機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)柴油機(jī)節(jié)油控制器的設(shè)計(jì)

李浩光，馬睿

（1.中國(guó)石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng)257061；2.中油管道機(jī)械制造有限公司，河北 廊坊065000）

石油鉆井的能耗直接關(guān)系到油田的生產(chǎn)效益。鉆機(jī)是鉆井的重要設(shè)備，國(guó)內(nèi)鉆機(jī)主要有兩種類型：以柴油機(jī)為動(dòng)力的機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)。由于電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)尚未全面普及，機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)仍然占據(jù)相當(dāng)?shù)谋壤Ｒ詣倮吞锊澈ｃ@井總公司為例，現(xiàn)有柴油動(dòng)力鉆機(jī)約50套，每套鉆機(jī)配備3臺(tái)PZ12V190B型柴油機(jī)，主要規(guī)格參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速為1 500r／min；額定功率為882kW；柴油機(jī)燃油消耗量為150L／h，合計(jì)86t／m，該公司柴油消耗達(dá)3億元／天。因此，加強(qiáng)技術(shù)改造、降低燃油消耗率，降低鉆井費(fèi)用是迫切需要的，也是節(jié)能降耗、挖潛增效的主要途徑。

1 工作原理

柴油動(dòng)力鉆機(jī)以柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，經(jīng)動(dòng)力傳遞裝置，拖動(dòng)井場(chǎng)大功率負(fù)荷設(shè)備，如：絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵等。據(jù)測(cè)算，在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中，起下鉆帶來(lái)的下放鉆具時(shí)間約占整個(gè)鉆井時(shí)間的11%。起下鉆過(guò)程中，絞車是柴油機(jī)的主要負(fù)荷設(shè)備，圖1所示為絞車升、降鉆桿時(shí)的負(fù)荷特性關(guān)系。

式中：P絞——特性絞車功率，kW；M絞——扭矩，N·m；n——轉(zhuǎn)速，r／min。

可見絞車在起鉆過(guò)程中，前57s提升鉆桿時(shí)，M絞較大，速度也較高，絞車所需功率P絞較大；但是在卸扣和排放鉆桿時(shí)速度比提升扭矩時(shí)低，只有提升鉆具時(shí)的一半，絞車所需功率較低，約占整個(gè)起鉆時(shí)間的33.3%。下鉆時(shí)空鉤提升時(shí)，絞車所需功率較大，而接鉆桿上扣、下鉆時(shí)，絞車所需功率較低，約占下鉆時(shí)間的71.4%。為保證柴油機(jī)重載時(shí)不息火，目前機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)柴油機(jī)的油門基本采用手動(dòng)控制，不論負(fù)載輕重，都工作在1 300r／min，存在大馬拉小車現(xiàn)象，造成燃油浪費(fèi)。

圖1 鉆桿升降負(fù)荷特性示意

針對(duì)鉆井用柴油機(jī)起鉆、下鉆過(guò)程中，柴油機(jī)始終高速運(yùn)行，一半時(shí)間存在大馬拉小車，造成燃油浪費(fèi)的問(wèn)題，筆者在分析機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)柴油機(jī)扭矩速度特性及噴油速度特性的基礎(chǔ)上，研制了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）TMS320F2812的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的節(jié)能控制系統(tǒng)，通過(guò)安裝在絞車主軸處扭矩轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)絞車轉(zhuǎn)速和扭矩，DSP根據(jù)計(jì)算得到的絞車功率，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，降低了油耗。

2 系統(tǒng)控制方案可行性分析

為便于確定控制方案的可行性，首先對(duì)鉆井用190型柴油機(jī)運(yùn)行曲線進(jìn)行分析，如圖2所示，反映了柴油機(jī)功率Pe、扭矩Me每小時(shí)燃油消耗量qm隨轉(zhuǎn)速n的變化關(guān)系。由圖2a）可以看出，柴油機(jī)的Me－n特性曲線在800～1 500r／min這段區(qū)間內(nèi)非常平坦，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)改變柴油機(jī)n時(shí)，柴油機(jī)Me基本不變；而圖2b）中柴油機(jī)的qm－n特性曲線可以看出，qm隨n的升高而增大；由圖2c）中柴油機(jī)的Pe－n特性曲線可以看出，柴油機(jī)的Pe隨n的升高而增大，說(shuō)明柴油機(jī)Pe和qm均隨n升高而升高，在起下鉆過(guò)程中，柴油機(jī)的負(fù)載主要是絞車，尤其是絞車在空鉤下行時(shí)，處于輕載狀態(tài)，如果柴油機(jī)工作在1 300r／min，存在大馬拉小車的情況，如果根據(jù)絞車所需的功率來(lái)改變柴油機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，降低柴油機(jī)輸出的功率，來(lái)降低油耗，可以達(dá)到節(jié)能的目的。

圖2 柴油機(jī)的特性曲線

3 柴油機(jī)節(jié)油控制器的總體結(jié)構(gòu)

如圖3所示，系統(tǒng)通過(guò)安裝在絞車軸上的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器判斷絞車的扭矩及轉(zhuǎn)速，并將絞車扭矩及轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送至DSP的模擬量輸入口；1，2，3號(hào)測(cè)速探頭分別通過(guò)45°角形支架安裝在3臺(tái)柴油機(jī)的主軸齒輪處，用來(lái)測(cè)量3臺(tái)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速；1，2，3號(hào)柴油機(jī)電子油門安裝在3臺(tái)柴油機(jī)的油門處，油門拉線與柴油機(jī)油門操縱桿相連，DSP控制油門驅(qū)動(dòng)器的伸長(zhǎng)和縮短來(lái)控制油門拉線，進(jìn)而調(diào)節(jié)油門大小；DSP控制板及電動(dòng)油門直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路安裝在控制箱內(nèi)，絞車扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、柴油機(jī)測(cè)速探頭、電子油門驅(qū)動(dòng)器分別通過(guò)航空插頭與控制柜相連。控制箱安裝在司鉆房?jī)?nèi)，方便司鉆操作。

圖3 鉆井用柴油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)示意

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 絞車扭矩轉(zhuǎn)速傳感器及其信號(hào)傳送電路

在彈性軸的兩端安裝有2只信號(hào)齒輪，在2齒輪的上方各裝有1組信號(hào)線圈，在信號(hào)線圈內(nèi)均裝有磁鋼，與信號(hào)齒輪組成磁電信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)信號(hào)齒輪隨彈性軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于信號(hào)齒輪的齒頂及齒谷交替周期性地掃過(guò)磁鋼的底部，使氣隙磁導(dǎo)產(chǎn)生周期性的變化，線圈內(nèi)部的磁通量亦產(chǎn)生周期性變化，使線圈中感生出近似正弦波的交流電信號(hào)。這2組交流電信號(hào)的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，因而可以用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。這2組交流電信號(hào)之間的相位與其安裝的相對(duì)位置及彈性軸所傳遞扭矩的大小及方向有關(guān)。當(dāng)彈性軸不受扭時(shí)，2組交流電信號(hào)之間的相位差只與信號(hào)線圈及齒輪的安裝相對(duì)位置有關(guān)，該相位差一般稱為初始相位差。在設(shè)計(jì)制造時(shí)，使其相差半個(gè)齒距左右，即2組交流電信號(hào)之間的初始相位差在180°左右。在彈性軸受扭時(shí)，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，使2組交流電信號(hào)之間的相位差發(fā)生變化，在彈性變形范圍內(nèi)，相位差變化的絕對(duì)值與扭矩的大小成正比。由扭矩傳感器輸出的扭矩及轉(zhuǎn)速值經(jīng)式（1）計(jì)算后得到絞車輸出功率。

4.2 油門驅(qū)動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電子線性油門驅(qū)動(dòng)器常用于工程機(jī)械的大型柴油機(jī)的油門電子調(diào)速控制，圖4為油門驅(qū)動(dòng)器安裝示意圖，采用柔性軟軸連接方式，電子油門通過(guò)油門拉線與柴油機(jī)油門操縱桿相連，控制電子油門推桿伸長(zhǎng)和縮短，控制柴油機(jī)油門操縱桿，進(jìn)而調(diào)節(jié)油門開度。筆者選用的油門驅(qū)動(dòng)器行程為100mm，可以滿足柴油機(jī)油門從最小轉(zhuǎn)速到最大轉(zhuǎn)速的行程范圍，拉力大于60N，速度為5.0～7.5mm／s，具有較大的拉力和拉線速度，否則負(fù)荷突增時(shí)，不及時(shí)地增加柴油機(jī)的供油量，將造成柴油機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降，甚至?xí)共裼蜋C(jī)有悶死停車的危險(xiǎn)。反之柴油機(jī)在大負(fù)荷下工作，當(dāng)突變到小負(fù)荷下工作，若供油量不及時(shí)，會(huì)使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升，造成飛車事故。

圖4 油門驅(qū)動(dòng)器安裝示意

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5所示為系統(tǒng)通過(guò)安裝在絞車軸上的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)絞車扭矩M絞和絞車轉(zhuǎn)速n絞，并將信號(hào)輸入DSP，DSP計(jì)算得到絞車的實(shí)時(shí)功率P絞，將圖2中柴油機(jī)的輸出功率－轉(zhuǎn)速特性曲線分段線性化后做成數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)在DSP的Flash中，通過(guò)查表的方法得到此時(shí)柴油機(jī)最低油耗對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n＊，為保證柴油機(jī)轉(zhuǎn)速能夠維持在給定n＊附近，系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速采用PI控制，將安裝在柴油機(jī)主軸齒輪處的速度傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào)，轉(zhuǎn)速偏差Δn，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器，得到此時(shí)油門驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該伸出或縮回的長(zhǎng)度，發(fā)出電子油門驅(qū)動(dòng)器H橋驅(qū)動(dòng)電路所需的控制脈沖，改變柴油機(jī)油門開度，進(jìn)而使轉(zhuǎn)速維持在n＊附近。為保證絞車上行中遇卡，油門驅(qū)動(dòng)器拉到最大位置，應(yīng)在PI調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行限幅，從而限制油門開度，使絞車輸出具有挖土機(jī)特性，當(dāng)絞車遇卡堵轉(zhuǎn)時(shí)，柴油機(jī)不會(huì)飛車。若由于柴油機(jī)的測(cè)速齒輪與測(cè)速傳感器的磁頭產(chǎn)生機(jī)械磨損，測(cè)速傳感器的磁頭內(nèi)部斷線、短路或測(cè)速傳感器的磁頭到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電路的連線斷開等原因，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸出到達(dá)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的脈沖信號(hào)丟失，應(yīng)設(shè)置柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖丟失檢測(cè)處理子程序。如果2s內(nèi)檢測(cè)不到測(cè)速脈沖，說(shuō)明柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)脈沖信號(hào)丟失，此時(shí)DSP應(yīng)發(fā)出柴油機(jī)油門關(guān)閉信號(hào)，使柴油機(jī)停車，達(dá)到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖信號(hào)丟失而被保護(hù)的目的。

圖5 系統(tǒng)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)示意

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)勝利油田黃河鉆井總公司40438隊(duì)實(shí)際使用該節(jié)能控制系統(tǒng)后，單臺(tái)柴油機(jī)日節(jié)約燃油3%，即98L，如果在整個(gè)公司的150臺(tái)柴油機(jī)上全面推廣使用，全年燃油節(jié)約將非常可觀，會(huì)產(chǎn)生較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］濟(jì)南柴油機(jī)廠.190系列柴油機(jī)使用維護(hù)手冊(cè)［M］.濟(jì)南：科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

［2］張奇志.電動(dòng)鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)功率均衡控制器的設(shè)計(jì)［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（04）：48－50.

［3］張奇志.電動(dòng)鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［4］任禮維，林瑞光.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)［D］.浙江：浙江大學(xué)出版社，1994（06）：53－62.

［5］姚為正.PWM整流技術(shù)及其應(yīng)用研究［D］.西安：西安交通大學(xué)，2001：25－28.

［6］陳如恒.我國(guó)鉆井裝備的技術(shù)進(jìn)展——系列專題之五［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（06）：1－16.

［7］黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［8］楊天怡，丁軍航，潘松峰.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1996.

［9］馮勇.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

［10］駱涵秀，李世倫，朱捷，等.機(jī)電控制［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，1994.

［11］李繼志，陳榮振.石油鉆采設(shè)備及工藝概論［M］.東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1995.

［12］張連山.國(guó)外石油鉆機(jī)新型單軸齒輪傳動(dòng)絞車［J］.石油機(jī)械，2000（08）：22－26.

［13］陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.