基于模糊控制的鉆機飛輪儲能調峰控制系統

牛躍進，郭巧合，李 濤，呂邦凱

（1.中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南濮陽457001；2.中石化中原石油工程有限公司海外工程公司，河南濮陽457001；3.西安寶德自動化股份有限公司，陜西西安710304）

基于模糊控制的鉆機飛輪儲能調峰控制系統

牛躍進1，郭巧合2，李 濤3，呂邦凱3

（1.中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南濮陽457001；2.中石化中原石油工程有限公司海外工程公司，河南濮陽457001；3.西安寶德自動化股份有限公司，陜西西安710304）

石油鉆機是石油行業鉆井勘探的重要設備，但是長期存在柴油機燃油經濟性低、沖擊負荷影響柴油機壽命等問題。而飛輪儲能調峰系統能夠有效地解決上述問題，并起到節能減排的作用。將模糊控制方法應用到飛輪儲能調峰系統控制中，可以使系統快速響應負荷變化，理論上可減少一臺柴油機的運行。測試結果表明提出模糊控制方法在響應、超調、調整補償等方面更具優勢，效果更好。

石油鉆機；飛輪儲能；模糊控制；調峰控制；節能減排

1 引言

石油鉆機是石油行業鉆井勘探的重要裝備。目前國內的石油鉆機根據傳動方式可分為機械鉆機和電動鉆機。機械鉆機是以柴油機為動力，通過液力耦合器、離合器、變速箱、鏈條并車裝置等設備驅動絞車、轉盤、泥漿泵等設備運行的鉆機系統。

機械鉆機系統又可根據工作組分為起升系統、循環系統和旋轉系統。起升系統包括起鉆工況和下鉆工況。在起鉆和下鉆工況中長期存在以下問題：①大馬拉小車，導致柴油機的燃油經濟性非常低；②大馬拉重車，頻繁的沖擊負荷嚴重影響柴油機的使用壽命。由于在下鉆工況中存有可供回收利用的勢能，所以可以引入飛輪儲能調峰系統，將下鉆產生的勢能回收利用。這樣可以提高柴油機的效率，延長柴油機使用壽命，起到節能減排的效果。在對飛輪儲能系統進行調峰控制時，采用一種模糊控制算法既可以提高飛輪調峰系統對沖擊負荷的適應性，還可以提高飛輪調峰系統的響應時間。

2 鉆機飛輪儲能調峰系統結構

飛輪儲能調峰系統由1000kW調峰電機、制動取能電機、升壓整流系統、飛輪儲能系統、調峰控制系統等組成，如圖1所示。

圖1 飛輪儲能調峰系統結構示意圖

鉆機井場輔助發電機輸出的400VAC交流三線電源，經過400VAC／690VAC升壓變壓器升壓至690VAC三相交流電源，再通過整流器整流為900VDC直流電源，為調峰系統的逆變器及飛輪系統提供直流電源，飛輪系統即可以通過調峰子系統發電反饋來儲能也可以通過升壓整流系統提供直流電源來儲能。在直流母線上配有制動系統，該系統包括兩組制動單元，分別連接兩組制動電阻，單組額定制動電流為85A，最大制動電流為300A，可有效確保直流母線電壓穩定，防止因電壓太高損壞其他設備或危及人員安全。增加能量回收子系統，在游車下放過程中將勢能通過能量回收電機轉化為電能輸到直流母線上，通過飛輪逆變器控制單元使飛輪電機加速，將能量存儲在飛輪儲能器中，提高了能源的利用率。

3 模糊算法的調峰控制

3.1 模糊控制原理

飛輪儲能調峰系統的模糊控制，是通過核心控制器（ICU200）來實現的。利用模糊數學的知識，模擬人類的思維方式，將使用人語言描述的控制策略轉換成模糊控制規則，按模糊推理的方法處理用模糊集合表示的輸入輸出，以確定控制量。模糊控制系統包括：①定義變量；②模糊化；③知識庫；④邏輯判斷；⑤反模糊化。

模糊控制的基本原理如圖2所示。

3.2 飛輪儲能調峰系統的模糊控制

本控制系統主要完成數據采集、速度顯示和轉矩控制等功能。其中調峰系統的模糊控制功能由核心控制器ICU200完成。核心控制器的主體模塊采用的是TMS320F28335芯片。柴油機的轉速信號通過傳感器進入ICU200進行A／D轉換，經過轉換后通過模糊控制算法計算控制量，然后將輸出信號通過D／A轉換發送到飛輪儲能系統。

控制原理圖如圖3所示。

圖3 飛輪儲能系統模糊控制原理圖

絞車：K＝KIDW（i）＊KPDW（I）＊KODW（i）

其中，KODW（i）為調整系數； KPDW（i）為穩態放大倍數；KIDW（i）為瞬態放大倍數；

泥漿泵：K＝KIP1（i）＊KOP1（i）＊GDP1

其中，KIP1（i）為瞬態放大倍數；KOP1（i）為退出放大倍數；GDP1為功率百分比；

飛輪：K＝KIMG（i）＊KOMG（i）＊MG

其中，KIMG（i）為瞬態放大倍數；KOMG（i）為調整系數；MG為功率百分比；

該程序的流程圖如圖4所示。

4 測試與結論分析

根據飛輪儲能調峰系統結構示意圖開發研制了第二套基于模糊控制的機械調峰系統，并對其進行了測試與分析。

測試在鉆井公司主機廠進行，測試用負載為40T，測試過程模擬石油鉆機在現場的起鉆、下鉆工況進行測試。

首先，只使用柴油機作為唯一的動力源，鉆機帶負載進行起鉆操作，并通過柴油機安裝的扭矩儀實時采集柴油機功率。測試結果如圖5所示。

圖4 程序流程圖

由圖5可以看出，柴油機在帶載起鉆工況時，會產生較大的沖擊負荷（圖中可看出沖擊負荷約為穩定負荷的50%）。此時柴油機會產生冒黑煙的現象；同時較大的沖擊負荷也會影響柴油機的使用壽命。

圖5 僅柴油機帶負載測試

然后，使用柴油機、帶有模糊控制算法的調峰系統同時作為系統動力源，進行鉆機帶載起鉆測試。測試結果如圖6所示。

圖6 柴油機＋飛輪儲能調峰系統

由圖6可以看出，鉆機在帶載起鉆測試過程中，柴油機輸出功率緩慢上升，最終達到穩定負荷。柴油機在運行過程中沒有再產生沖擊負荷；鉆機系統在帶載起鉆瞬間所需的大量能量由飛輪調峰系統及時進行了補償。由于使用了模糊控制方法，對于飛輪的控制可以做到及時響應，同時對于飛輪儲能系統所需輸出的補償能量也能較準確地控制。

在1檔高速、1檔低速狀態下，進行了大量的起鉆、下鉆工況模擬測試，在飛輪儲能調峰系統的作用下已經完全消除了柴油機的沖擊負荷，通過對柴油機的觀察，柴油機已經無冒黑煙現象，測試結果良好。

5 結束語

針對飛輪儲能系統，本文提出了一種基于模糊控制的鉆機飛輪儲能調峰系統。該系統可以有效提高鉆機系統對沖擊負荷的適應性；延長柴油機使用壽命；理論上可減少一臺柴油機組運行。測試結果也表明本文提到的模糊控制方法在響應、超調、調整補償等方面更具優勢，效果更好。

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Rig flywheel energy－storage peak－control system based on fuzzy control

NIU Yue－jin1，GUO Qiao－he2，LI Tao3，LV Bang－kai3
（1.The No.1 Drilling Company，SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Puyang 457001，China；2.Overseas Engineering Company，SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Puyang 457001，China；3.Bode Energy Equipment Co.，Ltd.，Xi＇an 710000，China）

The oil exploration drilling rigs are the important oil industry equipment，but it exists that of the problem of low economy for diesel fuel and serious effect of impact load to diesel engine’s service－life.The flywheel energy－storage peak－control system can effectively solve the above problem，and can play the role of energy saving and emission reduction.The fuzzy control method is applied to the flywheel energy－storage peak－control system，which makes the system quickly respond the change of the load and theoretically reduce one of the diesel engines running.The test results also show that the fuzzy control method mentioned in this paper has more advantages and better effect in response，overshoot，adjustment and compensation.

oil rig；flywheel energy storage；fuzzy control；peak control；energy saving and emission reduction

TE951

A

1005—7277（2016）05—0016—03

2016－07－11