车间水压增压系统试压泵综合控制系统技术方案

车间水压增压系统计算机控制试压泵系统技术方案

第一部分  设计标准与原则

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。

1.1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。

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。

第二部分  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

u                 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。

u                 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。

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

u                 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。同时都能自动采集，显示，记录和分析试压数据。

u                 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。

u                 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。

u                 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。

u                 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。

u                 设备具有超压报警停机功能。

u                 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：

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

u                    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；

u                    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；

u                    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；

u                    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；

u                    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；

u                    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

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。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；

图2.5  柜体参考图

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。

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图2.11  系统控制流程图

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  图2.12   信号控制系统流程图

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）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。

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图2.13    软件控制流程图

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。

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上位机软件主界面监控：以系统流程图方式整体显示系统参数（控制阀、传感器、工作状态），下位机软件包包括DI/DO模块子程序、AI/AO模块子程序、上位机通讯子程序和通讯模块子程序。完成现场操作控制的感知和输出、数据采集和初步处理、控制输出调节、维持通讯和数据交换等任务。

2.1.12数据采集和处理

1）设备上安装有嵌入式计算机，能够根据指令和设定参数，自动完成试验过程；

2）计算机之间采用数据链进行信息交换，实时传递数据；

3）上位计算机系统采用工艺流程化的信息界面。实时显示试验状态和个点的试验参数。满足甲方的技术要求；

4）上位计算机的强大绘图和数据处理功能，能够实时曲线化显示试验过程；

5）远程采集压力数据，能够在控制室计算机屏幕和控制仪表上，观察现场的压力；

6）试验完成之后能够进行试验数据的曲线回放、数据查询以及报表打印，试验数据可导出并永久保存。

2.1.13工艺流程

流程特点

采用灌注和打压两个步骤进行试验，低压时进行大排量灌注迅速注满容腔，注满后再进行增压，提高试验效率。高压试验时，系统根据预先选择，可以自动实现打压流程，灌注泵注满后自动停止工作，系统自动启动高压泵，高压泵开始工作直到设定压力。在这一过程中气动增压台泵根据设定的压力及本身的压力范围自动启停和打压。

每一路的高压输出管路均配有独立的泄压排水口，试验完成后可进行自动排放，各路间互不影响。

试压装置的工艺流程是按照计算机自动控制流程设计的，所有控制阀均采用电磁阀或气控阀，由计算机自动控制。同时根据试验需要，可切换到手动控制，通过现场控制面板上的按钮试验现场控制。

1)      增压泵的启动和停止控制，分别有独立的两位三通电磁阀的通电和失电来实现；

2)      试验中向试件中加压、保压和泄压的过程，分别由气控阀来实现；

3)      分别增加了高压单向阀和安全溢流阀，以保护各回路的压力元件；

2.1.14试验流程

试验中，各泵和阀均可由自动控制系统进行自动开启和关闭，可以根据设定的参数进行自动试验，自动切换试验流程。

试验系统使用低压气动增压泵进行灌注，高压气动增压泵进行增压。

a)        首先确认设备的气、电、液等连接无误。

b)        接通低压气体，调节驱动气体的压力到要求值。

c)        自动控制试验时，可以设定多个不同的压力试验模式，并可分别设定保压时间；

d)       根据设定的压力值，系统首先自动启动低压气动泵进行低压灌注，当注满容腔后自动关闭灌注泵，开启高压气动泵，直至达到设定压力值，自动停止，自动进行保压；

e)        达到保压时间后再自动进入下一压力级别的增压。  

f)         试验过程灌注过程可采用两种方案：一是只采用灌注泵进行灌注，注满后再启动高压泵增压；二是采用灌注泵和高压泵共同灌注，注满后关闭灌注泵，高压泵继续增压。    

第三部分  主要组成及供货设备

增压系统主要由气体过滤器、水过滤器、气动高压泵、气动灌注泵、气控高压阀、高压单流阀、高压过滤器、减压阀、手动泄压阀、二位二通电磁换向阀、压力表、压力传感器、高压钢管、高压软管和PLC控制器等部分组成。

高压元件采用进口一流产品；

高压气动泵采用进口美国品牌HASKEL；

高压气控阀采用进口美国品牌ATUOCLAVE/BUTECH；

高压过滤器单向阀采用进口美国品牌HIP/BUTECH；

高压压力表采用进口德国品牌WIKA；

压力传感器采用美国品牌SENEX；

低压管路系统采用进口法国品牌LEGRIS；

高压管路系统采用进口美国国品牌HIP。

精密水过滤器

过滤精度20μm和5μm。

1)    过滤精度高、滤芯孔径均匀；

2)    过滤阻力小，通量大、截污能力强，使用寿命长；

3)    强度大，耐高温，滤芯不易变形；

4)    易于拆卸清洗，滤芯可更换。

机电控制系统

系统功能：机电控制系统是实现计算机软件程序控制、完成各种机械和电控操作的部分，实现整套系统的运行控制、参数测量和按照设定参数完成确定试验程序。完成的主要工作内容为：压力测量、阀门控制、缓冲卸压控制、泵控操作、系统保护和电源供给等。

操作方式：现场手动试验控制、远程试验步进控制、远程试验程序控制。实现远程工艺流程的切换、打压、保压等操作和控制。两种控制方式容易方便的切换。对远程控制要求无延迟。在现场和控制室均具备系统紧急停止功能。

数据采集：采用远程数字压力信号传输方式，用上位机实现压力的数据采集。

数据处理：采用流程化显示界面，显示各点的压力测量值。试验完成之后，实现方便的试验数据或曲线回放和报表打印功能。

1）高压站设备的面板上，有手动操纵的按钮和显示仪表。在现场操作时控制和观察非常方便；

2）操作界面，提供快速流程切换选项，能够进行“一键”流程切换；

3）“远程控制”和“现场手动” 功能切换能够在控制台的面板上方便的进行。

主要供货设备

附件：布局参考图 

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