2500型壓裂車電氣自動控制系統的設計與應用

熊 偉

（四機賽瓦石油鉆采設備有限公司，湖北武漢 430000）

1 2500型壓裂車的結構與原理簡介

1.1 2500型壓裂車的結構

2500型壓裂車是我國北方重工集團自主研發的一種壓裂車，現已成功投入生產并得到了廣泛的應用。為了更好地適應國內外的市場環境，2500型壓裂車常被應用于非常規能源或是特殊地質條件下的能源開采作業中[1]。2500型壓裂車的電氣控制系統中包含泵車車胎發動機及遠程啟動發動機等功能，具有較為明顯的現代化應用特征。該設備的總體結構如表1所示，上裝部分與底盤部分的功能組成較為清晰。

表1 2500型壓裂車的總體結構示意

1.2 2500型壓裂車工作原理

2500型壓裂車通過底盤中的發動機為整體提供動力，啟動電機以后，驅動車臺發動機會產生動力，進而持續運轉，液力傳感箱可將動力直接輸送至壓裂泵的動力端，并為壓裂泵的運轉提供驅動力，使混砂車所提供的壓裂液被吸入管中，增加壓裂泵的壓力，而高壓工況的狀態下，壓裂液會從管道排至井下進行壓裂作業。

2 2500型壓裂車的電氣控制系統主要構造

2.1 本地制動控制箱

在2500型壓裂車的電氣控制系統中，為滿足單機或多機聯合的作業需求，駕駛室的左側區域通常裝有本地制動控制箱，該設備可對系統的啟動及制停發出相關指令，并通過傳動箱、壓裂泵等部件的動態變化發揮預警或超壓保護的功能。此外，還可以對整機的定壓或定排量進行自動化作業。技術人員只需在作業前使用數據線將各類設備連為一體，利用網絡技術對該系統的發動機、傳動箱、壓裂泵等設備進行共享使用，依據標準化的作業流程進行聯機作業，但在作業之前必須要對連接流程進行編寫，實現各組設備的標準化控制。此外，技術人員還可在設備控制箱上安裝數據采集口，將其與計算機的連接后可用于搜集參數。本地制動控制箱是該系統的核心設備，其中包含了許多重要的控制元件。另外，在制動控制箱內部還存在繼電器、開關電源及信號處理等設備，箱體的一側設置電源插座，并具備防震及防潮性能。

2.2 臺上儀表箱

如表2所示，2500型壓裂車的臺上儀表箱主要有以下功能。

表2 2500型壓裂車的臺上儀表箱功能（參考）

2.3 臺上控制箱

表3 2500型壓裂車的臺上控制箱組成

2500型壓裂車的臺上控制箱內含有大量的電氣元件及電氣顯示儀表，該設備一般位于2500型壓裂車車臺的左側，為便于檢修工作，臺上控制箱內的各個接線等都具有清晰的標記[2]，其中主要的元件如表3所示。

2.4 遠程控制箱

在2500型壓裂車壓裂作業時，遠程控制箱可用于距離控制模式下的淡季作業，也能與其他設備進行聯機作業。當壓裂作業所產生的壓力值越高，那么該操作的危險性就越大。而2500型壓裂車可以通過遠程控制系統在遠距離作業的模式下完成自動控制作業，并對單臺壓裂車的停機或油門等功能進行合理化條件，使該系統中的發動機、傳動箱等部件的狀態符合要求，再配合發動機的轉速及大泵瞬時排量，實現計算機數據的超壓報警[3]。另外，遠程控制箱的操作設備中包含手持式的平板電腦，能夠在網絡技術的支持下與臺上電腦設備實現同步，只需將各個設備用數據線連接起來，就能形成環形的網絡，使各設備之間實現有效的串聯和集中管理，數據與信息的高效傳遞模式支持數據共享，并為高壓作業環境中的工作人員提供安全保障，減少現場中安全事故的發生幾率。

3 2500型壓裂車電氣自動控制系統的主要控制技術要求

3.1 單泵單獨控制和機組編組控制

單泵單獨控制功能有多種，其中包含對發動機設備的啟、停；設備檔位的升、降；還可進行設備的壓力測試；而機組編組的控制是指技術人員在選定泵車組時，可根據需求將部分泵車設為一組，能夠控制這些泵車組的檔位及油門等功能。

3.2 定排量、定壓力控制

2500型壓裂車的電氣自動控制系統呈現出較高水平的自動化，對定排量及定壓力控制方面具備優異的性能。技術人員可先設定數值，再以實際的施工情況為根據，選用4＂～5＂柱塞，使其處于壓力值的最高狀態與排量值的最高狀態之間即可。如表4為柱塞的性能參數，由于所設定的壓力值不同，柱塞的性能參數又可分為3種。

表4 2500型壓裂車柱塞泵性能參數（發動機轉速1900 r/min）

（1）壓力值小于設定的小區間。在自動模式下的泵車可根據排量值對2500型壓裂車的檔位和油門進行自動調節，從而使設備機組能夠滿足排量需求，若調節的過程中泵車出現故障情況，則自動模式作業下的泵車會自動調高排量，以維持設定排量的狀態[4]。

（2）壓力值介于設定的大、小區間之間。則設置為自動模式下的泵車，會維持當下的檔位和油門控制狀態，而不會自動調高泵車檔位；若所設定的排量與大泵累計排量相比過小時，則設備的機組會自動調節檔位使其與設定的排量值相符；若壓力值處于這一區間，僅設定的排量值比實際的泵車累積排量值相對較小，則設備機組會重新調節檔位和油門的作業狀態。

（3）壓力值大于設定的大區間。則設備機組會按照八檔至一檔的順序依次降低檔位，至八檔全部空檔后，其余泵車的檔位也會持續下降。若設備機組的壓力一直處于比設定壓力值高的區間內，則各臺自動作業的泵車都會自動調低檔位，直至所有的泵車都降為空檔。

3.3 機車總快捷停控制

2500型壓裂車中的設備機組具有總快捷停控制功能，啟動“快捷停”控制鍵以后，確認每臺設備是否連接無誤，使用數據線將設備串聯起來，形成環形網絡的發動機、傳動箱等設備在這一狀態下能夠實現數據共享及快捷鍵控制，使該系統的自動化程度較高，而再次確認按鍵以后，2500型壓裂車的設備機組將會取消快捷鍵的保持狀態，必須經過狀態取消，才能控制泵車的檔位和油門。

3.4 壓裂車控制系統的優勢分析

2500型壓裂車中的控制系統是目前國際上最為先進的自動化控制技術，其精準度較高、可靠性較強，具有良好的兼容性，能夠依照操作的需求靈活切換作業方式，能夠進行遠程控制，控制設備可供便攜。從技術特點方面來分析，2500型壓裂車的電氣自動化系統在先進的核心技術支持下，對多類型的發動機及設備存在高兼容性，在多車環網的設備控制中，也能發揮出強大的實用優勢，如在壓力值與排量值的自動化控制作業中，該系統可依據實際作業的需求自由編組控制系統，該系統具有工業觸摸屏等控制終端，可自行診斷或預警，設計理念趨于安全化。除此之外，2500型壓裂車的控制系統能夠適應惡劣環境中的工作，如-40～60℃之間的環境都可勝任，且操作界面可劃分語言種類，便于多種領域使用該項技術。

4 結束語

在我國油田工程的開發中，以崎嶇、潮濕、多灰的路況作業環境為主，2500型壓裂車設備在此惡劣的工作環境中發揮了重要的作用，不同泵注類型的2500型壓裂車可服務于不同的工作項目。該項設備采用先進的國際標準及技術制造，強大的環境適應能力使其在惡劣的工作環境下滿足巖頁氣鉆采時間長及排量大等多種施工要求，由于制造技術較為先進，2500型壓裂車的液力端運行壽命能夠比同類產品提升57%左右。2500型壓裂車的電氣自動化系統經過扭振分析技術的結構優化，在工作狀態下并無劇烈的振動，施工工況的安全性得到大幅提升。該系統在先進的集成技術支持下，采用高端的配套產品，裝備能力得到有效增強，持續作業能力比同類產品提升15%，整體設備的機能消耗下降3%，使壓裂施工作業更加穩定、安全。