抽油机远程自动刹车装置的研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：沈霁（1984），男，汉族，江苏东台人，本科，中石化华东油气分公司泰州采油厂，高级工程师，研究方向为采油（气）工程。-146-抽油机远程自动刹车装置的研究 沈 霁 中石化华东油气分公司泰州采油厂，江苏 泰州 225300 摘要：摘要：目前游梁式抽油机是我国的主要采油设备，在油田的生产中占有重要地位。刹车系统是游梁式抽油机一种特别关键的操作控制装置，具有安全有效的制动性，是抽油机在工作过程中进行安全操作的决定性因素。在现场操作过程中，因刹车出现问题，而产生的安全事故层出不穷。同时随着油田信息化建设的不断深化，远程监控和操作系统已经进入石油的机械领域。然而手动控制依然是游梁式抽油机刹车的主要操作方式,还不能实现远程操作，因此开展游梁式抽油机远程自动刹车装置的研制工作势在必行的。本文着眼于抽油机远程自动刹车装置的研究，基于游梁式抽油机外抱式刹车原理的基础上，对拉杆凸轮进行改造，并增加远程刹车总成，最终与现场智能控制柜进行集成联动，实现三大创新功能。该研究在不改变外抱刹车装置的结构、原理、性能和安全系数的前提下实现了远程刹车的功能，对提升抽油机本质安全，降低安全风险有着重要的意义。关键词：关键词：信息化配套；远程刹车；本质安全 中图分类号：中图分类号：TE933 1 开展背景 生产现场已在 2017 年完成现场信息化建设，形成了远程监控和操作系统，实现了数据采集、远程控制、预警报警等功能，再加上现场基础设备的信息化改造，最终形成较为完整的数据采集-控制模式。以油气生产信息化为依托，企业完成管理转型，体制机制改革，形成了厂直管班站的一级管理模式。然而随着信息化应用的不断深化，先期的信息化建设内容仅能满足基础需求，手动控制依然是游梁式抽油机刹车的主要操作方式,还不能实现远程操作，因此开展游梁式抽油机远程自动刹车装置的研制工作势在必行的。本文着眼于抽油机远程自动刹车装置的研制与应用，对提升抽油机本质安全，降低安全风险有着重要的意义。刹车系统是游梁式抽油机最关键的部分之一，它的制动性是否灵活安全可靠，对抽油机各种操作的安全起着决定性作用。刹车装置根据其工作方式分为外抱式刹车和内胀式刹车两种，外抱式刹车因其结构简单，安装调试、维护保养方便，多用于中、小型抽油机中。1.1 油田现状 现场抽油机多为 10 型机，配套外抱式刹车系统。在信息化生产模式下，现场抽油机启停均采用远程控制为主，人工操作为辅的模式。远程启机时，指挥中心岗位人员调取现场监控画面，确认无异常后，由SCADA 系统下置启机指令到油井智能控制柜 RTU 内，首先自动触发30S语音警示预警，提示“油井即将启抽，周围人员请让开”，预警结束后，抽油机启动。远程停机时，RTU 接收到来自上位机的停机指令后，即立即停机。通过上述对远程控制流程的描述，我们不难看出在实际运行过程中，以下3个环节上存在较大的风险。（1）启机时，无法判断刹车系统状态，可能造成带负载启机。（2）停机时，抽油机平衡块在惯性作用下，往复摆动，对设备本身存在一定损害。（3）抽油机远程停机后，存在不拉刹车就进行维护保养的安全风险。1.2 市场调研情况 通过查阅文献资料，对市面上现有改装的刹车装置进行对比研究。如申请号为201110207294.1的专利文献公开了一种抽油机安全刹车装置，有顺序相连的刹车把、传动机构和制动器。制动器有刹车轮和刹车片，刹车片连有驱动刹车片动作的摆杆；刹车把底座上有齿板，底中国科技期刊数据库 工业 A-147-座上铰接有操纵杆，手柄处铰接有棘爪拉杆；传动机构是铰接在刹车把的操纵杆与制动器的摆杆之间的连杆，连杆有依次铰接相连的水平连杆、换向铰链和垂直连杆，水平连杆或垂直连杆上连有能使水平连杆或垂直连杆受到轴向拉伸力的弹性元件。又如，申请号为 201620849929.6 的专利文献公开了一种游梁式抽油机刹车锁紧装置，包括支撑块、轴承和刹车杆，所述支撑块上固定有活动轴，所述支撑块一端固定有刹车箍，所述刹车箍内侧设置有刹车片，所述轴承外侧设置有轴承外环，所述轴承外环外部设置有刹车箍，所述弹簧外侧连接拉杆，所述刹车箍上设置有卡条凹槽，所述卡条凹槽内固定有固定卡条，所述刹车杆中部固定有固定卡条，所述刹车杆下部通过活动轴固定在支撑块上，所述刹车杆底端连接有拉杆，所述刹车杆上端设置有手柄。又如，申请号为 201711470628.8 的专利文献公开了一种抽油机刹车总成，包括制动单元和连杆操纵机构，制动单元内设置有刹车轮和夹臂，刹车轮固定安装在需要制动的制动轴上，夹臂共有两个，两个夹臂铰接相连形成一个带有开口的圆环结构，所述的刹车轮分为内圈和外圈两部分，外圈套在内圈上并可绕内圈的轴线旋转，内圈固定安装在制动轴上，内圈侧面的边缘安装有齿轮，外圈的内侧设置有与齿轮啮合的轮齿，所述内圈的侧面还设置有用于卡住齿轮的双向逆止组件。再如，申请号为 201921904937.6 的专利文献公开了一种游梁抽油机的刹车制动装置，其特征是：传动机构的竖拉杆的上端与制动机构连接，制动机构包括齿盘、制动压板和制动齿，齿盘与刹车轮或刹车轮毂固接，制动压板中间设有圆弧导轨，制动齿与制动压板中间的圆弧导轨间隙配合构成倾斜悬挂式结构，所述制动齿沿圆弧导轨上下滑动及沿其中心放射线左右摆动，并构成制动齿与齿盘稳定啮合机构，所述制动齿前端设有与齿盘齿形匹配的齿顶尖，所述制动齿两侧挂接有复位弹簧，所述制动压板前端与竖拉杆上端销接，制动压板尾端与抽油机的刹车机构铰接。上述技术显示目前油田生产抽油机普遍使用人工机械式刹车，该种刹车方式虽然具有结构简单、操作方便等特点，但同时也存在以下一种或两种以上的缺陷：（1）刹车制动不灵敏，经常出现溜车现象，造成人员伤害；（2）减速机输入轴端刹车鼓外侧的刹车瓦片长时间使用和受自然环境的影响，刹车 片磨损、老化，刹车时刹不紧并且更换麻烦，成本高；（3）停机作业刹车时，人工操作，容易造成失误，损坏设备和伤人；（4）不具备远程智能控制，刹车需要两个以上技术熟练的人员配合好才能完成刹车，存在一定的安全隐患。鉴于现有技术存在的上述不足，本文主要解决的技术问题是，提供一种游梁式抽油机远程刹车装置，基于游梁式抽油机外抱式刹车原理的基础上，对拉杆凸轮进行改造，并增加远程刹车总成，最终与现场智能控制柜进行集成联动，实现三大功能。（1）抽油机远程启动时，检测到刹车完全释放后方能起抽；停止时，延时锁死刹车。（2）本地刹车与远程刹车相互独立、互不影响。（3）远程自动刹车装置与油井智能控制柜指令联动，安全稳定。2 研究内容 图 1 外抱拉杆式刹车装置结构示意图 如图 1 所示，常规的外抱式刹车装置主要由刹车轮毂、刹车片、刹车蹄、刹车凸轮、刹车拉杆等组成。使用时，只要向后拉动刹车操纵杆，拉杆凸轮就会压缩弹簧，使刹瓦同时向轮的中心移动，制动刹车轮。为了保证远程自动刹车装置的安全系数和可靠性，远程刹车装置基于常规的外抱式刹车装置的原理，在不改变其基本结构和性能的基础上进行研究，主要实现以下三个目标：（1）远程启停抽油机时，自动刹车装置状态与抽油机启停信号联动，保证安全可靠；（2）中国科技期刊数据库 工业 A-148-停抽时，刹车锁死，起抽时，刹车完全释放；（3）本地刹车与远程刹车独立运行，互不影响。为了实现以上目标，将研究内容分为硬件结构和自动控制两个部分。2.1 硬件结构 基于外抱式刹车的原理，对刹车装置的硬件结构进行两个方面的设计，安装效果如图 2 所示。一、设计一种双槽拉杆凸轮，替代常规的刹车拉杆凸轮；二、增加一路电动控制总成，实现电动控制的目的。图 2 远程自动刹车装置结构示意图 2.1.1 双槽拉杆凸轮 常规的拉杆凸轮顶端只有一个插销孔，用于连接纵向拉杆，如图 3 所示。为了实现本地、远程刹车相互独立，互补影响的效果，在常规拉杆凸轮基础上，对顶端进行设计，将单独的插销孔变化为双导向槽，一路为本地刹车导向槽，一路为远程刹车导向槽，如图 4 所示。图 3 常规拉杆凸轮 图 4 双槽拉杆凸轮 当进行本地刹车制动操作时，本地刹车纵向连杆下移，同时本地刹车纵向拉杆连接销移动至本地刹车拉杆导向槽底部时，带动双槽拉杆凸轮整体向下移动，直至刹车抱箍抱紧，将刹车锁紧；同时远程刹车纵向拉杆连接销在远程刹车拉杆导向槽内从底部到达顶部，远程刹车纵向拉杆位置没有改变，不受本地刹车任何影响。当本地刹车释放操作时，本地刹车纵向连杆上移，刹车拉杆凸轮在复位弹簧的推力下向上移动，同时带动本地刹车拉杆导向槽也向上移动，直到刹车抱箍打开，将刹车释放；同时远程刹车拉纵向杆连接销在远程刹车拉杆导向槽内从顶部到达底部，远程刹车纵向拉杆位置没有改变，不受本地刹车任何影响。当远程刹车锁死操作时，远程刹车纵向连杆下移，同时远程刹车纵向连杆连接销移动至远程刹车拉杆导向槽底部时，带动双槽拉杆凸轮整体向下移动，直至刹车抱箍抱紧，将刹车锁紧；同时本地刹车纵向拉杆连接销在本地刹车纵向拉杆导向槽内从底部到达顶部，本地刹车拉杆位置没有改变，不受远程刹车任何影响。当远程刹车释放操作时，远程刹车纵向连杆上移，刹车拉杆凸轮在复位弹簧的推力下向上移动，同时带动远程刹车拉杆导向槽也向上移动，直到刹车抱箍打开，将刹车释放；同时本地刹车纵向拉杆连接销在本地刹车拉杆导向槽内从顶部到达底部，本地刹车拉杆位置没有改变，不受远程刹车任何影响。2.1.2 远程刹车总成 远程刹车行程由上下行程开关、上下固定拨杆、电动推杆、纵向刹车连杆以及固定底座组成。电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。作为执行机构，它接收来自 PLC 模块发出的指令，带动纵向刹车连杆向上或向下运动。按照 10 型机刹车传动行程以及负载，对电动推杆进行选型。行程开关又称为限位开关，是一种常见的小电流主令电器，与安装在纵向刹车连杆上的固定拨杆配套使用。远程刹车制动时，当上拨杆与上行程开关触头发生碰撞，上行程开关电路分断；远程刹车释放时，当下拨杆与下行程开关触头发生碰撞，下行程开关电路分断，以此将行程开关电路的通断作为反馈信号接入 PLC 中作为判断刹车制动或刹车释放是否到位的依据。而 PLC 接收到相应的反馈信号后，发送指令至电中国科技期刊数据库 工业 A-149-动推杆即可停止当前动作。双槽拉杆凸轮和远程刹车行程构成了远程刹车系统的硬件部分，如何实现对硬件部分的自动控制就从下文展开阐述。2.2 自动控制的研究 苏北油田现场使用的抽油机配电设备为自主研制的油井智能控制柜，根据现场使用场景的不同可以分为四种控制模式，即远程变频、远程工频、本地变频、本地工频。由于工频和变频模式下反馈停止状态的信号来源不同，因此分别取工频模式接触器常开触点的下降沿信号和变频模式无源常开触点的下降沿信号作为抽油机停机的依据。远程刹车装置的逻辑控制图如图 2.5 所示，将远程刹车逻辑控制分为两种模式。图 5 远程刹车装置逻辑控制图（1）远程模式 远程启机时，由 SCADA 系统下置启机指令到油井智能控制柜 RTU 内，首先触发 30S 语音警示预警，提示“油井即将启抽，周围人员请让开”，同时 PLC 以预警信号为使能条件，启动远程刹车释放，当上行程开关达到触发断开位置时，判断远程刹车释放到位，电动推杆停止。PLC 将刹车释放到位的反馈信号上传至RTU，RTU 只有接收到 PLC 反馈回的刹车释放到位信号后，才会启动抽油机。远程停机时，同样的由 SCADA 系统下置停机指令到 RTU 内，RTU 控制停止抽油机，根据不同模式，将工频模式下接触器常开触点下降沿以及变频模式下无源常开触点下降沿信号作为 PLC 判断停机状态的依据，当接收到下降沿信号后，随即触发 20S 延时，后启动电动远程刹车制动，当下行程开关达到触发断开位置时，判断远程刹车制动到位，电动推杆停止。（2）远程模式切换至本地模式 为了保证本地刹车和远程刹车相互独立，互不影响，不仅在硬件结构上进行独特设计，在自动控制逻辑上，也进行了设计。远程本地的切换需要在油井智能控制柜内由人工旋转旋钮进行切换，这就保证了切换操作的可知和可控，切换后，远程刹车自动释放到位，远程刹车装置使能关闭。在本地模式下，远程自动刹车装置处于释放状态，不作任何动作。3 应用效果 抽油机远程自动刹车装置在生产现场成功应用，应用效果良好。该装置可实现抽油机远程停机后，自动刹紧刹车，远程启机前自动释放刹车，有效解决了抽油机远程启机无法判断刹车状态、停机无法刹车的问题，进一步提升了抽油机本质安全，保障现场安全生产运行。参考文献 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