CN207375644U - 智能天车保护装置以及智能天车保护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种智能天车保护装置以及智能天车保护系统，涉及石油钻探工程技术领域，以缓解现有技术中的天车保护装置存在的安全系数较低的问题，能够提高安全系数。该保护装置包括：绞车编码器、外壳和位于外壳内部的主控制器、BOP连锁装置以及辅助刹车控制器，绞车编码器、BOP连锁装置和辅助刹车控制器分别与主控制器相连接；外壳用于防护；主控制器用于接收数据和发送指令；绞车编码器用于采集绞车的运行状态数据，并将运行状态数据发送至主控制器；BOP连锁装置用于监测BOP的状态，并将BOP的状态发送至主控制器；辅助刹车控制器用于控制辅助刹车的投入及脱出，以实现游车速度的柔性控制。

Description

智能天车保护装置以及智能天车保护系统

技术领域

本实用新型涉及石油钻采设备技术领域，尤其是涉及一种智能天车保护装置以及智能天车保护系统。

背景技术

石油钻采设备中钻机或修井机的提升系统由绞车、天车、游车及钢丝绳组组成。在钻井过程中，需要频繁进行上提和下放作业，如果操作不当，游车速度过快造成惯性过大，或者刹车不及时，就会造成游车顶撞天车，或者下砸撞坏顶驱及钻台设备，或者在BOP关闭情况下上提绞车而造成拉断钻杆钻具的严重事故发生。

目前，现有的天车保护装置大多采用机械防碰的方式对天车进行保护，在实际使用过程中，对游车运行速度带来的影响考虑不足，由于游车高速运行所均有的巨大惯性，如果刹车高度过大，将不能保证刹车距离，刹车高度过低，将影响设备的正常使用。同时，由于巨大的惯性，在高速情况的下突然刹车，会造成绞车滚筒大绳跳乱问题，直接影响设备使用，也会造成井架乃至平台剧烈晃动，对井架设备及钻台作业人员安全形成隐患。

综上所述，传统的天车保护装置可能对工作人员造成人身危害的安全隐患，存在安全系数较低的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种智能天车保护装置以及智能天车保护系统，以缓解现有技术中传统的天车保护装置存在的安全系数较低的问题，能够提高安全系数。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种智能天车保护装置，包括：绞车编码器、BOP连锁装置、辅助刹车控制器、外壳和位于所述外壳内部的主控制器，所述绞车编码器、所述BOP连锁装置和所述辅助刹车控制器分别与所述主控制器相连接；其中，

所述外壳用于对所述主控制器进行防护；

所述主控制器用于接收数据和发送指令；

所述绞车编码器用于采集绞车的运行状态数据，并将所述绞车的运行状态数据发送至所述主控制器；

所述BOP连锁装置用于监测BOP的状态，并将所述BOP的状态发送至所述主控制器；

所述辅助刹车控制器用于控制辅助刹车的投入及脱出，以实现游车速度的柔性控制。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，该智能天车保护装置还包括绞车刹车控制套件，所述绞车刹车控制套件与所述主控制器相连接，所述绞车刹车控制套件通过电缆连接至绞车主刹车，用于在紧急情况下投入所述绞车主刹车实现紧急制动。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，该智能天车保护装置还包括钻机电控接口包，所述钻机电控接口包与所述主控制器相连接，所述钻机电控接口包用于外接绞车电控系统，以实现在危险情况下强制切断绞车动力源。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，该智能天车保护装置还包括显示器，所述显示器与所述主控制器相连接；所述显示器用于进行参数设置和显示，所述显示器采用触摸显示屏。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述主控制器采用ESS3050控制芯片。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述绞车编码器为旋转编码器。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述绞车编码器采用增量型旋转编码器。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述绞车编码器设置在所述绞车的主滚筒上。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，该智能天车保护装置还包括还包括不间断供电电源，所述不间断供电电源与所述主控制器相连接，所述不间断供电电源用于为所述主控制器提供工作电压。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种智能天车保护系统，包括报警器和第一方面及其可能的实施方式中任一项所述的智能天车保护装置，所述报警器与所述智能天车保护装置相连接。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例提供的智能天车保护装置以及智能天车保护系统中，其中，该智能天车保护装置包括：绞车编码器、BOP连锁装置、辅助刹车控制器、外壳和位于所述外壳内部的主控制器，所述绞车编码器、所述BOP连锁装置和所述辅助刹车控制器分别与所述主控制器相连接；其中，所述外壳用于对所述主控制器进行防护；所述主控制器用于接收数据和发送指令；所述绞车编码器用于采集绞车的运行状态数据，并将所述绞车的运行状态数据发送至所述主控制器；所述BOP连锁装置用于监测BOP的状态，并将所述BOP的状态发送至所述主控制器；所述辅助刹车控制器用于控制辅助刹车的投入及脱出，以实现游车速度的柔性控制。因此，本实用新型实施例提供的技术方案中，通过设置绞车编码器实现对绞车运行状态数据的实时采集，从而达到主控制器对游车的运行方向、运行高度和运行速度的精确监控；通过辅助刹车控制器控制辅助刹车的投入及脱出，以实现对游车速度的柔性控制；通过BOP连锁装置实现防喷器状态监测；当防喷器关闭后，通过钻机电控接口包，强制切断绞车动力源，禁止上提钻具，防止拉断钻杆的事故发生。相比于传统的机械式的天车保护方式，本使用新型实施例提供的智能天车保护装置通过绞车编码器实现对游车运行速度和高度的实时监控，并根据游车的惯性在不同的高度设置不同的速度限制，当游车速度及高度临近限值时，主控制器向辅助刹车控制器发出投入指令，由辅助刹车控制器控制投入辅助刹车(例如涡磁刹车)进行降速，实现对游车速度的柔性控制，保证游车在接近高限点时速度永远在可控范围内，解决绞车突然制动造成的跳乱大绳和由于惯性造成刹车距离过大的问题。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一提供的一种智能天车保护装置的外观示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的一种智能天车保护装置的示意图；

图3为本实用新型实施例二提供的另一种智能天车保护装置的示意图；

图4为本实用新型实施例三提供的一种智能天车保护系统的结构框图；

图5为本实用新型实施例三提供的一种智能天车保护系统的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前，现有的天车保护装置大多采用机械式的方式对天车进行保护，在实际使用过程中，对游车运行速度带来的影响考虑不足，由于游车高速运行所均有的巨大惯性，如果刹车高度过大，将不能保证刹车距离，刹车高度过低，将影响设备的正常使用。同时，由于巨大的惯性，在高速情况的下突然刹车，会造成绞车滚筒大绳跳乱问题，直接影响设备使用，也会造成井架乃至平台剧烈晃动，对井架设备及钻台作业人员安全形成隐患，存在安全系数较低的问题。基于此，本实用新型实施例提供的一种智能天车保护装置和智能天车保护系统，以缓解现有技术中的天车保护装置可能对工作人员造成人身危害的安全隐患，存在安全系数较低的问题。能够提高安全系数。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种智能天车保护装置进行详细介绍。

实施例一：

参见图1和图2，本实用新型实施例提供了一种智能天车保护装置，可广泛应用于各种带井架的钻修井钻机中，该智能天车保护装置包括：绞车编码器2、BOP连锁装置3、辅助刹车控制器4、外壳100和位于上述外壳内部的主控制器1；上述绞车编码器、上述BOP连锁装置和上述辅助刹车控制器分别与上述主控制器相连接。

BOP连锁装置安装在储能器或BOP控制盘上，它实时监测BOP的状态。BOP连锁装置通过电缆与主控制器连接，它将监测到的BOP开关信号或压力信号实时传送至主控器；当主控制器接收到防喷器关闭的信号后，通过钻机电控接口包，强制切断绞车动力源，禁止上提钻具，防止拉断钻杆的事故发生。

辅助刹车控制器安装在钻机上现有的辅助刹车系统控制柜内，它通过简单的电路改造与现有的辅助刹车控制系统融为一体，对辅助刹车控制系统的正常工作不会产生任何影响。当游车速度及高度临近限值时，主控制器向辅助刹车控制器发出投入指令，由辅助刹车控制器控制投入辅助刹车进行降速，实现对游车速度的柔性控制。

其中，上述外壳用于对上述主控制器进行防护。

进一步的是，上述外壳采用不锈钢材质，该外壳具有防尘、防水等功能，能够保护内部核心控制器件，包括主控制器、各种器件，上述外壳上设置有输入输出接口排101。

上述主控制器用于接收数据和发送指令。

具体的，上述主控制器作为控制核心，该装置的一切保护指令均由主控制器发出，主控制器内嵌入有先进的、经过了充足现场应用验证的算法程序。例如主控制器能够根据游车的惯性在不同的高度设置不同的速度限值(主控制器预先存储有游车高度与速度限值的对应关系)，当游车速度超过速度限值时，主控制器向辅助刹车控制器发送控制指令，由辅助刹车控制器控制投入辅助刹车进行降速，实现对游车速度的柔性控制。

主控制器包括多个I/O接口模块，可用于接收和发送数据以及接收或者发送指令，从而实现对游车及天车的有效保护控制。

进一步的是，上述主控制器采用ESS3050控制芯片。

上述绞车编码器用于采集绞车的运行状态数据，并将上述绞车的运行状态数据发送至上述主控制器。

具体的，绞车编码器设置在绞车上，绞车编码器用于实时采集绞车的运行状态数据，其中运行状态数据包括绞车的运行方向、运行高度和运行速度数据，并将采集的上述运行状态数据传输至主控制器，由于绞车的运行状态数据可以反应游车的运行状态，因此通过绞车编码器能够实现主控制器对游车运行状态的实时监控。

进一步的是，上述绞车编码器为旋转编码器。

优选的是，上述绞车编码器采用增量型旋转编码器。

进一步的是，绞车编码器设置在绞车的主滚筒上或者滚筒的主轴上，与滚筒和绞车共同旋转，滚筒旋转一周，绞车编码器输出固定数量的脉冲，编码器输出的脉冲信号传输至主控制器，由高速计数器进行计数。旋转编码器的正反转确定绞车的运行方向，脉冲的数量，标识绞车的运行高度，单位时间内的脉冲的数量来表示绞车的运行速度。具体的，绞车编码器安装在绞车的主滚筒气水龙头侧，从而精确的确定游车的运行方向、运行高度和运行速度。

上述BOP连锁装置用于监测BOP的状态，并将上述BOP的状态发送至上述主控制器。

BOP((Blow-Out Preventer，防喷器)连锁装置将BOP的状态反馈至控制器，以实现防喷器—钻机连锁功能。BOP连锁装置与防喷器连锁，当防喷器关闭后，通过钻机电控接口包，强制切断绞车动力源，禁止上提钻具，防止拉断钻杆的事故发生，通过增加钻井防喷器连锁功能，解决了防喷器关闭后上提游车造成的拉断钻具的问题。

下面对防喷器做一简要说明。

防喷器是用于试油、修井、完井等作业过程中关闭井口，防止井喷事故发生，将全封和半封两种功能合为一体，具有结构简单，易操作，耐高压等特点，是油田常用的防止井喷的安全密封井口装置。石油钻井时，安装在井口套管头上，用来控制高压油、气、水的井喷装置。在井内油气压力很高时，防喷器能把井口封闭。从钻杆内压入重泥浆时，其闸板下有四通，可替换出受气侵的泥浆，增加井内液柱的压力，以压住高压油气的喷出。

上述辅助刹车控制器用于控制辅助刹车的投入及脱出，以实现游车速度的柔性控制。

进一步的，上述辅助刹车可以是水刹车、伊顿WCB辅助刹车或者涡磁刹车的任意一种；本实施例中采用涡磁刹车作为辅助刹车。

具体的，辅助刹车控制器接收主控制器的发送的控制指令，能够及时控制辅助刹车的投入及脱出，使游车的行进预减速到可控范围，做到真正的软停止。

本实用新型实施例提供的智能天车保护装置，以ESS3050主控制器为控制核心，采用旋转编码器作为游车运行速度及高度的检测传感器，实现对游车高度和运行速度的实时监测；引入辅助刹车控制器控制辅助刹车实现对游车速度的柔性控制，有效解决绞车突然制动造成的滚筒大绳跳乱问题；增加钻井防喷器连锁功能，解决防喷器动作后上提游车造成的拉断钻具问题。该装置经过了反复试验，能够准确、及时、有效地针对游车在上提下放过程中可能遇到的各种危险状况，对天车做出最合理的预防保护措施，对天车起到很好的保护作用，提高了安全系数。此外，该装置具有可靠性高、操作性强、使用简单、易维护等优点。

实施例二：

参见图3，在实施例一的基础上，本实用新型实施例提供了另一种智能天车保护装置，该智能天车保护装置还包括：绞车刹车控制套件5。

上述绞车刹车控制套件与上述主控制器相连接，上述绞车刹车控制套件通过电缆连接至绞车主刹车，用于在紧急情况下投入上述绞车主刹车实现紧急制动。

这里的主刹车选用通常由刹车盘、刹车钳和液压站组成的盘式刹车。

具体的，绞车刹车控制套件包括输入接口和输出接口，绞车刹车控制套件的输入接口与所速主控制器的I/O接口模块的输出接口相连接，绞车刹车控制套件的输出接口通过电缆连接至绞车主刹车，可在危险情况下(例如游车达到最大高度限值位置或者最高速度限值时)控制绞车主刹车自动投入，有效避免顶碰天车及顿钻等恶性事故的发生。

进一步的，该装置智能天车保护还包括钻机电控接口包6，上述钻机电控接口包与上述主控制器相连接，上述钻机电控接口包用于外接绞车电控系统，以实现在危险情况下强制切断绞车动力源。

考虑到现有的人机界面形式简单，参数监测及操作使用极不方便；进一步的是，该智能天车保护装置还包括显示器7，上述显示器与上述主控制器相连接；上述显示器用于进行参数设置和显示。

具体的，上述显示器与上述主控制器以通讯的方式连接，从而实现人机交互，显示器接收主控制器传来的数据进行显示，并把标定的数据及操作人员设定的功能发送回主控制器，从而实现对天车的有效保护。

进一步的是，上述显示器采用触摸显示屏，在本实施例中，显示器采用液晶触摸显示屏。

具体的，上述显示器通过屏幕上的图文显示及设定菜单很方便地对进行传感器标定、保护高度的设定、游车高度的校准、传感器参数设置等。触摸显示屏可图文显示游车高度、速度、防喷器状态等关键参数。

优选的是，该智能天车保护装置还包括不间断供电电源(未示于图中)，上述不间断供电电源与上述主控制器相连接，上述不间断供电电源用于为上述主控制器提供工作电压。

进一步的，上述不间断供电电源包括主回路电源和应急回路电源，上述主回路电源和上述应急回路电源之间设置自动转换开关(ATS)，上述主电源由钻机上的主发电机提供，上述应急回路电源由钻机上应急发电机提供。通过自动转换开关在主回路电源和应急回路电源之间自动切换，实现供电电源的不间断供电，从而保证了设备的正常稳定运行。

本实施例提供的一种智能天车保护装置，通过绞车编码器实现对游车运行状态数据的实时采集监控，并根据游车的惯性在不同的高度设置不同的速度限值，当游车速度超过速度限值时，主控制器通过辅助刹车控制器控制投入涡磁刹车或辅助刹车进行降速，实现对游车速度的柔性控制，保证游车在接近极限(高度限制点)时速度永远在可控范围内，解决绞车突然制动造成的跳乱大绳和由于惯性造成刹车距离过大的问题；BOP连锁装置与防喷器连锁，当防喷器关闭后，通过钻机电控接口包，强制切断绞车动力源禁止上提钻具，防止拉断钻杆的事故发生。

实施例三：

考虑到现有的天车保护装置缺少游车运行状态预警及报警功能，不能提醒操作人员，不能及时对危险状况作出判断的情况，因此本实用新型实施例提供的智能天车保护系统，参照图4和图5，该智能天车保护系统包括报警器300和前述实施例任一项提及的智能天车保护装置400，上述报警器与上述智能天车保护装置相连接。

具体的，上述报警器与上述主控制器电连接，在显示器功能取消、超速、及超出设定的保护高度时进行报警，提醒操作人员注意。这里需要指出的是，报警器和显示器可以设置在上述外壳内部，也可以作为独立的单元安装在外壳的外部，具体位置根据实际需求(例如考虑远近距离或者操作方便角度考虑)设置，报警器与显示器相互配合，显示器上设置有功能取消开关，在接钻头或强行起下钻时打开，智能天车保护装置的保护功能会暂时取消，主控制器给报警器发出指令，发出间歇发出声光报警提醒操作者。

进一步的，上述报警器采用声光报警器，具体的，本实施例采用可安装于防爆区域使用的防爆声光报警器。

本实施例提供的智能天车保护系统，通过对平台现有设备的整合利用，从而实现对游车及天车的有效保护控制。具体的，该系统以ESS3050主控制器为控制核心，以触摸显示屏作为人机界面，采用旋转编码器作为游车运行速度及高度的检测传感器，实现对游车高度和运行速度的实时监测。并引入辅助刹车实现对游车速度的柔性控制，有效解决绞车突然制动造成的滚筒大绳跳乱问题。增加钻井防喷器连锁功能，解决防喷器关闭后上提游车造成的拉断钻具问题。同时增加游车速度预警功能，分段设置报警值，由报警器提示操作人员，例如当游车速度和高度超过高度限值时，通过报警器进行报警提示，便于操作人员采取相应措施，进一步增强了安全性；游车即将达到高限位置时，先投入辅助刹车对绞车进行预减速；在游车到达高限位置后，强制控制绞车主刹车自动投入，有效避免顶碰天车及顿钻等恶性事故的发生；该系统经过了反复试验，能够准确、及时、有效地针对游车在上提下放过程中可能遇到的各种危险状况，对天车做出最合理的预防保护措施，对天车起到很好的保护作用，具有可靠性高、操作性强、使用简单、易维护等优点。

本实用新型实施例提供的智能天车保护系统，与上述实施例提供的智能天车保护装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种智能天车保护装置，其特征在于，包括：绞车编码器、BOP连锁装置、辅助刹车控制器、外壳和位于所述外壳内部的主控制器，所述绞车编码器、所述BOP连锁装置和所述辅助刹车控制器分别与所述主控制器相连接；其中，

所述外壳用于对所述主控制器进行防护；

所述主控制器用于接收数据和发送指令；

所述绞车编码器用于采集绞车的运行状态数据，并将所述绞车的运行状态数据发送至所述主控制器；

所述BOP连锁装置用于监测BOP的状态，并将所述BOP的状态发送至所述主控制器；

所述辅助刹车控制器用于控制辅助刹车的投入及脱出，以实现游车速度的柔性控制。

2.根据权利要求1所述的智能天车保护装置，其特征在于，还包括绞车刹车控制套件，所述绞车刹车控制套件与所述主控制器相连接，所述绞车刹车控制套件通过电缆连接至绞车主刹车，用于在紧急情况下投入所述绞车主刹车实现紧急制动。

3.根据权利要求1所述的智能天车保护装置，其特征在于，还包括钻机电控接口包，所述钻机电控接口包与所述主控制器相连接，所述钻机电控接口包用于外接绞车电控系统，以实现在危险情况下强制切断绞车动力源。

4.根据权利要求1所述的智能天车保护装置，其特征在于，还包括显示器，所述显示器与所述主控制器相连接；所述显示器用于进行参数设置和显示，所述显示器采用触摸显示屏。

5.根据权利要求1所述的智能天车保护装置，其特征在于，所述主控制器采用ESS3050控制芯片。

6.根据权利要求1所述的智能天车保护装置，其特征在于，所述绞车编码器为旋转编码器。

7.根据权利要求6所述的智能天车保护装置，其特征在于，所述绞车编码器采用增量型旋转编码器。

8.根据权利要求1所述的智能天车保护装置，其特征在于，所述绞车编码器设置在所述绞车的主滚筒上。

9.根据权利要求1所述的智能天车保护装置，其特征在于，还包括不间断供电电源，所述不间断供电电源与所述主控制器相连接，所述不间断供电电源用于为所述主控制器提供工作电压。

10.一种智能天车保护系统，其特征在于，包括报警器和如权利要求1-9任一项所述的智能天车保护装置，所述报警器与所述智能天车保护装置相连接。