井和采油设备  井口装置和采油树》；
8.         公共安全行业标准及公安部对安全防范工程管理要求；
9.         其他有关的国家法令、法规文件。

 技术方案 2.1.1总体要求

水压增压系统由四套装置组成，分别为井下工具增压系统、地面计量设备增压系统、室外增压系统和移动增压系统。现场控制柜配触摸屏，控制方式为手动和自动控制，远程控制系统控制软件可以设定试压流程，系统具备超压保护功能。

井下工具测试增压系统配置1台灌注泵和1台高压泵。可分别独立或同时对4个工位进行试验，可单独泄压：其中2个试压口在井下工具试压坑内，另2个是试压口留在井下工具检修区备用，4个试压口最高试验压力140MPa。

地面计量设备增压系统配置2台灌注泵和2台高压泵（200MPa）。可分别独立或同时对4个工位进行试验，可单独泄压。

室外增压系统配置2台灌注泵和3台高压泵（140MPa+40MPa×2）。可分别独立或同时对3个工位进行试验，可单独泄压。

移动增压系统为2台灌注泵和3台高压泵（140MPa×2+40MPa）。可分别独立或同时对3个工位进行试验，可单独泄压。此系统位置不固定，因此不配备远程控制功能，通过触摸屏可设定及显示实验参数。

四套系统的各自的耗气和耗水量见表2.1技术参数，与工房内气管线和水管线连接接头采用快插接头，具体尺寸可根据现场管线而定。

2.1.2系统功能

                快速进行试件容腔的液体灌注，输出40MPa、140MPa和200MPa三个等级的高压液体。

                 配有粗过滤器和精过滤器两级过滤装置，避免试件内的杂质对增压系统造成损伤，分级过滤可以降低过滤器的清洗频率。

                 大排量、小排量、低压、高压相结合，满足试验流程要求。

                 自动控制或手动控制完成试件的液密封试验，手动和自动可单独使用，互不依赖。记录仪试压泵 同时都能自动采集，显示，记录和分析试压数据。

                 计算机自动生成压力、时间曲线，实时显示，并将各种数据存储，随时可打印出中英文对照的检验报告。同时安装数据记录仪表，实时记录试压情况。

                 软件具备人机界面、设置试验项目、压力、时间等各种设置。自定义打印格式，数据可以传到Microsoft Word，用户可以自己修改打印格式，方便实用。

                 在试验报告中能够随机调出试验过程中时间轴的对应的压力信息，以便分析试验产品的泄漏情况。

                 试压现场、控制柜分别安装试压三色警示灯，对试验状态进行警示。

                 设备具有超压报警停机功能。

                 设备具有紧急卸压停机功能。

2.1.3系统特点

试验装置的主要特点如下：

                    工作和维护成本低：充分利用 试压泵的工作特性，提高设备使用效率，且气动泵维修配件价格经济；

                    设备核心部件气体增压泵、高压阀门和仪表全部为国际优质品牌，安全可靠；

                    机柜为整体封闭式箱体，操作按钮集中于面板控制，使用安全；

                    高压管路采用不锈钢管，布局整洁美观。结构简单，易操作与维护；

                    所有进入增压系统的水均经过两级过滤，过滤精度分别为5μm和20μm；

                    气压驱动的增压方式，进口增压泵，噪音小。效率高。试压泵可在满负荷下频繁启动；

                    管路布局合理，连接高压管件均为HIP扣连接方式，进口产品，无需焊接，连接方便，安全可靠，便于维护。

2.1.4技术参数 

表2.1    主要技术参数

项目	柜体参考尺寸 长×宽×高 mm	泵额定工作压力（MPa）	泵数量 （台）	流量(L/min) 额定工作压力下	泵最大耗气量（Nm3/min）	试压工位 (路)
井下工具增压系统	1200×900×1350	灌注	1	20	1.8	4
		140	1	0.65	1.9
地面计量设备增压系统	1400×1000×1350	灌注	2	20	1.8	4
		200	2	0.45	2
室外增压系统	1400×1000×1350	灌注	1	20	1.8	2
		40	2	2.4	2.2
		灌注	1	20	1.8	1
		140	1	0.65	1.9
移动增压系统	1400×1000×1350	灌注	1	20	1.8	1
		40	1	2.4	2.2
		灌注	1	20	1.8	2
		140	2	0.65	1.9
测控系统及相关需求	压力传感器	传感器显示精度	试验介质	控制方式	用电需求	驱气压力
	精度0.25%F.S 4-20mA信号	0.01MPa	洁净自来水	自动/手动 PC+PLC及触摸屏	220V/2kW	0.8MPa

2.1.5增压系统工作原理

试压泵采用美国进口气动泵作为动力源。泵的输出压力可现场设定均或在计算机设定。高压试压泵试验压力较高，且控制系统需要长时间运行，选用重载型高压气控阀。为保证系统的安全，进液阀采用常闭气控阀。

根据测试内容的不同需要具备不同的输出压力和流量，选用不同型号增压泵和控制管路，各增压系统的试验原理如下。

井下工具增压系统分为低压灌注和高压增压两部分，试验时首先启动低压灌注泵，快速将试件容腔灌满；自动或手动切换到高压增压泵，将输出液体压力增高到140MPa。

泵的增压比为固定值，通过调节驱动气体的压力，可以得到阀门试压泵高压泵的不同输出压力。输出管路设有高压溢流阀，系统压力超过设定压力会自动打开溢流阀泄压。4个输出回路均设截止阀，压力达到试验值时关闭截止阀进行保压。试验完成后可通过排水管路进行泄压排水。

输出端均配高压软管，接口为G1/4”内牙外锥。

地面计量增压系统由低压灌注和高压增压两部分组成，配有有200MPa增压泵和灌注泵分别实现增压和灌注。试验时首先调节驱动气压，实现低压快速将试件容腔灌满；然后将驱动气压调高，将输出液体压力增高到200MPa。

泵的增压比为固定值，通过调节驱动气体的压力，可以得到高压泵的不同输出压力。输出管路设有高压溢流阀，系统压力超过设定压力会自动打开溢流阀泄压。四个输出回路均设截止阀，压力达到试验值时关闭截止阀进行保压。试验完成后可通过排水管路进行泄压排水。

输出端均配高压软管，软管接头为G1/4”内牙外锥。

室外增压系统由140MPa和40MPa两种压力部分组成，140MPa部分有1台增压泵和1台灌注泵实现增压和灌注，40MPa部分有2台增压泵和1台灌注泵实现增压和灌注。试验时首先调节驱动气压，实现低压快速将试件容腔灌满；然后将驱动气压调高，将输出液体压力增高到140/40MPa继续打压。

泵的增压比为固定值，通过调节驱动气体的压力，可以得到高压泵的不同输出压力。输出管路设有高压溢流阀，系统压力超过设定压力会自动打开溢流阀泄压。两个输出回路均设截止阀，压力达到试验值时关闭截止阀进行保压。试验完成后可通过排水管路进行泄压排水。

输出端均配高压软管，软管接头为G1/4”内牙外锥。

移动增压系统由140MPa和40MPa两种压力部分组成，140MPa部分有2台增压泵和1台灌注泵实现增压和灌注，40MPa部分有1台增压泵和1台灌注泵实现增压和灌注。试验时首先调节驱动气压，实现低压快速将试件容腔灌满；然后将驱动气压调高，将输出液体压力增高到140/40MPa继续打压。

泵的增压比为固定值，通过调节驱动气体的压力，可以得到高压泵的不同输出压力。输出管路设有高压溢流阀，系统压力超过设定压力会自动打开溢流阀泄压。两个输出回路均设截止阀，压力达到试验值时关闭截止阀进行保压。试验完成后可通过排水管路进行泄压排水。

输出端均配高压软管，软管接头为G1/4”内牙外锥。

柜体外形

外观：设计成为柜式结构，外观是一个独立的大柜体。

柜体采用加重型架构设计和制造；在柜体的顶部安装有起重吊耳装置。柜体的面板前安装斜面盖板。盖板安装钢化玻璃窗，便于观察内部的测量仪表。盖板配备锁具，采用气弹簧支撑。

面板上安装有高压压力表、驱气压力表、触摸屏、紧急关断及相关阀门开关及状态显示。每只阀的手动操作的自锁按钮，能够分别控制每一只阀的开关操作；按钮带状态指示灯，指示灯显示电磁阀的通电情况；

面板上安装有蘑菇形自锁“紧急停止”按钮

 

2.1.6泵的选型

增压系统均采用低压大排量泵进行灌注，不同压力级别的压力采用不同的增压泵，满足不同压力和流量的试验需要。

图2.9  200MPa增压泵流量曲线

2.1.7打压时间计算

打压过程分为灌注和增压两个过程，增压过程主要考虑水的压缩率，不考虑试件变形。水的压缩率见下图2.10。

井下工具打压时间

1)      井下工具容积为20L，气动泵灌注排量为20L/min，灌满时间为1min；

2)      200MPa时水的压缩率为6.8%，未考虑工具容腔的变形，0MPa升到200MPa时，水压缩后减少的容积为20×6.8%=1.36L；

3)      高压泵空载排量为0.9L/min，输出压力为200MPa时排量为0.45L/min，因此打压过程平均排量为0.675 L/min；增压时间为1.36L/0.675 L/min=2.01min；

4)      总的打压时间为1min+2.01min=3.1min。

管汇打压时间

1)      管汇容积为50L，气动泵空载排量为20L/min，灌满时间为2.5min；

2)      140MPa时水的压缩率为4.8%，未考虑管汇容腔的变形，0MPa升到140MPa时，水压缩后减少的容积为50L×4.8%=2.4L；

3)      气动增压泵空载排量为1.4 L/min，输出压力为140MPa时排量为0.65 L/min，因此打压过程平均排量为1.025 L/min；增压时间为2.4L/1.025L/min=2.34min；

4)      总的打压时间为2.5min+2.34min=4.84min。

分离器打压时间

1)      分离器容积为4m³，为缩短试验时间，建议直接用自来水接入分离器；接近充满状态时，再采用灌注泵进行灌注。

2)      40MPa时水的压缩率为1.8%，未考虑分离器容腔的变形，灌满后打压，从0MPa升到40MPa时，水压缩后减少的容积为4m³×1.4%=0.056 m³=56L；

3)      气动增压泵空载排量为4L/min，输出压力为40MPa时排量为2.4L/min，因此打压过程平均排量为3.2 L/min；增压时间为56L/3.2 L/min=17.5min；

4)      不考虑灌注时间，增压时间为17.5min。

2.1.8控制系统工作原理

采用基于以太网络的高效高实时性的DCS分布式控制系统，下位机采用西门子的S7 300 PLC控制器，上位机硬件平台采用研祥特种工控机，软件平台采用美国NI 公司专业测控软件LabvIEW作为其开发平台。

系统控制流程图见下图。控制结构采用上、下位机控制模式。下位机进行系统过程控制、数据采集、现场显示工作参数、现场修改试验参数以及与上位计算机进行数据交换等功能。上位机对下位计算机进行数据发送和接收、修改试验参数、控制工作状态、存储试验数据、显示控制界面和数据回放、报表生成等功能，采用友好的软件交互界面。从而实现整个系统的稳定运行，上下位机互相独立，互不干扰，分工明确，从而可以更好的保证系统稳定运行。

2.1.9系统功能

1)      软件可设定试验压力，同时具有超压保护功能；

2)      控制高压试验，与高压水控制台构成一个高压水试验控制系统；

3)      现场PLC与压力传感器构成压力继电保护系统；

4)      中控室计算机通过RS485读取现场PLC实时数据；

5)      计算机具备加压过程的数据记录过程数据记录、回放，数据可导出永久保存；

2.1.10控制系统安全性

1）电动试压泵过压保护：系统有三级过压保护措施：

a、第一级继电过压保护：当打压超过系统设定压力时，控制室的压力处理系统发出报警，系统控制强制停止高压泵工作；

b、第二级计算机过压保护：当控制系统测量压力超过极限压力时，启动快速卸压通道快速卸压；

c、第三级本质安全保护：采用本质安全型的高压加压泵和可靠的高压泵的输出压力控制技术，保证在任何情况下，系统加压不会超过设定值。气动高压泵的工作原理是采用力平衡原理工作的，启动活塞受压面积大，输出高压液体的活塞面积小。当驱动压力产生的力和输出压力产生的力平衡时，高压泵就停止排液，此时的输出压力不会再上升。系统的压力控制设计上利用这个特性，通过手动减压阀控制高压泵的驱动压力，事先按照高压泵的输出压力按照折算比例计算驱动气体的压力，保证高压泵的输出压力不会超出试件的最高压力上限。

2）主控室操作面板和现场超高压站面板，都具备紧急关断操作按钮，紧急情况按下“紧急停止”按钮迅速超高压站迅速关断高压泵，同时对承受高压的管路和腔体进行泄压。

3）高压站设备具备操作“防呆”继电保护回路，防止设备的误操作发生意外。

2.1.11试验控制程序

下位机PLC负责完成所有试验传感器信号的采集、试压流程的切换、液密封测试压力的采集、异常判断等功能。上位机labvIEW软件通过以太网通讯向下位机输入试验标准、试验工艺及试验参数等指令，同时也可向下位机获取试验压力和试验流程状态、异常情况等参数，并可实时显示和保存试验数据。

 

 

水密控制系统，控制自动试验流程中采用lab view软件做其开发平台，Lab VIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，与Visual Basic，Visual C++、Delphi、组态软件等工控软件开发环境相比有独特的优势，可以快速灵活地搭建功能完善的高可靠性控制软件。

软件特点：

1）可靠性高，软件可以开辟独立高优先级线程，保证软件运行顺畅。多线程采用错误族轮询传递，及时发现错误。每个线程均有设置软件狗，防止停滞。采用集散控制系统（DCS）控制软件架构；

2）性能优越，软件充分利用PC机强大的处理速度，实现与下位机快速的数据交互；实时的数据显示；实时数据分析处理，实现复杂算法；实时数据存储。利用目前大容量的硬盘存储，可以高采样率数据存储；

3） 操作简单，系统的所用功能都由上位机同一调度，在上位机的人机界面（HMI）上即可以实现所有功能的设置，按照用户的设置设备完全自动运行，可以无人值守。人机界面集中了所有物理量的显示和记录，还有各个运行状态的指示及各类报警信号的指示，可以方便地了解设备运行状况；

4）安全稳定，系统对于各种各样异常状况都有监视，当出现异常情况时软件安装上的设定步骤停机，保证设备运行安全稳定。