柴油發(fā)電機(jī)組能源管理系統(tǒng)在石油鉆機(jī)上的應(yīng)用

李艷琴，李崇博，李春生，王軍鴿

（1.西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西西安710077）

柴油發(fā)電機(jī)組能源管理系統(tǒng)在石油鉆機(jī)上的應(yīng)用

李艷琴1，李崇博1，李春生1，王軍鴿1

（1.西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西西安710077）

針對(duì)目前電動(dòng)鉆機(jī)中動(dòng)力機(jī)組在現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)時(shí)不能充分發(fā)揮其能力而導(dǎo)致耗能較大的實(shí)際現(xiàn)狀，提出并討論研究了能夠解決該問題的系統(tǒng)裝置即“機(jī)組能源管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中管理和后臺(tái)處理，并采用輔助發(fā)電機(jī)與主機(jī)組并網(wǎng)調(diào)峰，合理調(diào)配動(dòng)力配置，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)投切，提高了動(dòng)力設(shè)備的使用效率。同時(shí)，系統(tǒng)使用用電設(shè)備快速平穩(wěn)減載技術(shù)保證了設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行，提高了工作效能，最終達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

石油鉆機(jī)；節(jié)能；能源管理；主輔機(jī)組并網(wǎng)

1 引言

電控系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備為柴油發(fā)電機(jī)組，分為主柴油發(fā)電機(jī)組（600V）和輔助柴油發(fā)電機(jī)組（400V）兩部分。主柴油發(fā)電機(jī)組為同容量、同電壓的柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)使用，根據(jù)用電設(shè)備的大小手動(dòng)或自動(dòng)投入合適的動(dòng)力機(jī)組。柴油發(fā)電機(jī)組為裸機(jī)形式，電控房內(nèi)的發(fā)電機(jī)控制柜對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)壓、調(diào)速等控制，使其輸出穩(wěn)定的600V電源作為動(dòng)力電源。輔助柴油發(fā)電機(jī)組為帶調(diào)壓和調(diào)速功能的動(dòng)力機(jī)組，一般獨(dú)立使用，可輸出穩(wěn)定的 400V電源向交流電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）進(jìn)行供電。

為了保證以上設(shè)備能充分發(fā)揮其裝機(jī)能力和按需增減并網(wǎng)機(jī)組，引入機(jī)組能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)自動(dòng)判斷動(dòng)力配置是否滿足用電需求，或通過快速平穩(wěn)限載或減載對(duì)負(fù)載進(jìn)行限制，或通過上線或下線主機(jī)或輔機(jī)進(jìn)行調(diào)峰，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的。

2 系統(tǒng)主要技術(shù)

2.1 系統(tǒng)主要功能及特點(diǎn)

2.1.1 對(duì)電能使用狀況進(jìn)行監(jiān)控，可以獲得穩(wěn)定的電力供應(yīng)和最大程度的動(dòng)力配置優(yōu)化，提高電動(dòng)鉆機(jī)電網(wǎng)的負(fù)載率，達(dá)到節(jié)能的目的。

2.1.2 對(duì)動(dòng)力機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，保證設(shè)備按額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，最大程度發(fā)揮動(dòng)力效能。

2.1.3 利用快速平穩(wěn)減載技術(shù)和主輔發(fā)電機(jī)并網(wǎng)調(diào)峰技術(shù)提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，降低峰值期間的能源消耗，有效防止全井停電和停車事故發(fā)生。

2.2 用電設(shè)備功率實(shí)時(shí)管理技術(shù)

通過監(jiān)控柴油發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)、油耗及絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、MCC等負(fù)載，分別顯示單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的最大容量，監(jiān)控單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)功率、油耗及工作效率等，經(jīng)過計(jì)算向操作者發(fā)出是否需要增加或減少并網(wǎng)機(jī)組的提示，或通過限制負(fù)載負(fù)荷來平衡柴油的使用率且提高柴油機(jī)組的效率，實(shí)時(shí)保存相關(guān)數(shù)據(jù)和操作記錄并按月定期生成圖表，作為鉆井隊(duì)能耗管理考核的參考依據(jù)。

監(jiān)控系統(tǒng)與電控房的PLC系統(tǒng)為兩個(gè)單獨(dú)的控制系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)可以通過Profibus DP進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)交換。

2.2.1 柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的傳輸方式

柴油機(jī)內(nèi)置傳感器將各種運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲裼蜋C(jī)控制盒的CCM模塊內(nèi)，CCM模塊通過RS232將運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲裼蜋C(jī)PL1000E模塊，PL1000E模塊再通過RS485將運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊斜O(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行處理、顯示、報(bào)警等。

圖1 柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)傳輸圖

柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)主要包括運(yùn)行時(shí)間、轉(zhuǎn)速、負(fù)載系數(shù)、冷卻液溫度、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、燃油壓力、增壓壓力、曲軸箱壓力、瞬時(shí)燃油消耗、柴油機(jī)日/月/年累計(jì)燃油消耗、柴油機(jī)日/月瞬時(shí)流量峰值、燃油濾芯壓差、機(jī)油濾芯壓差、空濾壓差、大氣壓力等，其傳輸圖如圖1所示。

2.2.2 柴油機(jī)組油量監(jiān)控是在柴油機(jī)組中安裝流量傳感器，通過其采集耗油量數(shù)據(jù)，然后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

2.2.3 發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸

發(fā)電機(jī)控制柜控制柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，使其輸出額定的電壓和頻率。控制柜通過PPM管理器對(duì)發(fā)電機(jī)的各種電氣參數(shù)進(jìn)行顯示，參與調(diào)節(jié)并對(duì)負(fù)荷進(jìn)行合理分配。電氣參數(shù)的讀取是在控制柜內(nèi)通過PT和CT等元件輸入到PPM管理器內(nèi)，通過內(nèi)部電路計(jì)算再顯示出電壓、電流、有功功率、無功功率、有功電度、功率因數(shù)等參數(shù)。PPM控制器將各種電氣參數(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)郊斜O(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行處理、顯示、報(bào)警等。

發(fā)電機(jī)的溫度顯示必須在發(fā)電機(jī)的前后軸承、三相繞組處加裝Pt100熱電阻，再通過電纜連接到集中監(jiān)控中心進(jìn)行處理、顯示或報(bào)警。

圖2 發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)傳輸圖

發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)主要包括AB線電壓、BC線電壓、CA線電壓、電流A、電流B、電流C、功率因數(shù)、頻率、視在功率、有功功率、無功功率、有功電度、A相視在功率/有功/無功、B相視在功率/有功/無功、C相視在功率/有功/無功、發(fā)電機(jī)日/月/年累計(jì)電度、并機(jī)狀態(tài)（需甲方提供并機(jī)的開關(guān)量）等，其傳輸圖如圖2所示。

2.3 用電設(shè)備快速平穩(wěn)減載技術(shù)

在一段時(shí)間內(nèi)，如果由于負(fù)載（如絞車等）發(fā)生變化而導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)了短暫的高負(fù)荷工

作情況，這時(shí)為了確保發(fā)電機(jī)組輸出正常穩(wěn)定，可通過PLC控制系統(tǒng)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和用電設(shè)備的負(fù)荷變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)功率報(bào)警時(shí)，可采取重載問詢的方式提醒使用者是否需要減載，然后由軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的快速平穩(wěn)減載（泥漿泵等），這樣，在滿足工況的前提下實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的工作狀態(tài)。

2.4 輔助發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)調(diào)峰技術(shù)

一般的輔助發(fā)電機(jī)組都自帶調(diào)速和調(diào)壓功能，不受外部控制，這就需要將輔助發(fā)電機(jī)組的調(diào)速和調(diào)壓控制進(jìn)行改造，即應(yīng)根據(jù)主發(fā)電機(jī)組的調(diào)速和調(diào)壓對(duì)輔助發(fā)電機(jī)組的調(diào)速和調(diào)壓進(jìn)行同類型的控制改造，以達(dá)到并車和負(fù)荷均衡的效果。

由于600V主發(fā)電機(jī)組所發(fā)的600V交流電通過電控系統(tǒng)內(nèi)的1250kVA 600V/400V變壓器變壓后，在其副邊輸出400V交流電，該400V交流電與600V交流電同頻同相，因此，對(duì)400V輔助發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，只需對(duì)400V輔助發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)頻控制，即可實(shí)現(xiàn)400V側(cè)的并網(wǎng)。具體實(shí)施方案如下：2.4.1 600V/400V變壓器兩側(cè)的斷路器在正常情況下保持閉合，它們只起維修斷路器作用。輔助發(fā)電機(jī)側(cè)的斷路器為并車斷路器，該斷路器的閉合需要通過并車柜完成，它們可實(shí)現(xiàn)400V側(cè)的自動(dòng)并車功能。主機(jī)與輔機(jī)并網(wǎng)連接示意圖如圖3所示。

圖3 主機(jī)與輔機(jī)并網(wǎng)連接示意圖

2.4.2 輔助發(fā)電機(jī)組配有與主發(fā)電機(jī)組類似的控制柜，通過康明斯專用數(shù)字調(diào)速器，精確控制輔助發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，確保其輸出恒定頻率并實(shí)現(xiàn)有功均衡。通過康明斯專用數(shù)字化勵(lì)磁控制器實(shí)現(xiàn)電壓/電流雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)以確保發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定及無功均衡。

2.4.3 通過EASYGEN3200控制器對(duì)負(fù)荷按比例進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)主發(fā)電機(jī)組和輔助發(fā)電機(jī)組同比例分配負(fù)載。通過保護(hù)功能參數(shù)的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)主發(fā)電機(jī)組和輔助發(fā)電機(jī)組的保護(hù)功能。

3 結(jié)束語

通過對(duì)用電設(shè)備各電能參數(shù)的集中管理、主輔機(jī)組并網(wǎng)調(diào)峰和用電設(shè)備負(fù)荷快速平穩(wěn)減載等技術(shù)的應(yīng)用，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)合理調(diào)配動(dòng)力機(jī)組，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)投切，提高動(dòng)力設(shè)備功效，徹底改變目前電動(dòng)鉆機(jī)低效率運(yùn)行管理模式，使節(jié)能增效在油田設(shè)備上得以實(shí)現(xiàn)。今后，能源管理系統(tǒng)將在節(jié)能產(chǎn)業(yè)和油田設(shè)備上大力推廣使用。

［1］張奇志.電動(dòng)鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)［J］.石油工業(yè)自動(dòng)化，2006，（7）.

［2］蘇石川，等.現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用與管理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］胡三思.柴油機(jī)綜合性能動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，（10）.

［4］黃乙晉，陳釗.先進(jìn)控制理論在同步發(fā)電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.四川電力技術(shù)，2015，（6）.

Application of diesel generator energy management system for oil rig

LI Yan-qin，LI Chong-bo，LI Chun-sheng，WANG Jun-ge
（Xi＇an Bomay Electric Industries Co.，Ltd.，Xi＇an 710077，China）

Aiming at the actual situation that the current electric drilling rig can't reach the designed full capacity when conducting the drilling operations at the site and can lead to greater loss for the energy，the“Unit Energy Management System”is developed to solve the problems.The system can do real-time monitoring for the operating conditions of the diesel generator sets，can do centralized management and backstage processing for the parameters.The system can do reasonable allocation for the power configuration by adjusting the network peaking value of the auxiliary generator set and the host，and thus to achieve the economic running of the generators and to improve the working efficiency of the power equipments.Moreover，the system uses the rapid-smooth load-reducing technology to ensure the safe and smooth operation of the equipments，and improve the efficiency and performance of the equipments，also achieves the purpose of energy saving.

oil drilling rig；energy saving；energy management；network connection of the main and auxiliary generator sets

TM343；TP273

A

1005—7277（2016）03—0036—02

李艷琴（1976-），女，陜西合陽人，工程師，主要從事電氣設(shè)計(jì)工作。

2016-05-04