一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法与系统技术方案

本发明专利技术属于石油工程领域，具体地，涉及一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法与系统。全电驱动的井下安全阀，包括全电驱动的井下安全阀结构和全电驱动的井下安全阀控制系统。根据全电驱动的井下安全阀结构和全电驱动的井下安全阀控制系统，全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统建模方法包括建立永磁同步伺服无框电机运动模型、建立电磁制动器制动模型、建立安全阀结构模型、建立安全阀控制模型和建立全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统五个步骤，建立的全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统，包括永磁同步伺服无框电机运动模型，电磁制动器制动模型，中央模型计算模块，安全阀结构模型和安全阀控制模型。

【技术实现步骤摘要】
一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法与系统
本专利技术属于石油工程领域，具体地，涉及一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法与系统。
技术介绍
随着我国对油气资源开发力度的不断加大，各大油田面临越来越沉重的运营维护压力。科学技术的快速发展使大规模降低油田的运营维护成本成为可能。为此，国内外各油田均将数字化、智能化作为油田发展的主要方向之一。目前普遍采用液控式井下安全阀，该阀采用液压作为驱动力，存在操作程序复杂、控制响应时间长、缺乏传感器系统、难以实现智能化控制等缺点，不能满足智能化油田的发展需求。本单位申请的专利技术专利“一种全电驱动的井下安全阀”(申请号201910422782.0)涉及一种全电驱动的井下安全阀，它与液控井下安全阀相比具有全电驱动、电气化程度高等优点，同时，存在控制精度低、关键运动部件铁砂阻塞、井下状态感知能力差、缺乏智能化控制系统等缺点，亟待研究解决。
技术实现思路
为克服现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法与系统。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：全电驱动的井下安全阀结构，包括电子舱结构单元、传动控制结构单元、运动转换结构单元、磁耦合结构单元和阀门结构单元。传动控制结构单元，包括导电滑环内环、导电滑环外环、传动安装筒、无框电机安装板、永磁同步伺服无框电机转子、永磁同步伺服无框电机定子、无框电机安装筒、无框电机传动轴和示值扭矩限制器。导电滑环内环通过顶丝安装于无框电机传动轴，导电滑环外环通过底部螺栓孔安装于传动安装筒盖板，导电滑环内环和导电滑环外环之间有旋转电刷和轴承，固定的导电滑环外环和旋转运动的导电滑环内环可以通过电刷传递电力或者信号，无框电机安装筒通过过盈和粘结安装于传动安装筒，传动安装筒安装电机安装筒处下部有轴肩，永磁同步伺服无框电机定子通过粘结安装于无框电机安装筒，无框电机安装筒下端内部位置留有凸起阶梯，永磁同步伺服无框电机转子通过粘结安装于无框电机传动轴，无框电机传动轴安装永磁同步伺服无框电机转子处下部有轴肩，永磁同步伺服无框电机定子和永磁同步伺服无框电机转子构成一个完整的永磁同步伺服无框电机，无框电机安装板通过螺钉安装于无框电机安装筒，示值扭矩限制器通过花键安装于无框电机传动轴。运动转换结构单元，包括滚珠丝杠花键槽滑块、中空式轴承内置滚珠丝杠和内花键外压筒。滚珠丝杠花键槽滑块通过内部丝杠螺纹与中空式轴承内置滚珠丝杠的外部丝杠螺纹构成丝杠副，且滚珠丝杠花键槽滑块位于中空式轴承内置滚珠丝杠外部，通过外部花键槽与内花键外压筒内部的花键形成花键配合，用于实现滚珠丝杠花键槽滑块在中空式轴承内置滚珠丝杠驱动下做轴向直线运动。磁耦合结构单元，包括内磁耦合盖板、外磁耦合筒、内磁耦合流管、下部外耐压筒、磁环、磁环垫片、内磁耦合磁环保护筒、内磁耦合屏蔽镀层、外磁耦合屏蔽镀层、外磁耦合筒盖板、磁致伸缩位移传感器和弹簧力传感器。内磁耦合磁环保护筒为镍合金材料，安装于磁环和磁环垫片外部，与内磁耦合盖板和内磁耦合流管接触处做密封处理，三者形成密封舱，内磁耦合屏蔽镀层由内磁耦合流管与磁环相接触处的连续黄铜镀层和内磁耦合盖板与磁环相接触处的连续黄铜镀层组成，内磁耦合流管和内磁耦合盖板与内磁耦合磁环保护筒接触处没有黄铜镀层，内磁耦合流管上的连续黄铜镀层与内磁耦合盖板上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的，外磁耦合屏蔽镀层由外磁耦合筒与磁环相接触处的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板与磁环相接触处的连续黄铜镀层组成，外磁耦合筒上的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的，磁致伸缩位移传感器通过螺纹安装于下部外耐压筒的传感器安装孔处，弹簧力传感器通过粘结安装于下部外耐压筒的安装槽内。阀门结构单元，包括角度传感器和阀门阀板。角度传感器安装于阀门阀板的转动轴，通过电缆连接至井下数据采集模块。全电驱动的井下安全阀控制系统，包括安全阀井下控制单元和安全阀井上控制单元，二者通过电力线和光纤连接。其中，安全阀井下控制单元包括电机温度检测器、电机霍尔换相控制器和无框电机编码器。电机温度检测器通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子相连，通过信号线与控制与信息处理模块相连，电机霍尔换相控制器通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子相连，通过信号线与控制与数据处理模块相连，无框电机编码器在永磁同步伺服无框电机定子内部，通过信号线与井下数据收发模块相连。安全阀井上控制单元，包括三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器、伺服驱动器、井上数据采集模块、可编程逻辑控制器、井上数据收发模块和中央控制模块。三相变压器接入电网，通过电力线与输入电抗器相连，输入电抗器通过电力线与伺服驱动器相连，伺服驱动器通过电力线与正弦波滤波器相连，通过信号线与可编程逻辑控制器相连，正弦波滤波器通过电力线与永磁同步伺服无框电机定子相连，井上数据采集模块通过信号线分别与三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器和伺服驱动器相连，中央控制模块利用参数信息在其内部构建全电驱动的安全阀数字孪生控制系统，并从该系统发出控制命令。根据全电驱动的井下安全阀结构和全电驱动的井下安全阀控制系统，全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统建模方法包括以下步骤：步骤1：建立永磁同步伺服无框电机运动模型，具体为：利用井上数据采集模块采集到的三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器和伺服驱动器的电气参数，分别建立三相变压器电气模型、正弦波滤波器电气模型、输入电抗器电气模型和伺服驱动器控制模型，利用无框电机设备参数信息建立无框电机电气模型，将三相变压器电气模型、输入电抗器电气模型、正弦波滤波器电气模型、伺服驱动器控制模型和无框电机电气模型依次导入电气综合处理模型，形成无框电机电气控制模型，利用无框电机已知动力特性建立无框电机有限元动力模型，将无框电机有限元动力模型和无框电机电气控制模型导入无框电机模型整合模块，建立永磁同步伺服无框电机运动模型；步骤2：建立电磁制动器制动模型，具体为：利用电磁制动器继电器已知电气特性建立继电器电气控制模型，利用电磁制动器已知设备特性建立电磁制动器有限元电磁模型，将继电器电气控制模型和电磁制动器有限元电磁模型导入电磁制动器模型整合模块，建立电磁制动器制动模型；步骤3：建立安全阀结构模型，具体为：利用全电驱动的井下安全阀结构尺寸参数建立安全阀三维实体模型，利用井下数据采集模块采集到的井下环境参数建立环境参数数据库，利用全电驱动的井下安全阀结构设计参数和环境参数数据库建立安全阀有限元强度模型，利用磁耦合装置设计参数和环境参数数据库建立磁耦合有限元力学模型，利用全电驱动的井下安全阀结构传动设计参数建立组件间动力学传递模型，将安全阀三维实体模型、安全阀有限元强度模型、磁耦合有限元力学模型和组件间动力学传递模型导入安全阀结构模型整合模块，建立安全阀结构模型；步骤4：建立安全阀控制模型，具体为：利用井下安全阀历史运行数据建立历史运行数据库，利用专家决策方法建立专家决策数据库，利用安全阀设计参数建立设计参数数据库本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法及系统，其特征在于：/n传动控制结构单元，包括导电滑环内环、导电滑环外环、传动安装筒、无框电机安装板、永磁同步伺服无框电机转子、永磁同步伺服无框电机定子、无框电机安装筒和无框电机传动轴，导电滑环内环通过顶丝安装于无框电机传动轴，导电滑环外环通过底部螺栓孔安装于传动安装筒盖板，导电滑环内环和导电滑环外环之间有旋转电刷和轴承，固定的导电滑环外环和旋转运动的导电滑环内环可以通过电刷传递电力或者信号，无框电机安装筒通过过盈和粘结安装于传动安装筒，传动安装筒安装电机安装筒处下部有轴肩，永磁同步伺服无框电机定子通过粘结安装于无框电机安装筒，无框电机安装筒下端内部位置留有凸起阶梯，永磁同步伺服无框电机转子通过粘结安装于无框电机传动轴，无框电机传动轴安装永磁同步伺服无框电机转子处下部有轴肩，永磁同步伺服无框电机定子和永磁同步伺服无框电机转子构成一个完整的永磁同步伺服无框电机，无框电机安装板通过螺钉安装于无框电机安装筒；/n磁耦合结构单元，包括内磁耦合磁环保护筒、内磁耦合屏蔽镀层和外磁耦合屏蔽镀层，内磁耦合磁环保护筒为镍合金材料，安装于磁环和磁环垫片外部，与内磁耦合盖板和内磁耦合流管接触处做密封处理，三者形成密封舱，内磁耦合屏蔽镀层由内磁耦合流管与磁环相接触处的连续黄铜镀层和内磁耦合盖板与磁环相接触处的连续黄铜镀层组成，内磁耦合流管和内磁耦合盖板与内磁耦合磁环保护筒接触处没有黄铜镀层，内磁耦合流管上的连续黄铜镀层与内磁耦合盖板上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的，外磁耦合屏蔽镀层由外磁耦合筒与磁环相接触处的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板与磁环相接触处的连续黄铜镀层组成，外磁耦合筒上的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的；/n安全阀井下控制单元包括电机温度检测器、电机霍尔换相控制器和无框电机编码器，电机温度检测器通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子相连，通过信号线与控制与信息处理模块相连，电机霍尔换相控制器通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子相连，通过信号线与控制与数据处理模块相连，无框电机编码器在永磁同步伺服无框电机定子内部，通过信号线与井下数据收发模块相连；/n安全阀井上控制单元，包括三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器、伺服驱动器和可编程逻辑控制器，三相变压器接入电网，通过电力线与输入电抗器相连，输入电抗器通过电力线与伺服驱动器相连，伺服驱动器通过电力线与正弦波滤波器相连，通过信号线与可编程逻辑控制器相连，正弦波滤波器通过电力线与无框电机定子相连；/n全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统建模方法包括以下步骤：/n步骤1：建立永磁同步伺服无框电机运动模型，具体为：利用井上数据采集模块采集到的三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器和伺服驱动器的电气参数，分别建立三相变压器电气模型、正弦波滤波器电气模型、输入电抗器电气模型和伺服驱动器控制模型，利用无框电机设备参数信息建立无框电机电气模型，将三相变压器电气模型、输入电抗器电气模型、正弦波滤波器电气模型、伺服驱动器控制模型和无框电机电气模型依次导入电气综合处理模型，形成无框电机电气控制模型，利用无框电机已知动力特性建立无框电机有限元动力模型，将无框电机有限元动力模型和无框电机电气控制模型导入无框电机模型整合模块，建立永磁同步伺服无框电机运动模型；/n步骤2：建立电磁制动器制动模型，具体为：利用电磁制动器继电器已知电气特性建立继电器电气控制模型，利用电磁制动器已知设备特性建立电磁制动器有限元电磁模型，将继电器电气控制模型和电磁制动器有限元电磁模型导入电磁制动器模型整合模块，建立电磁制动器制动模型；/n步骤3：建立安全阀结构模型，具体为：利用全电驱动的井下安全阀结构尺寸参数建立安全阀三维实体模型，利用全电驱动的井下安全阀结构设计参数和环境参数数据库建立安全阀有限元强度模型，利用磁耦合装置设计参数和环境参数数据库建立磁耦合有限元力学模型，利用全电驱动的井下安全阀结构传动设计参数建立组件间动力学传递模型，将安全阀三维实体模型、安全阀有限元强度模型、磁耦合有限元力学模型和组件间动力学传递模型导入安全阀结构模型整合模块，建立安全阀结构模型；/n步骤4：建立安全阀控制模型，具体为：利用井下安全阀历史运行数据建立历史运行数据库，利用专家决策方法建立专家决策数据库，利用安全阀设计参数建立设计参数数据库，添加控制命令输入模块，安全阀运行控制模块参考历史运行数据库、专家决策数据库和设计参数数据库的数据同时接受控制命令输入模块的输入命令形成安全阀控制模型；/n步骤5：建立全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统，具体为：中央模型计算模块整合无框电机运动模型、电磁制动器制动模型和安全阀结构模型，进行参数运算，将结果信息输入...

【技术特征摘要】
1.一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法及系统，其特征在于：
传动控制结构单元，包括导电滑环内环、导电滑环外环、传动安装筒、无框电机安装板、永磁同步伺服无框电机转子、永磁同步伺服无框电机定子、无框电机安装筒和无框电机传动轴，导电滑环内环通过顶丝安装于无框电机传动轴，导电滑环外环通过底部螺栓孔安装于传动安装筒盖板，导电滑环内环和导电滑环外环之间有旋转电刷和轴承，固定的导电滑环外环和旋转运动的导电滑环内环可以通过电刷传递电力或者信号，无框电机安装筒通过过盈和粘结安装于传动安装筒，传动安装筒安装电机安装筒处下部有轴肩，永磁同步伺服无框电机定子通过粘结安装于无框电机安装筒，无框电机安装筒下端内部位置留有凸起阶梯，永磁同步伺服无框电机转子通过粘结安装于无框电机传动轴，无框电机传动轴安装永磁同步伺服无框电机转子处下部有轴肩，永磁同步伺服无框电机定子和永磁同步伺服无框电机转子构成一个完整的永磁同步伺服无框电机，无框电机安装板通过螺钉安装于无框电机安装筒；
磁耦合结构单元，包括内磁耦合磁环保护筒、内磁耦合屏蔽镀层和外磁耦合屏蔽镀层，内磁耦合磁环保护筒为镍合金材料，安装于磁环和磁环垫片外部，与内磁耦合盖板和内磁耦合流管接触处做密封处理，三者形成密封舱，内磁耦合屏蔽镀层由内磁耦合流管与磁环相接触处的连续黄铜镀层和内磁耦合盖板与磁环相接触处的连续黄铜镀层组成，内磁耦合流管和内磁耦合盖板与内磁耦合磁环保护筒接触处没有黄铜镀层，内磁耦合流管上的连续黄铜镀层与内磁耦合盖板上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的，外磁耦合屏蔽镀层由外磁耦合筒与磁环相接触处的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板与磁环相接触处的连续黄铜镀层组成，外磁耦合筒上的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的；
安全阀井下控制单元包括电机温度检测器、电机霍尔换相控制器和无框电机编码器，电机温度检测器通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子相连，通过信号线与控制与信息处理模块相连，电机霍尔换相控制器通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子相连，通过信号线与控制与数据处理模块相连，无框电机编码器在永磁同步伺服无框电机定子内部，通过信号线与井下数据收发模块相连；
安全阀井上控制单元，包括三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器、伺服驱动器和可编程逻辑控制器，三相变压器接入电网，通过电力线与输入电抗器相连，输入电抗器通过电力线与伺服驱动器相连，伺服驱动器通过电力线与正弦波滤波器相连，通过信号线与可编程逻辑控制器相连，正弦波滤波器通过电力线与无框电机定子相连；
全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统建模方法包括以下步骤：
步骤1：建立永磁同步伺服无框电机运动模型，具体为：利用井上数据采集模块采集到的三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器和伺服驱动器的电气参数，分别建立三相变压器电气模型、正弦波滤波器电气模型、输入电抗器电气模型和伺服驱动器控制模型，利用无框电机设备参数信息建立无框电机电气模型，将三相变压器电气模型、输入电抗器电气模型、正弦波滤波器电气模型、伺服驱动器控制模型和无框电机电气模型依次导入电气综合处理模型，形成无框电机电气控制模型，利用无框电机已知动力特性建立无框电机有限元动力模型，将无框电机有限元动力模型和无框电机电气控制模型导入无框电机模型整合模块，建立永磁同步伺服无框电机运动模型；
步骤2：建立电磁制动器制动模型，具体为：利用电磁制动器继电器已知电气特性建立继电器电气控制模型，利用电磁制动器已知设备特性建立电磁制动器有限元电磁模型，将继电器电气控制模型和电磁制动器有限元电磁模型导入电磁制动器模型整合模块，建立电磁制动器制动模型；
步骤3：建立安全阀结构模型，具体为：利用全电驱动的井下安全阀结构尺寸参数建立安全阀三维实体模型，利用全电驱动的井下安全阀结构设计参数和环境参数数据库建立安全阀有限元强度模型，利用磁耦合装置设计参数和环境参数数据库建立磁耦合有限元力学模型，利用全电驱动的井下安全阀结构传动设计参数建立组件间动力学传递模型，将安全阀三维实体模型、安全阀有限元强度模型、磁耦合有限元力学模型和组件...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡宝平，高春坦，刘永红，盛朝洋，张妍平，孔祥地，李文超，杨超，赵祎，纪仁杰，刘增凯，张彦振，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37