直流控制电磁三通旋转阀在单井计量中的应用

高宝元

(中国石油川庆钻探工程公司 钻采工程技术研究院，西安 710018)

直流控制电磁三通旋转阀在单井计量中的应用

高宝元

(中国石油川庆钻探工程公司 钻采工程技术研究院，西安 710018)

针对单井计量中传统牵引式交流控制电磁三通阀启动和运行噪声大、电能消耗大、电磁阀控制线圈频繁烧坏、排油时间长、原油漏失大，计量不准确等缺陷，研制了一种新型直流控制电磁旋转三通阀，采取低压直流控制驱动线圈。重点介绍了旋转三通阀的结构组成、工作原理、节电原理、机械设计及经济指标评估等。实际应用表明： 直流控制电磁三通旋转阀运行稳定，满足了单井计量的需求。

直流控制 电磁 旋转三通阀

原油计量是油田生产管理中的一项重要工作，做好单井计量是油井长期稳产高产的保证，也是合理开发油田，提高最终采收率的需要。长庆油田分公司采用双容积分离器进行单井计量，其中使用的牵引式交流电磁三通阀有200多台，使用的电磁铁均为MQ1—5151系列。由于采用交流励磁控制，电磁铁本身吸合不好以及受诸多外部因素影响，在频繁动作工况下，极容易造成电磁控制线圈烧坏，维修费用高，并且严重影响了计量工作的正常进行。另外，起动和运行噪声大，对环境造成极大污染，且电能消耗大，口径小，排油时间长，原油漏失大，计量不准确。针对上述存在的问题，该公司研制出直流控制电磁旋转三通阀，其具有新颖独特的密封结构，密封性能好，原油漏失小，计量准确；具有专用快速的旋转系统，口径大，流速快，转动灵活，全天运行无故障；控制线圈电压采用专用电源模块，实现直流阶跃突变控制，克服了交流电磁阀存在的缺点，不损烧控制线圈，大幅降低了维修费用以及采油工的劳动强度；运行过程无噪声，有效地改变了工作环境；降低了励磁机构起动、运行的电能消耗，有效地节约了电能。

1 结构组成与工作原理

1.1 结构组成

直流控制电磁旋转三通阀主要由防爆外壳、电磁驱动线圈、可移动牵引磁铁、拨叉、大连杆、阀体、指针及连接法兰组成，结构如图1所示。

图1 直流控制电磁旋转三通阀结构示意

1.2 工作原理

当双容积分离器计量室里的液位上升到上浮球液位控制器时，直流控制器向专用的电磁驱动线圈发出驱动信号，可移动牵引电磁铁被电磁驱动线圈吸合，带动拨叉及大连杆，使阀体内的阀芯按逆时针方向旋转，指针由水平位置移动到垂直位置，阀体连接的左边管线与垂直下管线相通(即指针旋转90°时两管线相通)，而其他管线不相通。此时双容积分离器计量室里的原油由阀体的左边管线流入，从阀体下垂直管线流出，通过泄油泵向外排油。当液位降至下浮球液位控制器时，直流控制器切断驱动信号，可移动牵引电磁铁在自重及阀体内弹簧拉力的作用下，带动旋转机构复位，指针由垂直位置返回到水平位置，停止工作。这时阀体连接的左右水平管线相通，而左边管线和垂直下管线不相通，原油从阀体连接的右边管线流入经过左边管线流出，进入双容积分离器的计量室，实现对原油正常的循环计量。

1.3 节电措施

电磁铁受电磁吸力驱动、牵引机械装置，直流电磁三通旋转阀采用拉动式MQ1—5151型牵引电磁铁，通电率100%，衔铁质量4 kg。根据电磁定理，当控制线圈通交流电时，在磁路内产生变化磁场，使铁芯和衔铁产生磁化，衔铁产生吸引力将铁芯吸合。电磁系统中U≈E，即磁链Ψ为常数，吸力反比于δ(δ——磁链的漏磁系数)，即F∞(U/δ)2。工作气隙的变化，对δ的影响不大，即F=f(δ)曲线较平滑，使得起动和运行噪声大，电能消耗大，电磁阀控制线圈频繁烧坏。如果将交流电磁系统改变为直流电磁阶跃式控制系统，直流电磁铁IN为常数，吸力正比于(IN)2，反比于б2(б——磁通的漏磁系数)和δ2，即F∞(IN/бδ)2。F同时受б与δ的影响，F=f(δ)曲线比较陡削。起动时直流控制器向驱动线圈供198V进行吸引，吸合后1s转化为36V直流电压给驱动线圈供电，由于直流矫顽力基本保持不变，电磁铁继续吸合，达到不烧线圈，运行过程无噪声，节能节电的目的。F=f(δ)曲线比较如图2所示。

图2 牵引力与磁链漏磁系数的关系示意

通过计算： 直流最大电磁铁牵引力F=588 N。由于吸力增大，衔铁行程增大，在最大电磁铁牵引力F=588 N的情况下，磁铁向上移动的最大行程S=M/F=50 mm。

分别采用直流控制器与交流控制器供电时，电磁阀的性能比较见表1所列。

表1 交直流控制电磁阀性能比较

1.4 机械部分设计

1) 原油计量设计。阀体采用铸钢材料，阀芯采用45号钢，阀芯孔径40 mm，在磨床上进行研磨后，使阀体和阀芯配合间隙为0.03 mm以下，达到密封性能良好，不窜油，旋转灵活。

2) 轴承设计。由于电磁阀平均10 min动作一次，磁铁向上和向下运动均有较大负载并伴随强大的振动，故选用轴承转速较低、载荷较大并具有抗冲击载荷的轴承，选用滚子轴承N0000型和30000型。

3) 轴承两端密封设计。目的是能承受一定的原油压力，并且防止原油中细沙进入轴承两端卡住转动。选用橡胶“O”型圈，其特点是： 材料致密性好，不易泄漏原油；有适合的机械强度和硬度；压缩性和回弹性好，永久性变形小；高温下不软化、不松解，低温下不硬化、不脆裂；抗腐蚀性能好，在酸、碱、油等介质中能长期工作；体积和硬度变化小，且不粘附在金属表面；摩擦系数小，经久耐用；取材容易，加工制造方便，价格便宜。

4) 压缩圆柱螺旋弹簧设计。由于向上提起最大力为600 N，弹簧变形量在20%～80%的情况下应正常工作。通过设计和计算应选用碳素弹簧钢丝B级，材料直径φ4 mm，允许用力为870 N，考虑到自重、摩擦力等，能满足设计要求。

5) 安装设计。为满足现场需求，连接法兰选DN50标准法兰(PN0.6 MPa，D=140 mm，K=110 mm，C=16 mm)且为8孔。在正常状态下，指针与阀体上的法兰平行，指针所指法兰接输入管线，反之接输出管线。

6) 防爆外壳设计。采用标准钢管(外径为245 mm，壁厚为6 mm，高为320 mm)制成，采用隔爆型式。

7) 拨叉及连杆设计。采用45号钢加工，经热处理后，表面镀锌，达到旋转灵活、经久耐用的目的。

2 现场应用情况

截至2013年12月该公司共安装50多台直流控制电磁旋转三通阀，全部运行正常，达到了设计要求，原油计量准确，泵向外排油时间短，不烧坏旋转阀驱动线圈，机械故障率低，运行过程无噪声污染，节能节电，深受广大基层人员的欢迎。如果该公司在双容积分离器单井计量中全部采用阶跃突变直流控制电磁旋转三通阀，将会产生一定的经济效益和社会效益。

3 结束语

经过两年多的实际应用，50多台直流控制电磁旋转三通阀安全无故障运行，达到了设计要求，可以取代现有传统式牵引式交流电磁三通阀，其优势在于：

1) 从根本上解决了原来单井计量中长期存在的频繁烧坏电磁阀控制线圈问题，节约了大量的维修费用，减轻了维修人员的劳动强度。

2) 降低了吸合功率，缩短了排油时间，节约电能。

3) 起动和运行噪声低，达到了石油天然气工业健康、安全、管理体系标准。

4) 密封性能好，原油漏失小，计量准确。

5) 结构新颖，动作灵敏，直径大，流速快，适用于黏度高、杂质多的原油介质。

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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年列为中国石油集团川庆钻探工程公司科研支撑项目(CQ2014B-11-2-3)。

高宝元(1963—)，男，2008年毕业于西安交通大学电气工程及自动化专业，现就职于中国石油川庆钻操工程公司，从事石油自动化仪器仪表研究工作。

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。