石油大学25号高层住宅楼消防监控系统设计及石油钻机送钻控制系统可靠性研究

PAGE目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1章西安石油大学25号高层住宅楼简介 11.1本校25号住宅楼框架介绍 11.2本校25号住宅楼平面结构图 11.3介绍其中一层楼的任一户型的结构布局及平面图 1第二章消防系统方案设计 22.1消防系统初步方案设计 22.2报警装置的选用 22.3火灾探测器的选用 32.4警报装置的选用 32.5消防电话的选用 42.6消防广播的选用 42.7其他 42.8高层民用建筑消防设计原则 5第三章消防联动控制的设计 93.1火灾探测报警模块 93.2GSTCRT2001彩色显示系统 11第四章消防控制系统的布局 124.1主监控室布局 124.2各楼层综合布局 12参考文献 16附录 17第1章西安石油大学25号高层住宅楼简介1.1本校25号住宅楼框架介绍此楼为板式结构，共33层，属于高层民用建筑，且每一楼层的每一户型结构及布局都相同。每一层楼住8户，分别成对称户型，中间位置为公用电梯，左右两侧分别为有一个紧急出口，两户共用一个楼梯平台，左右对称。1.2本校25号住宅楼平面结构图图1-125号住宅楼任一楼层的结构平面布局图1.3介绍其中一层楼的任一户型的结构布局及平面图图1-2任一户型的结构平面布局图第二章消防系统方案设计2.1消防系统初步方案设计消防监控系统选用海湾公司GSTCRT2001彩色显示系统。该系统是海湾安全技术有限公司最新一代消防控制中心火警监控、管理系统，它用语火灾报警及消防联动设备的管理与控制以及设备的图形化显示。可与海湾安全技术有限公司所产生的GST200、GST500、GST5000、GST9000等系列火灾报警控制（联动型）组成功能完备的图形化消防中心监控系统，并且CRT之间可以通过局域网、普通电话线RS-232等方式进行联网，接受、发送、显示设备的异常信息及主机信息，从而实现火灾报警系统的远程中央监控。示意图如下：图2-1消防监控系统示意图2.2报警装置的选用火灾报警控制器选用JB-QG-GST200型火灾报警控制器(联动型)，该型火灾报警控制器是海湾公司推出的新一代火灾报警控制器。为适应工程设计的需要，控制器兼有联动控制功能，可与海湾公司的其他产品配套使用主次配置灵活的报警联动一体化控制系统，具有较高的性价比，特别时候中小型火灾报警及消防联动一体化控制系统的应用。JB-QG-GST200型火灾报警控制器（联动型）采用柜式结构，主要指标如下“（1）控制器最大容量为242个地址编码点，本项目中用到点数：①点型复合式感烟感温火灾探测器：8*33=264，编码地址：1～264②消防栓按钮：每层一个，33*1=33，编码地址：265～297③火灾声光报警器：每层一个,33*1=33,编码地址：298～330④总线制固定式消防电话分机：每层一个，33*1=33，编码地址：331～363⑤广播分配盘：每个广播分配盘占用20个地址编码点，编码地址：363～382⑥多线控制盘：共有33路，每路占有一个编码地址33*1=33，编码地址：383～415（2）控制器最大可外接64台火灾显示盘，本项目中火灾显示盘个数：火灾显示盘：每层一个，33*1=33（3）控制器最大可配置33个多线控制点，本项目中多线制控制点个数：①消防水泵：1个②电磁阀：每层一个，33*1=33(4)接线①控制器与探测器间采用无极性信号二总线连接②多线制控制点与模块（GST-LD-8302C）之间采用有极性二总线连接③控制器与各类编码模块采用四总线连接（无极性信号二总线、无极性DC24v电源线）④控制器与火灾显示盘采用四总线连接（有极性通讯二总线、无极性DC24V电源线）⑤与彩色CRT系统通过RS-232标准接口连接，最大连接线长度不宜超过15m(5)电源：主电：交流220v控制器备电：直流12V/24Ah密封铅电池联动备电：直流24V/24Ah密封铅电池火灾显示盘选用ZF-GST8903型火灾显示盘，该盘是一种用于楼层内的火灾报警显示装置。当消防控制中心的主机接收到建筑物内发生的火灾后，产生报警，同时把报警信号传输到发生火警区域的火灾显示盘上，火灾显示盘将产生报警的探测器的位置显示出来并发出报警声响，以通知发生相关人员。火灾显示盘与火灾报警控制器间采用有极性二总线连接，另需要两根DC24V电源供电线（不分极性）2.3火灾探测器的选用（1）感烟火灾探测器（离子式感烟探测器，光电式感烟探测器）（2）感温火灾探测器（点型定温式火灾探测器，点型差温式火灾探测器，点型差温式火灾探测器）（3）火焰火在探测器2.4警报装置的选用在每层大厅布置一个GST-HX-M8501火灾声光报警器，该报警器具有两种报警模式（模式Ⅰ模式Ⅱ），可用于区分预警状态和火警状态。光显示采用多只超高亮红色发光二极管作为光源，显示醒目、寿命长、功耗低。可通过短路外控端子启动报警器，不受信号总线掉电的影响。与信号总线及电源总线分别采用无极性二总线连接，接线方便;具有电源总线掉电检测功能，若电源总线掉电，可将故障信息传到控制器。在每个房间门口布置以个GST-LCD-8314型火灾探测器门灯。该门灯可与对应的探测器并联使用，并与该探测器编码一致。当探测器报警时，门灯上的指示灯闪亮，在不进入室内的情况下就可知道室内的探测器已触发报警。2.5消防电话的选用消防电话系统选用的主要设备如下：GST-TS-Z01A智能型总线制消防电话主机，GST-TS-100A总线制固定式消防电话分机和GST-LD-8304总线制编码消防电话专用模块。通过这个系统可搭建一种消防专用的通讯系统，实现对火灾的人工确认，并可及时掌握火灾现场情况及进行其他必要的通讯联络，便于指挥灭火及恢复工作、2.6消防广播的选用消防广播选用GST-LD-GBFP-200型广播分配盘，该盘为标准式结构，可与火灾报警控制器组装在同一柜中，完成对多路消防广播的切换控制，广播分配最多可控制20路消防广播，可根据需要进行选择手动控制消防广播切换，联动控制消防广播切换.2.7其他可由于住楼布局比较简单，没必要采取分区控制，所以防火卷帘、门控制，机械加压送风防烟，电梯控制都未再涉及。表2-1消防监控系统设备清单序号类别设备型号数量备注1触发装置点型复合式感烟感温火灾探测器JTF-GOM-GST60110*14*1=140每个房间中心一个2消防栓按钮LD-840310*1=10每层楼大厅一个3报警装置火灾显示盘ZF-GST890310*1=10每层楼大厅一个4火灾报警控制器（联动型）JB-QG-GST2001第一层消防控制室5警报装置火灾声光警报器GST-HX-M8501/210*1=10每层楼大厅一个6火灾探测器门灯GST-LD-831410*14*1=140每房间门口一个7消防电话智能型总线制消防电话主机GST-TS-Z01A1安装在火灾报警控制器上8总线制编码消防电话专用模块GST-LD-830410*1=10每层楼大厅一个9总线制固定式消防电话分机GST-TS-100A10*1=10每层楼大厅一个10消防广播广播分配盘GST-LD-GBFP-2001安装在火灾报警控制器上11⑴播音话筒⑵录音机卡⑶喇叭市售适当型号各1个第一层消防控制室12多线制控制多线制控制卡KZK-1007安装在LD-KZC-100卡上13多线制CPU控制卡LD-KZC-1001安装在火灾报警控制器上14多线制转换接口模块GST-LD-8302C14第一层消防控制室15喷淋控制消防水泵适当型号1最高层楼顶16水箱适当型号1最高层楼顶17电磁阀适当型号10*1=10每层楼一个18喷淋头适当型号10*14*1=140每个房间一个19计算机监控系统监控系统GSTCRT2001彩色显示系统1第一层消防控制室20RS-232接口卡NNET-01RS-2321火灾报警控制器与GSTCRT2001彩色显示系统连接21其他导线适当型号若干22管线适当型号若干23其他相关材料2.8高层民用建筑消防设计原则（1）防火间距表2-2高层建筑之间及高层建筑与其它民用建筑之间的防火间距(m)建筑类别高层民用建筑裙房其他民用建筑耐火等级一、二级三级四级高层民用建筑13991114裙房96679①防火间距应按相邻建筑外墙的最近距离计算。当外墙有突出可燃构件时，应从其突出的部分外缘算起；②两座高层建筑相邻较高一面外墙为防火墙或比相邻较低一座建筑屋面高15ｍ及以下范围内的墙为不开设门、窗洞口的防火墙时，其防火间距可不限；

③相邻的两座高层建筑，较低一座的屋顶不设天窗、屋顶承重构件的耐火极1.00ｈ，且相邻较低一面外墙为防火墙时，其防火间距可适当减小，但不宜小于4ｍ；

④相邻的两座高层建筑，当相邻较高一面外墙耐火极限不低于2.00ｈ，墙上开口部位设有甲级防火门、窗或防火卷帘时，其防火间距可适当减小，但不宜小于4ｍ；（2）防火和防烟分区

表2-3高层建筑内应采用防火墙等划分防火分区，每个防火分区允许最大建筑面积建筑类别每层每个防火分区面积（平方米）一类建筑1000二类建筑1500地下室500注:设有自动灭火系统的防火分区，其允许最大建筑面积可按本表增加一倍；当局部设置自动灭火系统时，增加面积可按该局部面积的一倍计算。（3）防火墙、隔墙和楼板

①防火墙不宜设在Ｕ、Ｌ形等高层建筑的内转角处。当设在转角附近时，内转角两侧墙上的门、窗、洞口之间最近边缘的水平距离不应小于4.00ｍ；当相邻一侧装有固定乙级防火窗时，距离可不限。

②紧靠防火墙两侧的门、窗、洞口之间最近边缘的水平距离不应小于2.00ｍ；当水平间距小于2.00ｍ时，应设置固定乙级防火门、窗。

③防火墙上不应开设门、窗、洞口，当必须开设时，应设置能自行关闭的甲级防火门、窗。

④输送可燃气体和甲、乙、丙类液体的管道，严禁穿过防火墙。其它管道不宜穿过防火墙，当必须穿过时，应采用不燃烧材料将其周围的空隙填塞密实。穿过防火墙处的管道保温材料，应采用不燃烧材料。（4）消防联动控制的设计管道穿过隔墙、楼板时，应采用不燃烧材料将其周围的缝隙填塞密实。

①高层建筑内的隔墙应砌至梁板底部，且不宜留有缝隙。

②设在高层建筑内的自动灭火系统的设备室、通风、空调机房，应采用耐火极限不低于2.00ｈ的隔墙，1.50ｈ的楼板和甲级防火门与其它部位隔开。

③地下室内存放可燃物平均重量超过30ｋｇ/m2的房间隔墙，其耐火极限不应低于2.00ｈ，房间的门应采用甲级防火门。（5）电梯井和管道井

电梯应独立设置，井内严禁敷设可燃气体和甲、乙、丙类液体管，并不应敷设与电梯无关的电缆、电线等。电梯井井壁除开设电梯门洞和通气孔洞外，不应开设其它洞口。电梯门不应采用栅栏门。

电缆井、管道井、排烟道、排气道、垃圾道等竖向管道井，应分别独立设置；其井壁应为耐火极限不低于1.00ｈ的不燃烧体；井壁上的检查门应采用丙级防火门。

建筑高度不超过100ｍ的高层建筑，其电缆井、管道井应每隔2-3层在楼板处用相当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔；建筑高度超过100ｍ的高层建筑，应在每层楼板处用相当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔。电缆井、管道井与房间、走道等相连通的孔洞，其空隙应采用不燃烧材料填塞密实。（6）防火门、防火窗和防火卷帘

防火门、防火窗应划分为甲、乙、丙三级,其耐火极限:甲级应为1.20ｈ；乙级应为0.90ｈ；丙级应为0.60ｈ。

防火门应为向疏散方向开启的平开门，并在关闭后应能从任何一侧手动开启。用于疏散的走道、楼梯间和前室的防火门，应具有自行关闭的功能。双扇和多扇防火门，还应具有按顺序关闭的功能。常开的防火门，当发生火灾时，应具有自行关闭和信号反馈的功能。（7）消防电梯消防电梯可与客梯或工作电梯兼用消防电梯的设置应符合下列规定：①消防电梯间应设前室，其面积：居住建筑不应小于4.50m2，公共建筑不应小于6.00m2。当与防烟楼梯间合用前室时，其面积：居住建筑不应小于6.00m2②消防电梯间前室宜靠外墙设置，在首层应设直通室外的出口或经过长度不超过30ｍ的通道通向室外。③消防电梯间前室的门，应采用乙级防火门或具有停滞功能的防火卷帘。④消防电梯的载重量不应小于800ｋｇ。⑤消防电梯井、机房与相邻其它电梯井、机房之间，应采用耐火极限不低于2.00ｈ的隔墙隔开，当在隔墙上开门时，应设甲级防火门。⑥消防电梯的行驶速度，应按从首层到顶层的运行时间不超过60ｓ计算确定。⑦消防电梯轿厢的内装修应采用不燃烧材料，动力与控制电缆、电线应采取防水措施。⑧消防电梯轿厢内应设专用电话；并应在首层设供消防队员专用的操作按钮。（8）消防给水和灭火设备当室外给水管网能保证室外消防用水量时，消防水池的有效容量应满足在火灾延续时间内室内消防用水量的要求；当室外给水管网不能保证室外消防用水量时，消防水池的有效容量应满足火灾延续时间内室内消防用水量和室外消防用水量不足部分之和的要求。消防水池的补水时间不宜超过48ｈ。商业楼、展览楼、综合楼、一类建筑的财贸金融楼、图书馆、书库，重要的档案楼、科研楼和高级旅馆的火灾延续时间应按3.00ｈ计算，其它高层建筑可按2.00ｈ计算。自动喷水灭火系统可按火灾延续时间1.00ｈ计算。消防水池的总容量超过500m3时，应分成两个能独立使用的消防水池。

供消防车取水的消防水池应设取水口或取水井，其水深应保证消防车的消防水泵吸水高度不超过6.00ｍ。取水口或取水井与被保护高层建筑的外墙距离不宜小于5.00ｍ，并不宜大于100ｍ（9）排烟装置

设置机械排烟设施的部位，其排烟风机的风量应符合下列规定：

担负一个防烟分区排烟或净空高度大于6m的不划防烟分区时，应按每平方米面积不小于60m3燉ｈ计算（单台风机最小排烟量不应小于7200m3/ｈ）。排烟口应设在顶棚上或靠近顶棚的墙面上，且与附近安全出口沿道方向，邻边缘之间的最小水平距离不应小于1.50m。设在顶棚上的排烟口，距可燃构件或可燃物的距离不应小于1.00m。排烟口平时关闭，并应设置有手动和自动开启装置。

防烟分区内的排烟口距最远点的水平距离不应超过30m。在排烟支管上应设有当烟气温度超过280℃第三章消防联动控制的设计3.1火灾探测报警模块大楼内共每个房间都有一个感烟感温火灾控制器，每层大厅内都有一个消火栓按钮和以个火灾声光报警器，这三类设备都有一个电子编码地址，全部串再一条无极性二总线上接入火灾报警控制器（联动型）。各个楼层的火灾显示盘也都串在一条有极性二总线上接入火灾报警控制器，唯一不同的是还有伴有两根电源线。发现火灾有两种情况，一是各个房间感烟感温火灾探测去检测到，这时与之相连的门灯会自行点亮，二是各层大厅中的消火栓按钮被人为按下。火灾报警控制器在检测到任何一种报警信号后，由报警设备的电子编码地址就会最多火灾发生的位置，然后火灾报警控制器按照预定联动控制程序的触发全部或任意几个（由联动控制程序决定）火灾声光警报器进行报警。由同时各楼层或该楼层（由联动控制程序决定）的火灾显示盘就会显示火灾发生的准确位置，便于人们正确选择的逃生路线。火灾探测报警模块示意图见3-1图：1）消防电话模块消防电话系统十分必要，它对能否及时报警，消防指挥系统是否畅通起着关键作用。它是一种消防专用的通讯系统，通过这个系统可迅速实现对火灾的人工确认，并可及时掌握火灾现场情况及进行其他必要的通讯联络，便于指挥灭火及恢复工作。系统在每一层大厅都设有一个消防电话分机，由于消防电话分机和消防电话主机通过火灾报警控制器相连，所以主机可通过火灾报警控制去呼叫固定分机，分机摘机即直接呼叫主机，这时，主机振铃直至主机摘机；分机与主机之间不能通信。主机分机在通话开始时，主机请求录音灯闪烁提示录音，按放音/录音键后开始录音，并自动记下录音时的时间；录音最多可分两段，总录音时间长度200秒钟，放音时自动显示所放录音段的录制时间，放音结束自动恢复实现实时时间。录音段最长保存时间为3天，超过保存时间的录音段将被自动抹去以备下次录音。抹音期间，录音指示灯常亮。另外主机设有音频输出插孔，供外部保存录音使用。消防电话模块示意图见3-1图：图3-1火灾探测报警模块与消防电话模块示意图2）消防广播模块消防广播有正常广播和紧急广播两路信号。正常广播信号由录放机、碟机等设备产生，例如播放轻音乐、通知、新闻等。紧急广播信号由话筒或报警器播放火警或个人喊话等。两路信号都接入广播分配盘，未启动广播分配盘时，正常广播输入与输出相连。启动后广播分配盘将输出切换到紧急广播输入。广播分配盘由一路正常广播输入信号和5路紧急广播输入信号，有20路输出信号。广播分配盘切换方式除手动控制外，还具有联动控制方式，广播分配盘接收火灾报警控制器发出的动作命令，发出切换命令。系统有自动和手动两种方式，消防模块见图3-2：3）自动喷水灭火模块大楼内共安装有一套自动喷水灭火系统,包括消防水泵,电磁阀,水箱,喷淋头等.安装在楼顶的消防水泵负责给水箱供水,每层楼有一个电磁阀控制着该层所有房间的喷淋头.当该层的任意一个感烟感温火灾探测器发出火警信号给火灾报警控制器后,火灾报警控制器会按照预定的联动控制程序先启动消防水泵给水箱供水,同时火灾报警控制器也会打开该层的电磁阀,这时整个楼层的喷淋头都会喷水灭火.由于消防水泵和电磁阀等设备的电器特性与二总线设备不同,所以对其控制必须通过多线制CPU控制卡,多线制控制卡,多线制转换接口模块进行转换.自动喷水灭火模块见图3-2:图3-2自动喷水灭火模块与消防广播模块示意图3.2GSTCRT2001彩色显示系统GSTCRT2001彩色显示系统是海湾安全技术股份有限公司设计的最新一代消防控制中心火警监控,管理系统,它用于火灾报警及消防联动设备的管理与控制.可与海湾安全技术有限公司所生产的GST200.GST500.GST5000.等系列火灾报警控制器组成功能完备的图形化消防中心监控系统,并且CRT之间可以通过局域网,普通电话线等方式进行联网,接收,发送,显示设备的异常信息及主机信息,从而实现了火灾报警系统的远程中央控制.系统可以同时管理多台不同类型的控制器.开机时系统自动加载通信模块,自动维护系统的数据通信,且用户可以通过通讯测试功能随时测试系统数据通信状态,保证系统可靠运行.简单,直观,完整的用户图形监控界面,可在不同监视区的设备布置图上切换显示,并通过不同的颜色显示现场设备的报警及动作,故障,隔离等异常信息,对于指挥现场灭火十分有益.提供报警辅助方案，在紧急情况下提示值班人员完成必要的应急操作。提供辅助监视功能，你可以在辅助监视器切换大平面图，而在主监视器切换大平面图的各个区域。提供异常信息声音提示、你只要为CRT配备好声卡、音箱，就可更块的察觉异常信息。实时打印报警、故障、隔离等各种异常信息；同时支持多条件查询、打印各种报警、故障等信息的历史记录。系统提供多级密码，便于系统安全管理，防止误操作。第四章消防控制系统的布局4.1主监控室布局消防控制系统的在第一层布置了一个监控室，里面主要是火灾报警控制器和GSTCRT2001彩色显示系统主机。主监控室布局如下图：图4-1主监控室布局示意图4.2各楼层综合布局一层布局和其它楼层一样，只是多了一个主监控室。每个房间探测器和喷淋头都居中布置，每个房间口都有门灯。一楼大厅设有火灾显示盘，消防电话，消防广播、火灾声光报警器、消火栓按钮等。（1）平面防火分区示意图

因房屋成对成对称布局，故将平面图划分为如下分区：图4-1房屋平面图将左边四户化为一区，右边四户化为三区，把电梯和值班室及一楼楼梯划为二区。分别在一区和三区设区域报警装置系统，在二区设集中报警系统，并把二区作为主控制室。（2）报警系统示意图如下：图4-2区域报警系统

图4-3集中报警系统（3）防火分区的示意图图4-4一区的平面示意图4-5二区的平面示意图（4）一楼综合布局示意图（此住宅共有33层，每层布局相同）图4-6一楼综合布局示意图（5）整座楼的防火设计示意图图4-7各层的火灾探测报警模块和消防电话模块示意图参考文献[1]．《石油安全工程》课程设计指导书徐竟天、汪跃龙[2]．赵贤兵，李芳秦，现代建筑中的智能耐火警报系统。工程CAD和现代建筑学,2000,6:51-52[3]．方军,元宏勇。气体传感器以及在火灾探测中的应用。消防科学,2002,7:180-185[4]．许琼,詹富儒。火灾烟气探测技术。消防科学,2002,4:113-118[5]．GBJ116-88《火灾自动报警系统设计规范》[6]．GBJ16-87《建筑设计防火规范》。2001版[7]．GB50116-98《火灾自动报警系统设计规范》附录在设计过程中，合理的计算探头和喷头的布置是关键，首先需要对探测器和喷头以及其它的硬件设备进行选型，然后还要对超市的平面布局进行分析，结合超市的实际情况进行设计。设计中采用了海湾公司GSTCRT2001彩色显示系统。该系统是海湾安全技术有限公司最新一代消防控制中心火警监控，管理系统，它用于火灾报警及消防联动设备的管理与控制以及设备的图形化显示。GSTCRT2001彩色显示系统可与海湾安全技术有限公司所生产的GST200，GST500，GST5000，GST9000等系列火灾报警控制器（联动型）组成功能完备的图形化消防中心控制系统，并且CRT之间可以通过局域网，普通电话线（通过调制解调器）RS-232等方式进行联网，接受，发送，显示设备异常信息湖主机信息，从而实现了火灾报警系统的远程中央监控。附录A：火灾自动报警系统保护对象分级等级保护对象特级建筑高度超过100M的高层民用建筑一级建筑高度不超过100M的高层民用建筑一类建筑建筑高度不超过24M的民用建筑及建筑高度超过24M的单层公共建筑1.200床及以上的病房楼，每层建筑面积1000平方米及以上的门诊楼；2.每层建筑面积超过3000平方米的百货楼、商场、展览楼、高级旅馆、财贸金融楼、电信楼、高级办公楼；

3.藏书超过100万册的图书馆、书库；

4.超过3000座位的体育馆；

5.重要的科研楼、资料档案楼；

6.省级（含计划单列市）的邮政楼、广播电视楼、电力调度楼、防灾指挥调度楼；

7.重点文物保护场所；

8.大型以上的影剧院、会堂、礼堂工业建筑1.甲、乙类生产厂房；

2.甲、乙类物品库房；

3.占地面积或总建筑面积超过1000平方米的丙类物品库房；

4.总建筑面积超过1000平方米的地下丙、丁类生产车间及物品库房；地下民用建筑1.地下铁道车站；

2.地下电影院、礼堂；

3.使用面积超过1000平方米的地下商场、医院、旅馆、展览厅及其他商业或公共活动场所；

4.重要的实验室、图书、资料、档案库二级建筑高度不超过100M的高层民用建筑二类建筑建筑高度不超过24m的民用建筑1.设有空气调节系统的或每层建筑面积超过2000平方米、但不超过3000平方米的商业楼、财贸金融楼、电信楼、展览楼、旅馆、办公室、车站、海河客运站、航空港等公共建筑及其他商业或公共活动场所；

2.市、县级的邮政楼、广播电视楼、电力调度楼、防灾指挥调度楼；

3.中型以下的影剧院；

4.高级住宅；

5.图书馆、书库、档案楼工业建筑1.丙类生产厂房；

2.建筑面积大于50平方米，但不超过1000平方米的丙类物品库房；

3.总建筑面积大于50平方米，但不超过1000平方米的地下丙、丁类生产车间及地下物品库房；地下民用建筑1.长度超过500M的城市隧道；

2.使用面积不超过1000平方米的地下商场、医院、旅馆、展览厅及其他商业或公共活动场所注1：一类建筑、二类建筑的划分，应符合现行国家标准《高层民用建筑设计防火规范》GB50045的规定；工业厂房、仓库的火灾危险性分类，应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》GBJ16的规定。注2：本表未列出的建筑的等级可按同类建筑的类比原则确定。附录B:不同高度的房间梁对探测器设置的影响TOC\o"1-3"\h\u第1章绪论 11.1课题的意义 11.2国内外自动送钻现状及发展趋势 31.2.1国外自动送钻技术概况 31.2.2国内自动送钻技术概况 51.3论文的主要内容及结构 9第2章钻机及其可靠性 102.1钻机组成及分类 102.1.1钻机组成 102.1.2钻机分类 162.1.3钻机驱动型式 162.2钻机可靠性研究 182.2.1可靠性定义和内容 182.2.2钻机可靠性研究的必要性 192.2.3可靠性特征量 192.2.4可靠性的概率分布 202.3可靠性设计 202.4在企业中推行可靠性技术的思考 22第3章钻机送钻系统分析 243.1自动送钻系统 243.1.1自动送钻系统功能 243.1.2安全保护控制 243.1.3显示与记录 253.1.4系统主要技术指标 253.2自动送钻系统原理及组成 263.2.1送钻系统结构 263.2.2自动送钻控制原理 27 283.2.3送钻系统组成 28第4章系统可靠性分析 294.1可靠性度量指标 294.2常用的可靠性方法 304.3事故树分析 324.3.1事故树定性分析 354.3.2事故树定量分析 42第5章送钻控制系统的改进及优化 465.1员工安全教育 465.1.1安全教育的意义 465.1.2安全教育的内容 475.2控制系统的技术改进及优化 505.2.1控制系统硬件优化 505.2.2控制系统的软件设计 525.2.3控制系统抗干扰措施 58第6章结论 60参考文献 62致谢 64附录 65PAGE1第1章绪论西安石油大学本科毕业设计（论文）PAGE71.1课题的意义石油工业是一个高风险产业，油田安全生产具有十分重要的意义。加之进入新世纪，安全成为时代工业的主题，是当今乃至未来重点关注的重要问题之一。是指石油天然气钻井过程中所需各种机械设备的总称。钻机主要部件必须相互配合才能完成钻机起升、循环和旋转的3项主要工作。石油钻机是完成石油钻井任务的主要工具，从其出现之日起，就与钻井工艺密不可分。相互促进，共同发展。随着油田生产规模的扩大、原油产量的提高，使油田的集输处理量不断增加，原有工艺和系统出现了很多问题。因此对于石油钻机送钻控制系统的可靠性研究刻不容缓。石油钻机自动送钻系统是钻机自动控制技术的主要发展方向之一，自动送钻就是指钻机在正常钻进过程中,不依靠司钻人员调节,而是按照钻井工艺要求,通过控制系统自动调节钻压、转速、送进钻具。自动送钻技术经历了用于带式刹车和盘式刹车两个阶段,我国的自动送钻技术起步较晚,目前,我国大部分钻机使用的刹车系统是带式刹车,但带式刹车自动送钻,由于涉及一系列的气动和机械传动装置,不容易和电控制信号接口,整个自动送钻控制系统复杂,可靠性、精确性和平稳性很难保证。盘式刹车自动送钻因为采用液压力直接控制盘式刹车的刹紧力,无需任何中间过渡环节,容易与电控制信号接口,所以盘式刹车的自动送钻容易实现遥控和自动化操作。因此，研究石油钻机送钻控制系统的可靠性,能克服人工送钻过程的不均匀性，不稳定性，能够实现钻头的连续自动给进，延长钻头的使用寿命，实现钻井过程优化，太该钻井速度，改进井身质量，降低钻井成本，一直受到石油工程界的广泛关注。对于检查控制系统或设备在正常工作过程中的工作状态,确定潜在的危险,并对危险因素进行辨识和分析。预测这些危险对人员伤害或对设备损坏的可能性大小,为经营管理者的决策工作提供及时、全面、准确的信息资源。同时可以确保石油钻机送钻控制系统正常工作,保证原油安全生产，有效控制生产技术指标，减轻工人劳动强度,提高效率和安全系数使钻机钻井的自动化水平得到较大提高，达到良好的经济效益和社会意义。采用自动送钻控制装置，是因为传统的人工控制给进钻井存在以下的缺点：(1)司钻长时间注意力高度集中，如观看指重表、钢绳放出情况，频繁地抬起与下放刹把，其精神、体力劳动强度大，极易疲劳。因此也就不可避免地发生溜钻或顿钻事故，钻井是不安全的；(2)司钻手持刹把控制给进是间断的，特别是每个司钻的操作技术水平不同，送钻质量也因人而异，直接影响了钻井质量。人工控制给进钻井，井壁质量较差、取芯率较低、容易发生井斜和卡钻事故；(3)司钻控制给进时，凭经验进行操作，这导致钻头的轴承负荷变化较大，加快了钻头的磨损，从而缩短了钻头的使用寿命。在我国，自动送钻控制技术也在逐渐推广应用。经过多年的研制和应用，现有自动送钻装置种类繁多。当前，钻机不配备自动送钻装置已被认为是一种落后的表现，可以预见，它就会成为钻机不可缺少的组成部分，而钻机在运行过程中的可靠性和稳定性又是钻机是否被工程实践和社会所接受的关键。在国外，如美国、前苏联、前西德、罗马尼亚等在钻机上使用自动送钻装置的实践表明：自动送钻能减轻工人的劳动强度；送钻质量提高，钻井事故减少；钻头使用寿命提高，增加了每只钻头进尺量；提高了机械钻速及综合效益。在现代的钻井过程中，世界各国广泛采用自动送钻装置，以替代人工送钻，钻井过程正从人工控制阶段向采用自动送钻技术自动控制阶段发展。近些年来，钻井装备技术发展日新月异，新设备、新技术不断得到大家的认可。在钻井现场，司钻被认为是一个至关重要的操作岗位，是各项钻井操作的执行和控制者。一个司钻操作的好坏直接关系到井眼轨迹的好坏、井下事故的发生、人身安全等诸多方面的因素。同时，司钻岗位往往是一个重体力劳动岗位，如何降低司钻的劳动强度，并使之专注于保证井眼轨迹、井下情况的判断、安全事故的防范等技术工作，保证钻机在工作过程中的可靠运行现已成为钻机人性化设计的一个重要方面。应用自动送钻控制装置进行钻井控制，不仅可减轻工人的劳动强度、提高机械钻速、延长钻头使用寿命，而且还可提高钻井质量，减少钻井事故发生率，从而获得显著的经济效益。随着石油行业竞争的日趋激烈,降低钻井成本、提高钻井效率就势在必行，研制和开发控制精度高、性能稳定可靠的自动送钻装置就显得尤为重要。自动送钻系统是根据石油钻机钻井工艺要求而开发的一种新型的控制系统。使用自动送钻系统不仅能够降低司钻工人的劳动强度，而且还可以提高钻井速度、降低钻井成本。但是，不同的控制器和刹车执行机构对送钻安全性的保障程度和对打井质量的影响是不同的。因此，选用较好的控制方式和合适的刹车机构是提高自动送钻系统控制性能的有效途径。目前，自动送钻系统有以下两种：一种是基于盘式刹车的自动送钻系统，即通过控制盘式刹车的刹车力，来维持钻头处的钻压基本恒定，实现恒钻压钻进；另外一种是蜗轮蜗杆机构，即通过变频器和变频电机，来实现自动送钻。前者由于盘式刹车多个刹车片的同步性和动作灵敏性，使刹车力难以控制，直接影响自动送钻系统的性能，而后者需要增加新的设备，使用受到限制。由于盘式刹车已普遍配置不同类型钻机，且技术和产品比较成熟。所以采用盘式刹车自动送钻，可以适应不同类型钻机和各种地层钻进的恒钻压控制。国外有较多的成功产品，已得到广泛应用。国内对盘刹自动送钻装置也有很多研究并有多项有关盘刹的自动送钻的专利，但由于井下情况的特殊性及技术条件上的限制，在工业现场的应情况一直不够理想。于是自动送钻装置的研究、开发、应用则成为钻井装备制造企业的一项重要课题。本文是根据钻井需求，以宝鸡石油机械有限责任公司的石油钻机BSSZ-1型自动送钻控制系统为研究对象，对钻机自动送钻控制系统在运行过程中的可靠性进行探索和研究的过程。1.2国内外自动送钻现状及发展趋势1.2.1国外自动送钻技术概况交流变频调速电驱动石油钻机(AC—GTO—AC石油钻机)是国外新发展起来的一种先进的电动石油钻机。这种钻机在满足石油钻井工艺要求方面具有现用机械驱动钻机和直流电驱动钻机无可比拟的优越性能。这种钻机的核心技术就是采用了交流变频调速技术。交流变频调速技术是一种涉及电动机理论、自动控制理论、电路拓朴理论、电力电子技术、微电子及计算机技术的综合性交叉技术。专家认为交流变频电驱动钻机是现代高新技术与石油钻井机械的有机结合，具有强大的生命力，是当代石油钻机的发展趋势。

近年来，由于上述技术和可自关断全控技术、脉宽调制技术(PWM)、电机控制技术、矢量控制技术及直接力矩控制技术的飞速发展和应用，促进了交流变频调速技术的迅猛发展，交流变频调遣陛能，已完全达到石油钻井工艺对钻机驱动传动系统调速性能的要求。

为了使油田电网供电的固定工频(50I--Iz)输出后成为可变频率，通常采用整流技术，把工频经过整流变为直流，再通过逆变技术，把直流变成可调的交流。原来采用不可自关断的半控器件，需要强迫换流来实现逆变，而强迫换流则需要辅助直流电源。用于换流的电源器件、电感及电容，造成逆变电路体积庞大、投资增大、换流损耗大、逆变效率低、可靠性差和由于半控器件开关频率低很难采用脉宽调制技术等问题。应用可关断全控技术以后，由于可关断器件不需要辅助换流电路、全控器件开关频率高、可靠性高、电压控制、驱动功率小、驱动电路容易实现等优越性能，克服了采用不可白关断半控器件造成逆变电路的一系列问题。PWM技术的应用，使电机力矩脉动减小，谐波分量减小，满足了交流电机的供电要求。另外，PWM技术在调节频率的同时，通过控制输出电压脉冲的宽度，调节输出交流电压的幅值，实现在逆变桥同时调节输出频率及电压。矢量控制技术通过对三相电机的3／2变换把三相的量，解耦成类似直流电机的励磁分量及转矩分量，并对其量独立控制，再经过2／3变换成交流供电的三相量来控制电机，保证了力矩控制的线性关系，从而达到了直流电机的控制特性。随着微电子技术及计算机技术的发展，法国AL—STON等公司已推出成熟的矢量控制型交流变频器，并成功地应用于石油钻机系统。ALSTON公司生产的交流变频石油钻机代表了当今世界交流变频钻机的一流水平。该钻机控制系统为分布式，其主控系统可以实时处理各种操作指令，监控各子系统的运行，及时处理故障，通过网络同各子系统进行数据交换，通过互联网完成同外界的信息交换。该钻机有以下各子系统：扭矩控制系统(顶驱或转盘控制系统)、刹车控制系统、平衡控制系统、游车控制系统、灌注控制系统、钻井泵及能量回馈控制系统等。各子系统同主控系统共同实现高级控制策略。各子系统采用闭环系统控制，每个子系统具有智能化和自适应功能。各子系统通过各算法程序保证钻机在各种复杂工况下实现最佳工作，如扭矩控制系统的结构是：交流电机、交流变频器、可编程控制器(ALSPAl800k光电编码器。当系统闭环后，该控制能保证钻具平稳，减少钻具振动(软扭矩控制)，并能保证钻具在零转速下实现满转矩输出，同时实时与主控制系统进行数据／指令／状态的传输，实现现场控制。该钻机的分布式控制系统具有易操作。高精度、高可靠性、人工智能化、自动化和可控制等性能。当钻机的控制系统运行时，司钻能通过TV显示器(视频，图形化界面)了解各种参数的变化，．并实时自检各系统的工作状态。当发生故障时，能及时报警，在报警的同时，能检测出发生故障的子系统及模块代码，并对故障同时进行智能分级处理。出现严重故障时，能自动启动辅助系统，保证钻机工作正常运行，同时，根据故障代码使系统快速恢复。

1.美国自动送钻技术概况到目前为止，美国陆地钻机大部分配有自动送钻装置。在新研制的陆地钻机、海洋钻机、沙漠钻机、极地钻机中，全部配备了自动送钻装置，有关自动送钻装置的美国专利己有50多项。目前，美国应用较好和有产品出售的自动送钻装置主要有以下五种：(1)美6-B型自动送钻装置此为美国NationalSupplyCo生产，装置中采用了三项美国专利。近年来，6-B型自动送钻装置已由Martin-Decker公司生产。在我国引进的美国NationalSupplyCo生产的1320-UE型海洋钻机中，均配有6-B型自动送钻装置，并在我国海洋石油钻井中取得了较好的使用效果。6-B型自动送钻装置的主要特点是:钻压讯号的变化转换为气马达转速的改变，滚筒转数采用机械式反馈系统，使用安全、可靠，不受环境的影响，能正常连续钻井。(2)卫星型自动送钻装置此为美国Martin-Decker公司生产。卫星型自动送钻装置主要特点是：气驱动，机械反馈，使用安全可靠，适应各种地层岩石钻井的需要，可以连续自动钻井。(3)GP公司自动送钻装置此为美国Geolograph-Pioneer公司生产。GP公司自动送钻装置的主要特点是：气驱动，气反馈，是一种全气动自动送钻装置。(4)Cat型自动送钻装置此为美国G.H.Bear公司生产。在1983～1985年间，我国向美国多家公司购进了62台2000m车装钻机，均配有Cat型自动送钻装置，钻井效果也很好。Cat型自动送钻装置的主要特点是：气驱动，气反馈，是一种全气动自动送钻装置。(5)盘式刹车自动送钻装置盘式刹车装置含气动推盘盘式刹车与液压盘式刹车两种形式，两种形式刹车均可由计算机系统通过电液比例控制，实现自动送钻功能。美国RIGSERVE公司、派创公司、创新电子公司均研制出盘式刹车自动送钻装置，并已进入商业化运作阶段。其中液压盘式刹车自动送钻装置为目前主推产品。2.原苏联自动送钻技术概况(1)原苏联Mпд-1型自动送钻装置原苏联Mпд-1型自动送钻装置的特点：气驱动，输出气讯号控制增速箱上面的φ400mm摩擦轮，再通过传动比为276.3的增速箱和传动比为1.7的链条传动副驱动绞车的滚筒轴，进行自动送钻。有一个14KW的事故电动机，当钻机传动系统出现故障时，为了确保井下安全，可用该电机以较慢的速度将井下钻具提起来，以防止可能发生的卡钻事故。(2)原苏联Pпдэ-3型自动送钻装置原苏联乌拉尔重型机械制造厂和巴里卡德厂生产，用于大钩最大载荷8000KN，1250KN，2000KN的石油钻机。经过现场使用效果较好，自动给进精度较高，使用安全可靠，但是结构复杂，造价高。这种装置的总体方案是一种带磁力放大器的发电机—电动机，直流电驱动式自动送钻装置，其主传动方式为电气式。、3.罗马尼亚DAAS-G型自动送钻技术。DAAS-G型自动送钻装置是一台电动减速器，主传动方式为液动式。电动机在处理事故时，可以22m/h提升速度提升钻柱。还用于在井场具备电力而没有钻机动力机组时起升井架。电动机功率22KW，转速1300r/min，减速器为直齿行星齿轮，速比为60.72，输入轴扭矩为40N.m；输出轴扭矩为26600N.m。齿轮油泵供油润滑。DAAS-G型自动送钻装置，使用于最大钻柱重量250t、钻压变化范围0.1～0.3t，自动送钻速度为0.3m/h-1.5m/h的情况。1.2.2国内自动送钻技术概况近年来，全球经济的快速发展对能源需求的不断增加，促进了油气资源的勘探开发快速发展，使石油装备制造业进入了黄金发展期。我国石油钻机的技术水平已由过去的仿制、引进、消化、吸收发展到了以自主开发为主的阶段。近年来，以宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称宝石机械)为代表的我国石油装备制造企业先后开发了适用于陆地、沙漠和海洋环境使用的石油钻机，钻机的钻深能力也由1000-7000m发展到9000m、12000m，传动技术已发展到机械传动、直流电传动、交流变频电传动及机、电复合驱动等多种形式。，我国石油钻机基本满足了国内油气勘探开发的需要。同时，国产钻机的出口量也在逐年增加，并进入国际高端市场或主油区作业。目前，我国主流钻机制造商已形成年产常规钻机400余台的能力。我国已成为全球最大的钻机制造国。自1998年以来，石油钻机制造业发展迅速，国产钻机的整体技术水平己得到了普遍的提高，尤其是一些单元技术己接近或赶上国际先进水平，这些钻机基本上满足了我国不同区域、各种钻井工艺对钻机的要求。目前我国三大油气公司拥有的钻机总量约1700套，机型包括机械驱动、直流电驱动、交流变频电驱动、机电复合驱动钻机。1.机械驱动钻机这类钻机已形成钻深从1000-7000m的多种规格的系列产品，3000m井深以下基本上是绞车和转盘联合驱动，钻井泵组独立驱动；3000m井深以上基本为多机组并车，并车方式有皮带和链条两种，目前己基本系列化。以底座结构形式分有车载式、半拖挂式、块装式、自升式、箱叠式；井架形式大多采用K型（含伸缩式）、A型、桅杆式；绞车有内变速也有外变速；这类钻机油田在用量较大。2.直流电驱动钻机目前已形成了2000-7000m多种规格的产品。该类钻机采用AC-SCR-DC直流电传动，性能先进，控制方便可靠，可充分满足现代钻井工艺的需要。钻机的底座有块装式、自升式；井架形式有K型、A型；这类钻机绞车和泥浆泵全部为独立驱动，转盘与绞车有联合驱动也有独立驱动。电传动控制系统已基本国产化，是钻机出口和出国技术服务的主力机型。我国直流电驱动钻机的传动及控制技术达到了世界先进水平。3.交流变频电驱动钻机自97年宝石机械首次将交流变频技术应用于石油钻机以来，近年交流变频电驱动钻机在国内得到了迅速发展，这类钻机己形成了1000-12000m系列产品，并已批量出口。该系列钻机采用大功率AC-VFD-AC交流变频电传动，电传动系统对控制对象采用闭环控制，并对控制进行实时监控，实现定量控制，对于钻井工况，可以实现提升系统悬停以及转盘堵转；利用交流电机在零转速下能够承载全部负载的优势，实现再生制动，并可为绞车提供全动态制动；同时应用模糊控制理论，实现主电机或独立自动送钻电机自动送钻；目前的绞车均为单滚筒轴结构。交流变频控制技术因其控制精度高、系统功率因数高、兼容性好、易于实现自动化、智能化及网络化控制，同时自动送钻技术的广泛应用使得钻井效率及井深质量得到极大提升，目前已成为深井、超深井钻井的首选机型。9000m和12000m钻机由宝石机械分别于2005年和2007年研制成功，当时在国内外引起石油行业的强烈反响。9000m钻机被国内专家称为石油行业的“神六”，并被评为中石油2007年十大科技进展之一，去年底已通过专家会议鉴定，认为其关键技术达到世界领先水平。该产品已批量生产并开始出口。12000m钻机被两院547各院士评为2007年中国十大科技新闻第二名，也是中石油2007年十大科技进展之一。该钻机是中国钻井深度最深的钻机，是全数字控制的交流变频电驱动钻机。该钻机采用全数字控制的大功率交流变频系统，实现9台交流变频电机的宽频控制，采用国产电传动控制系统、大功率单轴齿轮传动绞车、工作压力52Mpa的2200HP钻井泵、承载9000kN的游吊系统及自升式井架、底座，满足12000m特深井的钻井作业，目前正承担中石化在四川德阳的“川科一井”的钻探任务，并经受了汶川大地震的考验。4.机电复合驱动钻机这类钻机根据绞车、转盘、钻井泵的工作特点和性能要求，灵活选用相适应的动力驱动方式，有效地组合在一台钻机上，能以最经济的动力配置获得最佳的工作性能，目前在国内油田已作为替代大庆130型、ZJ45型钻机的首选方案。5.特种钻机这种钻机主要是针对不同环境或地域及特种钻井工艺而开发的，如适应沙漠环境的沙漠钻机、适应低温环境的极地钻机、适应于快速搬家要求的高移运拖挂钻机、适应于沼泽地、丛林的沼泽钻机和直升机吊装钻机等等。沙漠钻机自1987年国内首台6000m直流沙漠钻机研制应用以来，目前国内技术已基本成熟，并已有批量出口到中东高温沙漠地区应用。适应于快速搬家要求的高移运拖挂钻机，目前国内已具有生1000-7000m钻机的能力，已生产的该类钻机中以3000m、4000m井深居多，在新疆和中东沙漠地区均有使用。对于适应于低温丛式井作业的列车轨道式极地钻机和适应于浅稠油开采的斜井钻机，目前国内也拥有其技术。我国的自动送钻技术起步较晚，上世纪我国大部分钻机使用的刹车系统是带式刹车，但带式刹车自动送钻，由于涉及一系列的气动和机械传动装置，不容易和电控制信号接口，整个自动送钻控制系统复杂，可靠性、精确性和平稳性很难保证。我国自1958年开始开展了自动送钻装置的研究工作，在60年代中期进行了试验，1966年在山东4001队首次进行了工业试验。自1979年我国进口了两台美国NationalSupplyCo.自升式钻井平台，配备了1320-UE型钻机，其中带有6-B型钻头自动给进器。还引进了Emsco公司CI-III型、CII型钻机，也均配备了钻头自动送钻装置。近年来，我国又研制了新型自动送钻装置，如石油大学、北石所研制出了液压盘式刹车自动送钻装置，在部分油田进行试验和投入使用。1.QJ-I型自动送钻装置QJ-I型自动送钻装置由两部分组成，即仪表(控制)部分和机械(执行与反馈)部分，传动方式为气动式，钻机己有的气源储量足以满足本装置使用。本装置适合钻速小于20m/h的钻井场所，允许施加的钻压范围为0～50吨。控制钻压的精度可以通过调节支点的位置而实现。当支点上移时，支点到布尔登管顶端的距离缩短，而到喷嘴小孔的距离增大，因而钻压精度提高。反之，钻压精度下降。高钻压(20t以下)的精度拟控制在1.5t范围，低钻压(小于5t)的精度拟控制在士1.0t范围。2.ADE-1型全气动自动送钻装置ADE-1型自动送钻装置是由兰州石油化工机器总厂与吴忠仪表厂联合开发的产品，适应钻井深度1500m～9000m。主要由过滤器、控制箱、应力送变器、反馈系统、执行机构、加力弹簧等组成。传动方式为气动式，气源既可利用钻机原有的气源，也可单独另设。其结构简单、尺寸小，使用安全可靠，首次使用安装耗时仅需2h。并于1986年11月在四川石油管理局川东矿区的F320型钻机上进行了工业性试验。试验表明，其使用性能良好，完全满足设计要求。3.PSZ-l型液压盘式刹车自动送钻装置中国石油大学(北京)于1997年研制出我国第一台盘式刹车自动送钻装置(PSZ-1型)。该装置在满足自动送钻原理的基础上，设计时还考虑了与现有绞车结构的相容性、液压回路的衔接性、自动送钻与手动送钻的共存性以及紧急情况时的安全保障性。该装置采用数字PID调节器为控制单元，以恒悬重控制方式代替恒钻压控制。由于直接利用悬重信号进行控制，省去了将悬重转换为钻压的步骤。PID调节器集参数设定、悬重控制、数据显示、超限报警等多种功能于一体，具有紧凑、自带稳压电源和便于面板安装等特点。装置的电液控制采用了比例溢流阀。考虑到比例电磁铁为电流驱动型负载，在PID调节器的电压输出端与比例溢流阀之间加装了比例放大器，以进行电压／电流转换和功率驱动。从绞车轴端通过测速发电机取得转速信号，构成了局部反馈回路。PSZ-1型自动送钻装置实现了盘式刹车的恒钻压自动送钻作业，并在提高机械钻速、减小钻压波动等方面取得了较好的效果。与此同时，现场试验也暴露出一些问题，例如通用型数字PID测控仪的面板操作较为复杂，并难实现直接钻压控制与显示；国产电液比例元件寿命较低；系统匹配方面还存在一些问题。这些都在一定程度上影响了自动送钻的效果。因此，盘式刹车自动送钻技术成功地应用于钻井工程还需进一步的研究与开发。4.独立电机自动送钻装置天津瑞灵公司在2003年研制出独立电机自动送钻装置,并将该控制系统应用在宝鸡石油机械有限责任公司生产ZJ70DB钻机上。该数控变频自动送钻装置，包括动力传动和控制装置两部分。通过数字给定装置对送钻变频器进行设定和调节，送钻变频器通过其内部的处理器控制和调节送钻电动机的电磁制动力矩并使之在钻头钻进的过程中始终维持在预先设定的范围，从而实现钻头的恒钻压自动送进，该装置具有送钻平稳均匀、调控方便、反应灵敏、控制精度高优点，而且能降低主刹车的磨损。1.3论文的主要内容及结构本课题以宝鸡石油机械厂BSSZ-1型石油钻机盘刹自动送钻系统为研究对象，针对其自动送钻控制系统的功能作出分析,提出了对控制系统的研究方法和优化方案,研究其可靠性,在此基础上对石油钻机盘刹自动送钻系统进行研究和改进。针对钻机的工作场所和工作环境的特殊性，本毕业设计采用了事故树分析法对系统进行可靠性分析，通过分析，建立系统事故树模型。进行可靠性定性定量研究，得出个基本事件对整个系统运行可靠性的影响程度以及顶事件的发生概率，确定控制系统发生故障的概率。找出系统的薄弱环节。提出改进和优化措施。基于对自动送钻控制系统可靠性分析的结果，把送钻控制系统分为硬件和软件两部分进行优化。采取了安全教育、设计冗余和信号抗干扰三种优化措施，由此提高了送钻控制系统的可靠性与安全性。具体内容包括以下几个方面：第1章绪论。介绍本课题的意义，分析了国内外钻机自动送钻控制系统的发展现状和发展趋势，最后提出了本课题的主要内容。第2章钻机及其可靠性。简要对钻机的种类、组成、驱动方式进行介绍，同时对可靠性的特征量、概率分布和设计方法进行了表述。第3章钻机送钻系统分析。根据钻机送钻系统的特点，对自动送钻系统的功能、安全保护控制的类别进行说明，还对自动送钻系统的工作原理、控制原理以及送钻系统的组成部分进行说明。第4章系统可靠性分析。本章以可靠性为出发点，在充分理解和掌握常用的可靠性度量指标和可靠性方法的情况下，通过建模找出钻井过程中那么顶事发生的基本事件，运用事故树对钻机送钻控制系统进行定性和定量分析，同时得出分析结论。第5章送钻控制系统的改进及优化。通过第四章的分析结果，从安全教育、控制系统的硬件和软件三个方向入手，对控制系统进行进一步的研究的改进，从而达到钻机运行过程中的高可靠性和高稳定性。第6章结论。最后对钻机自动送钻控制系统进行了总结，并提出了钻机自动送钻控制系统可靠性分析的不足和今后对可靠性技术研究的展望。第2章钻机及其可靠性石油钻机是油、气田开发的钻井设备，随着钻井方法、钻井工艺的发展，钻机装备和技术也得到不断发展。当今，国内外广泛采用的钻井方法是旋转钻井法，相应的钻井设备为转盘旋转钻机。陆用转盘钻机是钻井设备的基本型式，通常所说的钻机指的就是这种钻机，也可称为常规钻机。随着海洋石油勘探、开发事业的兴起，陆用钻井设备和造船技术相结合，产生了一大批各种类型的海洋钻井设备。近年来，全球经济的快速发展对能源需求的不断增加，促进了油气资源的勘探开发快速发展，使石油装备制造业进入了黄金发展期。我国石油钻机的技术水平已由过去的仿制、引进、消化、吸收发展到了以自主开发为主的阶段。近年来，以宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称宝石机械)为代表的我国石油装备制造企业先后开发了适用于陆地、沙漠和海洋环境使用的石油钻机，钻机的钻深能力也由1000-7000m发展到9000m、12000m，传动技术已发展到机械传动、直流电传动、交流变频电传动及机、电复合驱动等多种形式。，我国石油钻机基本满足了国内油气勘探开发的需要。同时，国产钻机的出口量也在逐年增加，并进入国际高端市场或主油区作业。目前，我国主流钻机制造商已形成年产常规钻机400余台的能力。我国已成为全球最大的钻机制造国。为适应各种地理环境和地质条件，为加快钻井速度、降低钻井成本、提高钻井经济效益，近些年来研制了多种具有特殊用途的新型钻机，如沙漠钻机、丛式井钻机、斜井钻机、真升飞机吊运的钻机等，可称为特种钻机。2.1钻机组成及分类2.1.1钻机组成在石油钻井中，带动钻具破碎岩石，向地下钻进，获得石油或天然气的机械设备。一部常用石油主要由动力机、传动机、工作机及辅助设备组成石油钻机是由多种机器设备组成，具有多种功能的成套性联合工作机组，如图2—1所示。图2-1石油钻机组成示意图其中：人字架；2.天车；3.井架；4.游车；5.水龙头提环水龙头；7.保险链；8.航顶管；9.立管；10.水龙带；井架腿；12.小鼠洞；13钻台；14架脚；15转盘传动；填充钻井液管；17.扶梯；18坡板；19.底座；大鼠洞；21.水刹车；22.缓冲室；23绞车底座；井车箱；25.发动机平台；26.泵传动27.钻井泵；钻井液管线；29.钻井液配置系统；30.供水管；吸入管；32.钻井液池；33.固定钻液枪；34.连接软管；空气包；36.沉砂池；37.重碱枪；38.振动筛；动力帆组；40.绞绞车传动装置；41.钻井液槽；钻井绞车；43.转盘；44.井架横梁；45.方钻头；斜撑；47.大勾；48.二层平台；49.油绳；钻井液喷出口；51.井口装置；52.防喷器；53.换向闸门；钻机一般有八大系统：钻具起升系统、钻井液循环系统、旋转系统、动力驱动系统、传动系统、控制系统、钻机底座和其他辅助设备等。如图2-2所示。十大部分十大部分起升系统－2、旋转系统－3、循环系统－4、动力系统－5、传动系统－6、控制系统－7、底座－8、井控系统－9、辅助设备－10、钻台操作设备图2—2钻机八大系统示意图钻井工艺对石油钻机的基本要求是：（1）起下钻具能力：，由于可能的井下紧急作业，为了起钻具或下钻具，石油钻机要有一定的起重能力和起升速度。这由钻机的起升系统承担。（2）旋转钻进能力：为了带动钻头、钻具旋转钻进等，石油钻机要有一定的转矩和转速。这由钻机的旋转系统承担。（3）循环洗井能力：为了保证正常钻进、冲洗井底及携带岩屑等，循环钻井液要有一定的压力和排量。这由钻机的循环系统承担。为了满足钻井工艺要求，整套钻机必须具备下列各系统和设备：起升系统起升系统的作用是起升和下放钻具，下套管以及控制钻压，送进钻具。钻机通常都配备有起升系统。起升系统主要包括绞车，天车，游车，辅助刹车等各种车辆及大钩，钢绳，吊环，吊卡，吊钳，卡瓦等工具。如图2-3所示。图2-3钻机的起升系统起升时，绞车滚筒缠绕钢丝绳，天车和游车构成副滑轮组，大钩上升通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升。下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。在正常钻进时，通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升，下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。在正常钻进时，通过刹车机构控制钻具的送进速度，将钻具重量的一部分作为钻压施加到钻头上实现破碎岩层。游动系统（如钢丝绳、天车、游动滑车及大钩）可以大大降低快绳拉力，从而大为减轻钻机绞车在钻井各个作业（起下钻、下套管、钻进、悬挂钻具）中的负荷和降低起升机发动机应配备的功率。钻井绞车用于起下钻具、下套管；钻井过程中控制钻压，送进钻具；借助猫头卸钻具线扣；起吊重物及进行其他辅助工作和整体起放井架。旋转系统旋转系统是转盘钻机的必备系统，其作用是驱动钻具旋转以破碎岩层，旋转是用包括转盘，水龙头（动力水龙头），井内钻具（井下动力钻具）等组成。根据钻井的不同，钻具的组成也有所差异，一般包括方钻杆、钻杆、钻铤和钻头，此外还有扶正器、减震器以及配合接头等。如图2-4所示。图2-4旋转系统结构示意图其主要作用是带动井内钻具、钻头等旋转，连接起升系统和钻井液循环系统。为实现钻头自动给进，现代钻机配备有钻具自动送进装置。钻井过程中，转盘主要完成的工作是：转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要的转速；下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱或钻杆柱重量；完成卸钻头、卸扣与处理事故时倒扣、进扣等辅助工作。钻头是直接破碎岩石的工具，有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头等类型。钻铤的重量和壁厚都很大，用来向钻头施加钻压，钻杆将地面设备和井底设备联系起来，并传递扭矩。方钻杆的截面一般为正方形，转盘通过方钻杆带动整个钻柱和钻头旋转，水龙头是提升、旋转、循环3大工作组相交汇的“关节”部件，它的主要作用是：悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以至全部钻具重量；向转动着的钻杆柱内输入高压钻井液。3.钻井液循环系统为了将井底钻头破碎的岩屑及时携带到地面上来以便继续钻进，同时为了冷却钻头保护井壁，防止井塌井漏等钻井事故的发生，旋转钻机配备有循环系统循环系统包括钻井泵，地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其中地面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥浆净化设备包括震动筛、除砂器、除泥器、离心机等。钻井泵将泥浆从泥浆罐中吸入，经钻井泵加压后的泥浆，经过高压管汇、立管、水龙带，进入水龙头，通过空心的钻具下到井底，从钻头的水眼喷出，经井眼和钻具之间的环行空间携带岩屑返回地面，从井底返回的泥浆经各级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。上述3大系统设备是直接服务于钻井生产的，是钻机的3大工作组。4.传动系统传动系统是由动力机与工作机之间的各种传动设备（联动机组）和部件组成。其主要作用是将动力传递并合理分配给工作机组，实现从驱动设备到工作组的能量传递、分配及运动方式的转换。传动系统应包括减速机构、并车机构、转向机构、倒转机构及变速机构等。由柴油机直接驱动的钻井多采用统一驱动的形式，传动系统相对复杂，由交直流电动机驱动的钻机多采用各机组单独或分组驱动的形式，传动系统得到了很大的简化。现代钻机传动系统除机械传动外，尚有液力传动（液力耦合器、液力变矩器）、液压传动、电传动等形式。5.控制系统和监测显示仪表控制系统是钻机自动化程度高低的一个重要标志，它的主要作用是指挥各系统的协调工作。控制系统由各种控制设备组成，通常是机械、电、气、液联合控制。机械控制设备有手柄、踏板、操纵杆等；电动控制设备有基本元件、变阻器、继电器、微型控制等；气动（液动）控制设备有气（液）元件、工作缸等。监测显示仪表的主要作用是记录和显示地面设备的工况，为控制系统提供控制依据，常用的仪表有指重表、转盘扭矩表等。6.动力驱动系统为了供应3大工作机组及其他辅助机组（如空气压缩机）的动力，钻机必须配备动力驱动设备及其辅助装置。这种动力驱动设备可以是内燃机及其供油设备，也可以是交流电动机、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。7.钻机底座底座是钻机组成部分之一。它包括钻台底座和机房底座，可以安装钻井设备，方便钻井设备的移运。钻机底座用于安装井架、转盘，放置立根盒及必要的井口工具，多数还要安装钻井绞车，下方应能容纳必要的井口装备，因此，它也要足够的面积和刚性，以保证机房设备能迅速安装找正、工作平衡且移运方便。丛式井钻机底座必须满足丛式钻井的特殊要求。8.辅助设备为保证钻井工作的顺得进行，钻井设备一般都配有供气设备（如压缩机、储气罐）、辅助发电设备、井控设备（防喷器、地面防喷器控制装置及节流管汇、压井管汇等）、钻鼠洞设备与辅助起重设备，在寒冷地带钻井时还必须配备保温设备。2.1.2钻机分类钻机按钻井深度分为：浅井钻机（钻井深度小于或等于1500m）、中深井钻机（钻井深度为1500～3200m）、深井钻机（钻井深度为3200～5000m）、超深井钻机（钻井深度大于5000m）。钻机按采用的主传动类型分为：胶带并车传动—皮带钻机、链条并车传动—链条钻机、锥齿轮—万向轴并车传动——齿轮钻机。钻机按驱动设备类型分为：机械驱动钻机（MD）和电驱动钻机（ED）。钻机按使用地区和用途分为：陆地常规钻机、海洋钻机、丛式井钻机、沙漠钻机、斜井钻机等。钻机按钻井方法分为：冲击钻钻机，地面驱动旋转钻机，井下驱动钻机。钻机按移动方式分为：快装钻机，拖挂钻机，车装钻机。2.1.3钻机驱动型式任何一种钻机其传动系统的基本组成和所承担的任务具有共同性，即都是由并车、倒车、减速增矩、变速变矩及转换方向等几部分构成，将一台或几台驱动机组的动力及运动单独地或统一地传递给各工作机，以满足钻井工作的需要。目前，石油钻机驱动型式主要有机械驱动、液压驱动、电驱动和混合驱动4种型式。1）机械驱动型式（1）柴油机直接驱动石油钻机柴油机直接驱动就是利用柴油机产生动力，用机械传动来传递功率。它的主要优点是不受地区限制，具有自持能力；产品系列化后，不同级别钻机可用增加相同机组数目的办法以增加总功率，这样可减少柴油机品种；在性能上，转速可平衡调节，能防止工作机过载，避免发生设备事故；结构紧凑，体积小，重量轻，便于搬迁移运，适于野外作业。但作为钻机动力机，它也有不足之处，如扭矩曲线较平垣，适应性系数小，过载能力有限，转速调节范围窄；噪声大，影响工人健康；与电驱动比较，驱动传动效率低，燃料成本贵，维护使用费用比电动机驱动高。（2）柴油机—液力耦合器驱动石油钻机。液力传动的工作原理是主动轴经离心泵将能量传给了工作液，工作液经涡轮将能量传给了从动轴。因此，液体是一种工作介质，通过它在离心泵和涡轮机中的循环流动实现运动的连续传递和能量的连续转换。柴油机—液力耦合器驱动的主要优点是：传动柔和，可吸收振动与冲击；涡轮轴可随外载变化而自动变速，可防止工作机过载，即使外载增加导致涡轮制动，动力机仍可以某一转速工作而不灭火。但耦合器只能在高转速比工况下工作，否则效率过低，功率损失大；只能传递扭矩，不能变矩。（3）柴油机—液力变矩器驱动石油钻机。柴油机—液力变矩器驱动的主要优点是：随外载变化能自动无级地变速、变矩，驱动绞车时，可明显提高钻机起升工效；使柴油机也不会被维持在经济合理的工况运行，即使外载增大导致效率随涡轮轴处于制动状态时，柴油机也不会灭火；机组适应外载变化能力大大增强，调速范围变宽；传动平稳柔和，吸收冲击振动，延长了机械设备寿命；减少并车损失。目前，世界各国生产和在用的机械驱动石油钻机以柴油机—液力变矩器驱动石油钻机为最多。2）液压驱动型式早在20世纪50年代，石油钻机中就采用了液压驱动转盘，随后发展到采用液压驱动绞车进行钻井作业和起下钻作业。美国研制了全液压驱动石油钻机，采用了液压驱动的顶部驱动钻井系统，其绞车是一组多级同心液缸，取消了常规石油钻机结构型式的绞车和提升系统。自动化石油钻机中也采用了液压驱动型式，如顶部驱动采用液压驱动型式。3）电驱动型式电驱动就是利用交流电动机或直流电动机来驱动工作机组。电驱动钻机初期投资比机械驱动钻机略高，但是传动效率高，比机械驱动约提高16％；电驱动钻机具有无级调速的钻井特性，可提高钻井效率；柴油发电机组的柴油机可始终处在最佳状态下运转，能降低油耗18％～20％，可延长大修期80％；简化了传动、控制系统，易安装调整，易控制调节，易实现高钻台；有完善的自我保护系统，可保证安全生产。电驱动型式主要有AC-AC电驱动型式及AC变频驱动型式。4）混合驱动型式混合驱动钻机是指钻机有两种驱动型式，例如机电、液电等混合红运型式。对于机电混合驱动钻机来说，柴油机链条并车驱动绞车，胶带驱动钻井泵。柴油机另一输出驱动直流发电机，发出直流电，用于钻台上面的猫头绞车和转盘电动机。另外一种机电混合驱动钻机采用柴油机变矩器链条并车驱动绞车、钻井泵，直流电驱动转盘。液电混合驱动钻机，其绞车和钻井泵采用SCR电驱动，采用液力顶钻井系统。机电混合驱动石油钻机，采用交流电动机可调叶片变矩器链条并车绞车、转盘和钻井输出工作转速。2.2钻机可靠性研究2.2.1可靠性定义和内容可靠性是机电产品的主要属性之一，也是产品的主要质量特征。产品质量，可靠性，维修性和安全性既是市场竞争，维护用户利益和社会效益的需要，也是提高制造企业经济效益的需要。同时，产品质量和可靠系那个也是制造企业的形象和生命。随着科学技术的发展,特别是近十几年来,各种技术取得了突破性的进展,使得如今的系统越来越复杂,功能也越来越强大。然而正是由于系统功能的强大和复杂程度的提高,才使系统可靠性问题日益突出。并且如今的系统承载着大量的信息,一旦发生崩溃所带来的损失是无法估量的。因此如何设计具有高可靠性和高可用性系统的研究已成为国际上的一个研究热点。可靠性问题涉及到了社会的