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摘要：目前，机械钻机和电动钻机所使用的钻井泥浆泵均采用安全阀作为安全保护。安全阀是一种安全保护用阀，当泥浆泵内的介质压力升高，超过规定值时剪断插销，安全阀开启，来防止超压。由于泥浆泵工作环境恶劣、振动大以及气候条件差等原因，严重影响安全阀的工作可靠性，泵压异常升高而使安全阀开启时，没有及时发现并停泵，也可能导致泄压管因压力过高而脱落，这也会给旁边的工作人员带来生命危险。

因此，开展泥浆泵泵压智能安全保护和数据监控记录技术研究，在泵压异常升高时能自动地预警提示操作者，降低泥浆泵的电机转速，继续升高则断开泥浆泵电机动力，从而降低泵压，消除安全隐患，对于泥浆泵的运行安全具有非常重要的意义。而泥浆泵泵压智能安全保护系统的监控记录曲线功能可以将泵压数据更直观准确便捷的记录下来，还会通过自动绘制的图形反应数据的波动，方便工作人员观察，便于日后对于数据的分析和处理。

关键词：泥浆泵、安全阀、智能安全保护、监控记录曲线

1. 前言：

泥浆泵泵压智能安全保护系统作为钻机智能安全保护系统的一部分，通过标准化的接口设计，可以作为一个子模块集成到钻机智能安全保护系统中。基于数据共享的设计理念，还可以将泥浆泵泵压智能安全保护系统的所有传感器信号和保护控制信号以数据的方式和原钻机电控系统对接，供原钻机电控系统用于功能拓展和二次开发利用。在系统集成和数据共享两方面，泥浆泵泵压智能安全保护系统应用前景广阔。

研发的泥浆泵泵压智能安全保护系统能够成功实现泥浆泵泵压数据采集、记录的全过程监控，可手动设置预警泵压和动作泵压，形成对安全阀泄压装置的有效保护。同时实现了泵压传感器信号一分多的多路分配，扩展传感器的模拟量信号通道，简化了传感器的安装和布线。设计有多种可手动设置预警泵压和动作泵压的报警阈值，分别对应于不同保护层级，确保安全阀不异常保护泄压，保证泥浆泵的可靠运行，具有对泵压信号的实时曲线绘制和历时曲线绘制功能，并可扩展到其它传感器信号的曲线记录，传感器数据可保存到存储器达3年之久在未来可接入云端大数据共享并分析。增加了泵压信号的多级阈值报警和控制功能，能够及时提示操作者泥浆泵和管汇、井下工具存在的异常，有效降低设备运行的故障率。

每一次剪销式安全阀失效后，复位安装时间大约在0.5h～2h左右，如遇到停泵不及时导致安全阀刺坏更换总成耗时时间更是高达3～4h。安装泥浆泵泵压智能安全保护系统后，可以极大的减少机械式安全阀动作次数，可以减少泥浆泵安全阀失效的检修时间，从而节约大量的泥浆泵检修时间。及时发现泵压异常，保障井下、设备安全。由于该装置的集成的数据记录和数据通信功能，便于将该装置的资源和其它控制系统共享，用于开发更全面的安全保护系统和更完善的钻机控制系统，可以节约大量传感器、装置的重复安装，降低重复配置成本。通过控制成本，该套装置可用有限的成本创造出超出本身的直接经济价值和隐性安全价值。

功能概述

2.1泵压数据采集、监控曲线可实现泥浆泵泵压的全过程监控

泥浆泵泵压智能安全保护系统可实现泥浆泵泵压信号的数据采集和记录，该装置上电自动运行记录泵压数据，可实现泥浆泵泵压的全过程监控。在使用中，操作员不仅可以看到泵压的实时数值，还可以查看泵压的实时曲线，根据绘制的实时曲线查看泵压变化趋势，帮助操作员掌握设备的运行状态。同时在有需要时还可以查看泥浆泵泵压的历时曲线，通过对历史压力进行分析，查找设备和井下异常。通过对泥浆泵泵压的全过程监控，对泥浆泵运行和井下安全都有很好的保障作用。

2.2智能化报警和控制，实现泵压超高报警及泵压保护

控制系统采集每台泥浆泵泵压和立管压力，对每台泥浆泵均设计多级阈值报警，每一级报警以不同的声光报警方式显示，提示操作人员。其中次高级报警会触发泵压保护控制功能的一系列响应。

最高级报警的设置值与安全阀的设定值同步，该报警值时安全阀应该已经动作，系统触发报警提醒操作人员注意。次高级别的报警设置为安全阀动作的保护，需要将次高级别报警设置值略低于剪销式安全阀的设定值1-2Mpa，在实际泵压达到设定值时触发报警，避免触发安全阀动作。基础级别泵压异常升高报警设置为泥浆泵正常操作时泵压异常升高提示，该级报警只提示操作人员注意井下安全和操作安全，控制系统不触发保护功能。基础级别泵压异常降低报警设置为泥浆泵正常操作时泵压异常降低提示，该级报警用于提示操作人员注意井下钻具安全，控制系统不触发保护功能。泵压异常波动报警设置为泥浆泵在恒定泵冲状态下，泵压出现较大的波动时触发报警，该级报警用于提示操作人员注意泥浆泵运行状态，是否有上水不好或者阀刺漏失效的情况。

次高级别的报警设置为对安全阀动作的保护，该报警触发后，人机界面和外部声光报警提示外，控制系统发送信号限制泥浆泵动力，防止泵压进一步无限制的升高。假如泵压继续升高并持续规定的时间，则会将泥浆泵停机，防止泵压超标触发安全阀动作。通过合理逻辑设计功能，实现了泥浆泵泵压保护。

2.3模块化设计，安装方便快捷，可根据需要进行功能拓展

泥浆泵泵压智能安全保护系统的各个组件采用模块化设计，安装连接方便快捷。该系统包括压力变送器模块、信号采集箱模块、数据处理监控曲线记录模块、信号处理和控制模块、报警控制组件、泥浆泵电机控制组件/柴油机油门控制组件等几部分组成，各个部分都采用标准化接口设计，非常利于功能扩展。

2.4信号通道冗余设计，数据共享，节约系统资源

泥浆泵泵压智能安全保护系统的传感器信号通道采用冗余设计，一方面采用隔离式安全栅模块将传感器信号一分为多，除了供本装置使用外，同时还可以提供传感器信号给原钻机电控系统，这样可以节约传感器的安装和复杂的布线。

同时，该装置还可以将各路传感器信号和各种报警和控制的输入输出开关量信号进行处理，以通讯的方式与其他控制系统进行数据交换，既可以从外部系统接收钻机大系统的其它传感器信号和开关量信号，也可以将本系统的传感器和输入输出开关量信号传递到别的控制系统，实现各系统的对接，数据共享，节约了系统的资源，同时方便了系统拓展集成控制。

2. 泥浆泵泵压智能安全保护系统设计

3.1. 泥浆泵泵压智能安全保护系统总体设计

泥浆泵泵压智能安全保护系统，包含压力变送器、信号传输电缆、信号采集箱、输入输出接口和数据处理等组件。该系统对泥浆泵的输出泵压、管汇立管压力等泥浆高压压力信号进行处理，通过AD转换将模拟信号转换成便于操作人员识别的数字信号，同时可现实多路泥浆泵压力和立管压力的实时曲线和历时曲线。同时利用可编程控制单元可以对数字化的压力信号进行处理，提供多级压力信号阈值报警，并将这些阈值信号传递到输出接口供功能扩展使用。

泥浆泵泵压智能安全保护系统的结构框图1如下所示：

3.2. 信号采集箱

信号采集箱的主要作用是对4路压力变送器的4......20mA信号进行再分配，该采集箱内置隔离式安全栅模块，该模块接收外部的有源或无源的标准模拟量信号（电压、电流或RTD等信号），对一路信号进行处理后输出两路或更多路的标准模拟量信号给信号处理单元。

信号采集箱的使用，由于它具有信号再生功能，这样一路传感器的信号可以变成多路完全相同的传感器信号供给不同的信号处理单元使用。这样可以节约传感器的安装和布线，使得原有的线路变得更加简洁，由于传感器数量的减少和线路的简化，可以降低传感器故障和线路故障的概率，使得故障排查变得简单方便一些。

本系统中设计可接入6-8路压力变送器信号，采用冗余通道设计，每一路压力变送器信号可分配出两路4...20mA模拟量信号。实际接入的信号根据钻机机型有所不同，对于配置两台泥浆泵的钻机，只接入两路泵压传感器信号，对于配置有3台泥浆泵的钻机，接入三路泵压传感器信号。同时，都会接入立管压力传感器信号，其中立管压力传感器为每个钻机都配置的参数仪表，直接使用系统自带的传感器将信号分出来，而不必额外增加传感器的数量。

信号采集箱的功能框图如下：

3.3. 数据处理器以及人机界面

数据处理器组件包含传感器信号输入接口、IO信号输出接口、电源接口、通讯接口、编程接口等组件。

传感器信号输入接口的作用是接收各种开关量信号和模拟量信号到处理器，供下一步的信号处理，模数转换。

IO信号输出接口的作用是根据控制器的编程逻辑生成一些报警信号以及模拟量输出信号等等。

通讯接口和编程接口的作用是用于对处理器进行相应的设置，同时用于传输各种过程数据和IO接口的信号。

人机界面的作用是显示传感器信号的数字量以及显示信号曲线以及各种报警信息。

数字处理器组件接口示意图3如下：

3.4. 泵压信号处理逻辑设计

泵压传感器的信号进入到数据处理记录仪组件后，需要进行AD处理，将4...20mA信号转换成0--70Mpa压力信号，通过显示屏以数字量的形式显示出来。

转化后的压力传感器数字信号，通过可编程接口设置，可设计多级报警阈值。

第一级报警阈值为压力高报警，该报警阈值设置为泥浆泵正常泵压高1～2Mpa左右。该报警信号由处理器输出到报警装置及控制逻辑处理组件作进一步处理。

第二级报警阈值为压力高高报警，该报警阈值设置为比安全阀略低1～2Mpa。该报警值设置高于第一级报警值的设置，低于机械式安全阀的设置值。该报警信号由处理器输出到报警装置及控制逻辑处理组件作进一步处理。

第三级报警阈值为压力故障，该报警阈值设置为安全阀压力值。该故障信号由处理器输出到报警装置及控制逻辑处理组件作进一步处理。

每一路传感器信号经由控制器处理后，可生成两路开关量报警信号输出。总计接入4路泵压传感器信号，合计生成12路开关量报警信号。

泵压信号处理逻辑示意图如下：

3.5. 泥浆泵泵压智能安全保护系统具备的功能如下：

3级报警阈值设定、报警显示和声光报警;

极限阈值时泥浆泵泵冲自动控制功能;

极限阈值时柴油机油门的自动控制功能;

极限阈值时泥浆泵自动停机保护功能。

总结：

泥浆泵泵压智能安全保护系统实现了泥浆泵泵压的数字实时显示和泵压实时曲线和历时曲线的绘制以及泵压超高多级阈值报警和泵压极限超高保护等功能，该系统能够有效的与泥浆泵设备相互兼容，运行之后稳定可靠，可实现泥浆泵泵压的不间断记录和安全阀泄压装置的有效保护。可有效防止泥浆泵安全阀意外失效，可为泥浆泵的正常运行提供强有力的保障。推广应用预计可创造可观的经济效益，同时可带来数倍于经济效益的安全效益。该系统适用范围广，升级改造潜力巨大可塑性强，成本低，性价比高的优势，具有全面推广、适合对现运行钻机升级改造的潜力。

参考文献：

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