高寶元

(中國石油川慶鉆探工程公司 鉆采工程技術研究院，西安 710018)

直流控制電磁三通旋轉閥在單井計量中的應用

高寶元

(中國石油川慶鉆探工程公司 鉆采工程技術研究院，西安 710018)

針對單井計量中傳統(tǒng)牽引式交流控制電磁三通閥啟動和運行噪聲大、電能消耗大、電磁閥控制線圈頻繁燒壞、排油時間長、原油漏失大，計量不準確等缺陷，研制了一種新型直流控制電磁旋轉三通閥，采取低壓直流控制驅動線圈。重點介紹了旋轉三通閥的結構組成、工作原理、節(jié)電原理、機械設計及經(jīng)濟指標評估等。實際應用表明： 直流控制電磁三通旋轉閥運行穩(wěn)定，滿足了單井計量的需求。

直流控制 電磁 旋轉三通閥

原油計量是油田生產(chǎn)管理中的一項重要工作，做好單井計量是油井長期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的保證，也是合理開發(fā)油田，提高最終采收率的需要。長慶油田分公司采用雙容積分離器進行單井計量，其中使用的牽引式交流電磁三通閥有200多臺，使用的電磁鐵均為MQ1—5151系列。由于采用交流勵磁控制，電磁鐵本身吸合不好以及受諸多外部因素影響，在頻繁動作工況下，極容易造成電磁控制線圈燒壞，維修費用高，并且嚴重影響了計量工作的正常進行。另外，起動和運行噪聲大，對環(huán)境造成極大污染，且電能消耗大，口徑小，排油時間長，原油漏失大，計量不準確。針對上述存在的問題，該公司研制出直流控制電磁旋轉三通閥，其具有新穎獨特的密封結構，密封性能好，原油漏失小，計量準確；具有專用快速的旋轉系統(tǒng)，口徑大，流速快，轉動靈活，全天運行無故障；控制線圈電壓采用專用電源模塊，實現(xiàn)直流階躍突變控制，克服了交流電磁閥存在的缺點，不損燒控制線圈，大幅降低了維修費用以及采油工的勞動強度；運行過程無噪聲，有效地改變了工作環(huán)境；降低了勵磁機構起動、運行的電能消耗，有效地節(jié)約了電能。

1 結構組成與工作原理

1.1 結構組成

直流控制電磁旋轉三通閥主要由防爆外殼、電磁驅動線圈、可移動牽引磁鐵、撥叉、大連桿、閥體、指針及連接法蘭組成，結構如圖1所示。

圖1 直流控制電磁旋轉三通閥結構示意

1.2 工作原理

當雙容積分離器計量室里的液位上升到上浮球液位控制器時，直流控制器向專用的電磁驅動線圈發(fā)出驅動信號，可移動牽引電磁鐵被電磁驅動線圈吸合，帶動撥叉及大連桿，使閥體內的閥芯按逆時針方向旋轉，指針由水平位置移動到垂直位置，閥體連接的左邊管線與垂直下管線相通(即指針旋轉90°時兩管線相通)，而其他管線不相通。此時雙容積分離器計量室里的原油由閥體的左邊管線流入，從閥體下垂直管線流出，通過泄油泵向外排油。當液位降至下浮球液位控制器時，直流控制器切斷驅動信號，可移動牽引電磁鐵在自重及閥體內彈簧拉力的作用下，帶動旋轉機構復位，指針由垂直位置返回到水平位置，停止工作。這時閥體連接的左右水平管線相通，而左邊管線和垂直下管線不相通，原油從閥體連接的右邊管線流入經(jīng)過左邊管線流出，進入雙容積分離器的計量室，實現(xiàn)對原油正常的循環(huán)計量。

1.3 節(jié)電措施

電磁鐵受電磁吸力驅動、牽引機械裝置，直流電磁三通旋轉閥采用拉動式MQ1—5151型牽引電磁鐵，通電率100%，銜鐵質量4 kg。根據(jù)電磁定理，當控制線圈通交流電時，在磁路內產(chǎn)生變化磁場，使鐵芯和銜鐵產(chǎn)生磁化，銜鐵產(chǎn)生吸引力將鐵芯吸合。電磁系統(tǒng)中U≈E，即磁鏈Ψ為常數(shù)，吸力反比于δ(δ——磁鏈的漏磁系數(shù))，即F∞(U/δ)2。工作氣隙的變化，對δ的影響不大，即F=f(δ)曲線較平滑，使得起動和運行噪聲大，電能消耗大，電磁閥控制線圈頻繁燒壞。如果將交流電磁系統(tǒng)改變?yōu)橹绷麟姶烹A躍式控制系統(tǒng)，直流電磁鐵IN為常數(shù)，吸力正比于(IN)2，反比于б2(б——磁通的漏磁系數(shù))和δ2，即F∞(IN/бδ)2。F同時受б與δ的影響，F(xiàn)=f(δ)曲線比較陡削。起動時直流控制器向驅動線圈供198V進行吸引，吸合后1s轉化為36V直流電壓給驅動線圈供電，由于直流矯頑力基本保持不變，電磁鐵繼續(xù)吸合，達到不燒線圈，運行過程無噪聲，節(jié)能節(jié)電的目的。F=f(δ)曲線比較如圖2所示。

圖2 牽引力與磁鏈漏磁系數(shù)的關系示意

通過計算： 直流最大電磁鐵牽引力F=588 N。由于吸力增大，銜鐵行程增大，在最大電磁鐵牽引力F=588 N的情況下，磁鐵向上移動的最大行程S=M/F=50 mm。

分別采用直流控制器與交流控制器供電時，電磁閥的性能比較見表1所列。

表1 交直流控制電磁閥性能比較

1.4 機械部分設計

1) 原油計量設計。閥體采用鑄鋼材料，閥芯采用45號鋼，閥芯孔徑40 mm，在磨床上進行研磨后，使閥體和閥芯配合間隙為0.03 mm以下，達到密封性能良好，不竄油，旋轉靈活。

2) 軸承設計。由于電磁閥平均10 min動作一次，磁鐵向上和向下運動均有較大負載并伴隨強大的振動，故選用軸承轉速較低、載荷較大并具有抗沖擊載荷的軸承，選用滾子軸承N0000型和30000型。

3) 軸承兩端密封設計。目的是能承受一定的原油壓力，并且防止原油中細沙進入軸承兩端卡住轉動。選用橡膠“O”型圈，其特點是： 材料致密性好，不易泄漏原油；有適合的機械強度和硬度；壓縮性和回彈性好，永久性變形??；高溫下不軟化、不松解，低溫下不硬化、不脆裂；抗腐蝕性能好，在酸、堿、油等介質中能長期工作；體積和硬度變化小，且不粘附在金屬表面；摩擦系數(shù)小，經(jīng)久耐用；取材容易，加工制造方便，價格便宜。

4) 壓縮圓柱螺旋彈簧設計。由于向上提起最大力為600 N，彈簧變形量在20%～80%的情況下應正常工作。通過設計和計算應選用碳素彈簧鋼絲B級，材料直徑φ4 mm，允許用力為870 N，考慮到自重、摩擦力等，能滿足設計要求。

5) 安裝設計。為滿足現(xiàn)場需求，連接法蘭選DN50標準法蘭(PN0.6 MPa，D=140 mm，K=110 mm，C=16 mm)且為8孔。在正常狀態(tài)下，指針與閥體上的法蘭平行，指針所指法蘭接輸入管線，反之接輸出管線。

6) 防爆外殼設計。采用標準鋼管(外徑為245 mm，壁厚為6 mm，高為320 mm)制成，采用隔爆型式。

7) 撥叉及連桿設計。采用45號鋼加工，經(jīng)熱處理后，表面鍍鋅，達到旋轉靈活、經(jīng)久耐用的目的。

2 現(xiàn)場應用情況

截至2013年12月該公司共安裝50多臺直流控制電磁旋轉三通閥，全部運行正常，達到了設計要求，原油計量準確，泵向外排油時間短，不燒壞旋轉閥驅動線圈，機械故障率低，運行過程無噪聲污染，節(jié)能節(jié)電，深受廣大基層人員的歡迎。如果該公司在雙容積分離器單井計量中全部采用階躍突變直流控制電磁旋轉三通閥，將會產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

3 結束語

經(jīng)過兩年多的實際應用，50多臺直流控制電磁旋轉三通閥安全無故障運行，達到了設計要求，可以取代現(xiàn)有傳統(tǒng)式牽引式交流電磁三通閥，其優(yōu)勢在于：

1) 從根本上解決了原來單井計量中長期存在的頻繁燒壞電磁閥控制線圈問題，節(jié)約了大量的維修費用，減輕了維修人員的勞動強度。

2) 降低了吸合功率，縮短了排油時間，節(jié)約電能。

3) 起動和運行噪聲低，達到了石油天然氣工業(yè)健康、安全、管理體系標準。

4) 密封性能好，原油漏失小，計量準確。

5) 結構新穎，動作靈敏，直徑大，流速快，適用于黏度高、雜質多的原油介質。

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Application of DC Control Electromagnetic Three-way Rotary Valve in Single Well Metering

Gao Baoyuan

(Drilling &Production Engineering Technology Research Institute， Chuanqing Drilling Engineering Co. Ltd.， CNPC，Xi’an， 710018， China)

Focusing on the drawbacks of strong starting and running noise， large electric energy consumption， frequent burn out of electromagnetic valve control coil， long oil discharge time， large crude oil leakage and inaccurate measurement of traditional trail-type AC control three-way solenoid valve in single well metering， a new type of DC control electromagnetic three-way rotary valve is developed with drive coil adopting low voltage DC control. The structure， working principles， electricity saving principles， mechanical design and economic indicators evaluation of the three-way rotary valve are stressed. The practical application indicates the DC control electromagnetic three-way rotary valve runs stably. The requirement for single well metering is met.

DC control； electromagnetic； three-way rotary valve

2014—2015年列為中國石油集團川慶鉆探工程公司科研支撐項目(CQ2014B-11-2-3)。

高寶元(1963—)，男，2008年畢業(yè)于西安交通大學電氣工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于中國石油川慶鉆操工程公司，從事石油自動化儀器儀表研究工作。

TP303+.1

B

1007-7324(2015)01-0053-03

稿件收到日期： 2014-08-04，修改稿收到日期： 2014-11-28。