基于CAN總線的直燃式液氮泵車控制系統(tǒng)*

徐 強，王樹龍，劉海鯤，徐 剛

（渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

基于CAN總線的直燃式液氮泵車控制系統(tǒng)*

徐 強，王樹龍，劉海鯤，徐 剛

（渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

介紹了直燃式液氮泵車的組成和工作原理，設(shè)計一種基于CAN總線的液氮泵車控制系統(tǒng)。描述了控制系統(tǒng)與發(fā)動機ECU的CAN總線通訊的配置，并重點介紹控制系統(tǒng)中溫控器的組成、蒸發(fā)器的溫度控制原理。

液氮泵車；控制系統(tǒng)；總線

0 引言

液氮泵車是油氣開發(fā)過程中氮氣壓裂作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，氮氣壓裂作業(yè)時需要把低溫液氮加熱蒸發(fā)為常溫高壓氮氣輸出，液氮泵車配置的液氮蒸發(fā)器主要有余熱回收式和直燃式。余熱回收式液氮泵車一般排量較小，不能滿足大排量氮氣作業(yè)的要求；直燃式蒸發(fā)器以柴油為燃料，通過明火將蒸發(fā)器盤管內(nèi)的液氮加熱蒸發(fā)為氮氣，具有液氮蒸發(fā)排量大，工作壓力高、工作性能穩(wěn)定等特點[1]。

目前各油田使用的液氮泵車以進口的直燃式為主，價格昂貴且售后服務(wù)不便，而國內(nèi)能規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)很少。為此，中國石油渤海裝備制造有限公司研制了直燃式液氮泵車。

1 直燃式液氮泵車工作原理

直燃式液氮泵車主要由液氮－氮氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等幾部分組成。關(guān)鍵設(shè)備主要是液氮－氮氣系統(tǒng)的離心增壓泵、柱塞液氮泵、直燃蒸發(fā)器；動力系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)用于關(guān)鍵設(shè)備的驅(qū)動；控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)液氮泵車的安全、協(xié)調(diào)、最優(yōu)運行。

直燃式液氮泵車工作原理為：儲罐內(nèi)的液氮經(jīng)離心增壓泵增壓，增壓的作用是適當增高排入到柱塞液氮泵吸入端的液氮壓力，為正壓吸入；增壓后的液氮再由柱塞液氮泵壓縮為高壓液氮排入直燃蒸發(fā)器，最后直燃式蒸發(fā)器盤管內(nèi)液氮加熱蒸發(fā)為常溫高壓氮氣排出[2]。工作原理如圖1。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

壓裂作業(yè)過程中，控制系統(tǒng)需要采集安裝在不同設(shè)備上的壓力傳感器、溫度傳感器信號，同時還要獲得發(fā)動機的各項運行參數(shù)。發(fā)動機配置有CAN總線接口的ECU（Electronic Control Unit），控制系統(tǒng)可通過總線通訊獲得發(fā)動機的各項參數(shù)，考慮到泵車單車整體控制和以后車組聯(lián)合控制，控制系統(tǒng)采用基于CAN總線的分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過總線通訊實現(xiàn)液氮泵車的整體協(xié)調(diào)控制。

圖1 液氮泵車工作原理框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直燃式液氮泵車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)包括IQAN-MDM主控模塊、IQAN采集模塊、觸摸屏、發(fā)動機ECU、直燃蒸發(fā)器溫控器等。IQAN-MDM主控模塊是控制系統(tǒng)的主控制器，實現(xiàn)溫度、壓力等參數(shù)的運算處理、液氮流量累積、安全聯(lián)鎖等功能。IQAN采集模塊布置在各個設(shè)備的附近，就近采集安裝在設(shè)備上的溫度傳感器、壓力傳感器信號，可避免由MDM主控模塊直接采集導(dǎo)致信號電纜過長、且容易互相干擾的問題。應(yīng)用組態(tài)軟件設(shè)計觸摸屏人機交互界面，顯示采集模塊采集的溫度、壓力等參數(shù)，可設(shè)置壓力上限、溫度上下限等控制參數(shù)，超限時聲光報警提示，并保存報警記錄用于問題追溯。

2.2 增壓泵、液氮泵控制

動力系統(tǒng)包括輔助發(fā)動機和主發(fā)動機，輔助發(fā)動機直接驅(qū)動增壓泵的液力馬達，主發(fā)動機通過液力變矩器驅(qū)動液氮泵的液壓馬達[3]。控制系統(tǒng)通過控制液力馬達的比例電磁鐵的電流大小實現(xiàn)對液氮的流量和壓力控制。

以增壓泵的控制為例：根據(jù)面板增壓泵電位器的速度給定，控制系統(tǒng)改變輸出給液壓馬達的比例電磁鐵的電流，比例電磁鐵的電流大小決定了增壓泵的排出流量。

圖3 增壓泵的控制

2.3 J1939通訊

發(fā)動機ECU的CAN接口與控制系統(tǒng)的總線連接，通過J1939協(xié)議與控制系統(tǒng)的主控制器IQAN-MDM通訊。J1939是用于中重型道路車輛內(nèi)部各個電控單元間實現(xiàn)控制功能的高速通信標準，以CAN2.0B為基礎(chǔ)。

控制系統(tǒng)按照J1939協(xié)議的格式，以通道的方式與發(fā)動機ECU通訊，不用專門編寫通訊程序。通過對模塊的J1939各種類型的輸入、輸出、診斷等通道組態(tài)，與發(fā)動機的PGN（參數(shù)群）相映射，可獲得發(fā)動機組的工作參數(shù)、發(fā)動機組的故障診斷信息。配置見圖4。

2.4 直燃蒸發(fā)器溫控器設(shè)計

高壓液氮在直燃蒸發(fā)器的盤管內(nèi)加熱蒸發(fā)為高壓氮氣[2]。燃燒過程中，如依靠操作人員手動溫度控制容易導(dǎo)致溫度波動，更為嚴重的是蒸發(fā)器內(nèi)的溫度失控會造成設(shè)備事故和人身事故，保證安全燃燒并實現(xiàn)溫度自動控制是控制系統(tǒng)的一項重要內(nèi)容。因此單獨設(shè)計了溫度控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)具有點火、火焰檢測、熄火切斷、熄火報警、自動溫控等功能。圖5為溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

（1）安全性

圖4 控制系統(tǒng)J1939通訊組態(tài)

溫控系統(tǒng)配置紫外線火焰檢測器，可檢測直燃蒸發(fā)內(nèi)燃燒火焰的紫外光，而對燈光和蒸發(fā)器高溫輻射無反應(yīng)，抗干擾性強。點火后設(shè)定時間內(nèi)沒有檢測到火焰或燃燒過程中檢測到火焰意外熄滅，系統(tǒng)自動關(guān)閉燃料閥，停止送油，防止未燃燒柴油泄漏到蒸發(fā)器內(nèi)[4-5]，同時繼續(xù)送風(fēng)，吹掃蒸發(fā)器內(nèi)霧化的柴油，避免下次點火時發(fā)生意外事故?；鹧娓袘?yīng)裝置檢測信號反饋到溫控系統(tǒng)，異常熄滅后及時聲光報警，提高直燃式蒸發(fā)器的安全性。

圖5 溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

（2）溫度自動控制

溫度控制通過控制點火閥和流量比例閥實現(xiàn)。點火時，由點火變壓器觸發(fā)線圈點燃燃料，燃料由點火閥控制，點火的燃料量不可調(diào)節(jié)。輸出氮氣溫度的控制主要是通過控制流量比例閥的開度，調(diào)節(jié)燃料流量，改變燒嘴燃燒功率來實現(xiàn)。

溫控系統(tǒng)有一定的滯后時間，為減小控制過程中溫度的波動，提高溫控的穩(wěn)定性，溫度控制采用前饋-反饋控制的復(fù)合控制。根據(jù)液氮流量與加熱所需燃料的關(guān)系規(guī)律，作為前饋控制加入到溫控系統(tǒng)流量比例閥的給定，延時后測量出口氮氣溫度，加入PI反饋控制，調(diào)節(jié)流量比例閥開度來調(diào)整供給燃油量，同時按比例調(diào)節(jié)空氣流量，保證燃油充分燃燒，最終實現(xiàn)蒸發(fā)器出口氮氣溫度自動控制。圖6為溫度控制原理圖。

圖6 溫度控制原理圖

3 結(jié)束語

國內(nèi)對液氮泵車的研制還處于起步階段，與發(fā)達國家有差距，隨著國內(nèi)對液氮泵車需求量的增加，研發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的液氮裝備，實現(xiàn)國產(chǎn)化已經(jīng)迫在眉睫。該液氮泵車已順利完成現(xiàn)場作業(yè)任務(wù)，現(xiàn)場應(yīng)用中設(shè)備出現(xiàn)的問題將近一步完善。

［1］何霞，王德貴.淺析液氮泵車的國內(nèi)外現(xiàn)狀［J］.石油礦場機械，2011，40（6）：11-14.

［2］鐘明軍.國產(chǎn)大排量直燃式液氮泵車的研制與試驗［J］.石油天然氣學(xué)報，2011（8）：158-160.

［3］李秉躍，白明偉.ANS180-10-T型液氮泵車改造［J］.石油礦場機械，2010（7）：90-94.

［4］胡浩，閆英敏，陳永利.基于CAN總線技術(shù)的車門控制系統(tǒng)［J］.機電工程，2012（11）：1280-1285.

［5］王永勝，周入鋼.840K型直燃式液氮泵車的開發(fā)及應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2009（8）：57-58.

The Control System of Liquid Nitrogen Pump Truck with Direct Fired Vaporizer Based on CAN Bus

XU Qiang，WANG Shu-long，LIU Hai-kun，XU Gang
（CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Tianjin300457，China）

This paper introduces the composition and principle of liquid nitrogen pump truck with direct fired vaporizer，and designed a control system of liquid nitrogen pump based on CAN bus.The paper also describes the configuration of control system and engine’s ECU based CAN bus，and introduces the composition of temperature controller and the temperature control principle of direct fired vaporizer.

liquid nitrogen pump truck；control system；bus

TE934

A

1009－9492(2014)08－0001－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.001

徐 強，男，1976年生，山東萊州人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：電氣系統(tǒng)控制及自動化設(shè)計、研發(fā)。已發(fā)表論文10篇。 (編輯：阮 毅)

*國家科技重大專項項目子課題（編號：2008ZX05037－002）

2014－03－14