助推式自动投球装置研发与实验（论文） .pdf

系统解决方案 助推式自动投球装置研发与实验 邸俊峰，范映潭。曹彩平。向华州 ( 长庆油田分公司第七采油厂数字化与科技信息中心，西安7 1 0 2 0 1 ) 摘 要：目前油田在用自动投球装置由于设计缺陷、设备结垢等原因，出现卡球、切球、电机烧毁等故障较多。为 此，设计一种新型自动投球装置，在实现井场自动投球清蜡的同时，消除现有自动投球装置易发故障，切实保证油田井 场正常清蜡投球作业。 关键词：自动投球器；管道清蜡；数字化油田 l 研发背景 含蜡原油在原油管道运输中随着温度的降低及 管道使用时间的增长，管道内壁结蜡将逐渐增多严 重影响正常原油集输需对管道进行日常清蜡处理。 投球清蜡作为管道清蜡最经济有效的办法在油田1 3 常生产中得到广泛应用但人工手动投球费时费力 且不满足现代数字化油田无人值守要求。自动投球装 置按照设定程序每天定时自动投球在极大减轻员工 劳动强度的同时也满足了数字化油田井场无人值守 运行的条件。 由于设计缺陷、设备结垢等原因，目前油田在用 自动投球装置卡球、切球、电机烧毁等故障较多。 以长庆油田第七采油厂为例2 0 1 3 年底共安装自 动投球器2 7 7 台能正常使用的1 8 3 台，设备正常率 仅6 6 。设备故障造成无法投球的井场有6 7 座占已 安装井场的2 4 。是造成井场无法投球的主要原因。 为此通过分析现有自动投球装置存在问题合 理设计开发自动投球装置各部分结构、优选可靠性较 高的零部件，开发一种能稳定运行、操作简单、故障率 低、满足油田数字化无人值守井场实际投球清蜡作业 要求的自动投球装置。 2 设计研发 2 1 结构选型 自动投球装置整体结构主要有球阀型与活塞型 两种利用球阀转动或活塞的往复运动将清蜡球放入 输油管道靠原油自压将清蜡球推走实现投球作业。 球阀型自动投球装置清蜡球储存在装球筒中当 球阀转至关闭输油管道位置时球阀中空部分与装球 筒连通清蜡球落入球阀中随后球阀带动清蜡球旋 作者简介：邸俊峰( 1 9 8 2 - ) ，工程师，研究方向为自动化。 收稿1 5 1 期：2 0 1 5 0 7 1 3 转9 0 。，球阀中空部分与输油管道连通( 输油管道处于 打开位置) ，清蜡球靠原油自压冲走。该结构在投球装 置新装的一段时间内使用尚可但随着使用时间增 长，逐渐暴露以下问题： ( 1 ) 装球桶直径与清蜡球直径相差不大，球阀转 动将原油带入装球筒，造成桶壁结垢、球体互相粘带、 球体泡涨，清蜡球卡在装桶中无法掉入球阀中。 ( 2 ) 结垢造成球阀内径变小，球不能正常掉人。 ( 3 ) 结垢后球阀转动困难，无法转到与管线平行 的位置，无法投球。 ( 4 ) 电机长期振动，球阀发生水平位置上的偏移， 清蜡球无法正常掉入球阀中。 ( 5 ) 清蜡球无法顺利投出时极易发生切球、卡球 现场，球阀卡在某个位置。电机超负荷运转，直至烧 毁。 ( 6 ) 球阀带入装球筒的原油较多，清蜡球被长期 浸泡装球时需放空。 ( 7 ) 小液量井场管道压力不足，清蜡球不易被冲 走。 活塞型自动投球装置左右活塞端面紧贴共同运 动到储球装置位置时，右端活塞停止运动左端活塞 继续运动，直到两活塞间拉开一段距离，清蜡球落入 左右活塞中间两活塞再共同运动将清蜡球带至原油 管道位置，靠原油管道自压将球冲走，完成投球作业。 该结构储球装置进油少清蜡球不会长期浸泡进而 由于结垢导致的卡球、切球现象减少，同时装球无需放 空。其主要问题： ( 1 ) 小液量井场管道压力不足时，清蜡球同样不 易被冲走，第二次投球时左右活塞靠近，造成挤球甚 至烧毁电机 ( 2 ) 操作复杂，设置不正确或人工操作错误时易 造成储球桶进油、挤球。 对比两种结构活塞型自动投球装置优点明显。 因此，助推式自动投球装置整体结构选用活塞型但 自动化应用2 0 1 51 2 期4 4 万方数据 系统解决方案 蓬蓁誊4 霪萋爹薹鍪? s 仍需改进优化使其适用于小液量井场同时简化操 作，避免人为造成的各类故障。 2 2 助推机构设计 现有自动投球装置在完成送球动作后均靠管道 自压将清蜡球冲走管道结蜡或压力不足时清蜡球未 被冲离放球位置再次投球时出现卡球该故障在小 液量井场尤为明显 助推机构设计思路：投球装置完成送球动作后不 完全依靠管道自压将球冲走增加助推机构将球推离 投球装置，进入输油管道。 2 3 装球机构设计 现有自动投球装置装球机构均采用立式简装结 构，依靠清蜡球重力落入球阀或活塞间。活塞型虽由 于装球筒进油少，球体泡涨、结垢造成卡球明显减 少，放球无需放空，但装有不同规格清蜡球时也易卡 球且投球数量不可控极易发生操作错误造成多投 球。 装球机构设计思路：采用轮盘结构，通过程序控 制轮盘转动实现每次有且只能投一个清蜡球可适 应不同规格清蜡球可随时看到清蜡球个数。 2 4 传动机构设计 现用自动投球装置部分采用液压传动方式但液 压系统存在泄漏走位不准确易卡球冬天须加电伴 热防冻实际使用问题较多。 传动机构设计思路：采用齿轮传动，具有运行平 稳、传动比精确、工作可靠、效率高、寿命长等优点。 2 5 承压设计 现用投球装置承压能力在5 m p a 以下井场扫线 时只能在装置后端或切换至旁通进行投球装置内部 及连接处管道长时间得不到清理结垢造成的卡球等 故障较多。 承压设计思路：新型自动投球装置整体承压能力 达到1 5 m p a 满足扫线要求于装置前端直接进行扫 线有效清理装置内部及连接处管线起到保养装置 作用，延长装置使用时间，减少卡球等故障。 2 6 控制系统设计 现有投球装置需现场设定收球间隔、伴热温度等 参数，且设置过程复杂手动投球时操作错误极易造 成人为故障；各类控制面板长期暴露，损坏严重。 控制系统设计思路：投球时间及过程固定，均可 写入程序进行控制无需任何人为操作：新型投球装 置无任何操作面板专业人员维护时通过插入手操 器进行操作有效避免人为故障及各类控制面板故 障。 4 5 w w w c h i n a c a a a c o m 自动化应用 3 助推式自动投球装置 助推式自动投球装置整体采用活塞结构如图1 所示，具有以下特点： ( 1 ) 放球无需泄压放空，贮球盘与活塞管通过控 制系统依次运动完成自动定时投球作业管线原油不 会进入储球筒。 ( 2 ) 储球装置采用轮盘式结构，适用于 西5 0 m m 不同规格尺寸的清蜡球解决了因不同规格尺寸球同 时放置出现的卡球问题实现每次都有且只能投一个 清蜡球保证了装置运行可靠性和稳定性并且可以看 到清蜡球的个数，便于操作。 ( 3 ) 具有独特的压力平衡机构，将活塞受到原油对 其的压力变为内应力减小了电机功率( 采用4 0 w 直 流电机) ，增强了机构的可靠性，提高了设备的安全性。 ( 4 ) 具有独特的过油通道，两活塞在运球过程中， 整个输油管道仍然畅通无阻，不会产生憋压现象。 ( 5 ) 整体结构承压能力达到1 5 m p a ，井场扫线可 于井口直接进行减少装置结垢或部分管道结垢造成 的各类故障。 ( 6 ) 创新性地开发出了清蜡球助推功能。在清蜡 球到达管道位置后不完全依靠原油自压进入管道即 使在原油自压很小的情况下也能依靠助推机构将清 蜡球推出投球装置有效避免了小液量井场由于清蜡 球未离开投放位置，再次投球时出现的挤球、卡球等 故障的发生。 ( 7 ) 逻辑控制器及各类电器元件安装于防爆控制 箱内无任何操作面板正常自动运行时无需任何人 为干预有效减少了电器元件损坏及人为误操作造成 的各类故障。 f i ：幕可i 一量量雪萎亏三芝。一 警 1 一一至遵# t 二_ 岛 ：一+ i 蕊 ：a 。a 一一9 霪l 囊霜藩l ? i ? 嘲二il 。 注：l 一齿条杆；2 一钢丝绳；3 一装球管；4 一驱动电机；5 - 阀体；6 一下连接 板；7 一下活塞；8 一排油电机；9 一推球机构；1 0 一排油机构；1 1 - 导向管； 1 2 一上活塞；1 3 一齿轮丝杠；1 4 一上连接板 图1 助推式自动投球装置机械结构 ( 下转第8 7 页) 万方数据 h m i 及p l c 控制系统 藿霪j 羹墨 ? ； 蔓*一：堂l o 、f 、1 _、1 图2 通用整流单元+ 逆变器系统 4l 2 过程系统功能 l 2 过程自动化系统根据待矫钢板的几何尺寸及 钢种等数据通过高精度矫直模型计算并进行矫直能 力极限校核后确定最优的矫直道次和矫直规程下 发给p l c 基础自动化控制系统实现矫直过程的自动 控制。l 2 过程自动化控制系统在过程机室设置一台二 级服务器。二级控制系统具有完善的自学习功能和离 线开发功能。系统结构如图3 所示。 二级控制系统在接收到p d i 生产计划系统或操 作工输入的钢板初始数据后根据设备的载荷及约束 条件，完成辊缝、矫直速度、弯辊量、负荷分配、矫直道 次等参数的设定计算下发给p l c 基础自动化控制系 统并完成矫直机控制区域内的物料跟踪 5 仪表系统功能 高温计主要用于检测进矫直机前钢板实际温度： 图3过程控制系统基本结构 热检主要用于检测钢板位置。 参考文献 1 崔普矫直原理与矫直机械 m 】北京：治金工业出版 社2 0 0 5 2 连家创矫直理论与卷取理论 m 北京：机械工业出版 社2 0 1 l 3 】张晨霞数据库技术 m 北京：中国水利水电出版社， 2 0 1 3 4 李新忠，葛思华电液位置伺服系统精度误差估计与 工程处理 j 机床与液压，1 9 9 6 5 黄雨华，徐有忠，等辊式矫直机的矫直变形理论新探 j 重型机械，1 9 9 9 6 】黄清华轧钢机械 m 】北京：7 台金工业出版社，1 9 8 0 ( 上接第4 5 页) 4 助推式自动投球装置改进 针对现场实验发生的故障对投球装置作如下改 进： ( 1 ) 助推装置改进。原助推机构依赖主电机运动 产生推球动作，由于内部压差，运动距离不够精确：现 在改为独立机构由一个单独电机带动保证运动独 立性和准确性 ( 2 ) 电压电流保护功能改进。考虑到机械的刚性 问题。原设计采用电阻限流，不允许电机输出超过额 定功率。根据实际情况做出调整允许电机过载至 1 4 0 添加电流检测如果机械结构运行所需电流过 大，电气自动将运行模式切换至脉冲模式( 1 0 s 推进、 2 s 间隙，重复动作两次如果机械还处于无动作状态 8 7 1 f 1 n f c h i n a c a a a c o m 自动化应用 则，自动停止工作并报警) ，直至检测到某限位触点， 电气再切回正常运动模式避免电机推力不足造成投 球装置无法运行 (