壓裂機組在線加油裝置控制系統設計與試驗

宋學蓮，田應成，唐瑞歡，劉有平

（1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，寶雞 721000；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司，成都610051；3.四川寶石機械專用車有限公司，廣漢 618300）

水平井分段壓裂是目前非常規油氣藏高效開發的重要手段[1-2]。 高壓力、高排量的需求導致壓裂作業規模越來越大， 壓裂車從單車作業到最大32臺組網作業，消耗的能源與日俱增，然而目前壓裂車組還采用增設油箱的方式為發動機提供能源，已不能滿足大型和超大型壓裂[3]的需求，表現在兩個方面：

（1）需要人工提前給油箱加油，勞動強度大，工作效率低；

（2）單車油箱容量高達1800 L，可燃性負載積聚，火災風險高。

因此提出了去除油箱，直接給發動機供油的聯網在線自動加油的方案，并研制了壓裂機組在線式連續加油裝置及控制系統。

1 控制要求、系統組成及設計流程

1.1 概述

加油裝置由油罐、過濾系統、泵送系統、油管線分配系統及控制系統組成。 油罐車送來的柴油經過過濾系統，去除雜質后泵入油罐進行存儲；開始加油后，對應供油和回油油管線閥門打開，泵送系統將油罐中的油通過管線泵送到壓裂車。

為實現對壓裂車供油管路的啟、閉控制以及供油狀態監控，在壓裂車上增設了一套控制系統。 該控制系統作為從站， 與加油裝置上的主站進行通訊，可實現遠程控制和數據監測。

加油裝置布置在遠離爆炸性氣體危險作業區的安全區域，可以較大的減小在危險場所因可燃物負荷大容易引起火災或爆炸的風險。

1.2 控制要求

由于發動機吸油口壓力低， 允許壓力波動小，在30 s 或更少的時間內供油不足或供油失效會導致停機，嚴重影響現場作業，并造成重大經濟損失，故需要設計一種穩定可靠的加油控制系統。

為兼容不同品牌壓裂車，適配不同發動機的吸油能力，實現車組隨機組合配置功能，需要針對性設計車輛識別策略。

為減少壓裂車改造工作量，解決以上問題并實現在線加油功能，提出了以下關鍵技術要求：

（1）壓裂車識別與通訊；

（2）供油管線與車輛一一對應；

（3）實現在線穩定加油和遠程數據監控；

（4）本地、遠程操作選擇；

（5）數據存儲、查詢和調用。

1.3 系統組成及功能劃分

連續加油裝置控制系統組成及功能劃分架構，如圖1 所示。 本系統由主站控制系統和從站控制系統組成。 主站上包括了工程師站、控制站、服務器站和操作站的功能，它們布置在同一設備上，可進行集中管理和分析診斷，并實現組態配置、運行監控和數據存儲。 工程師站的功能包括設備建模、網絡組態、數據分析和數據查詢；控制站的功能包括數據采集、驅動輸出以及控制算法設計；服務器站的功能包括數據存儲和設備維保；操作站的功能包括設備組態、現場操作和數據監測。 從站上僅設置了操作站，它的功能包括數據采集和驅動輸出。

圖1 系統組成及功能劃分架構圖Fig.1 System composition and function division architecture diagram

1.4 設計流程及實施方法

設計流程規劃如圖2 所示，具體實施步驟如下：

圖2 設計流程Fig.2 Design flow chart

步驟1進行設備組態， 實現邏輯功能設計和算法設計，完成PLC 和IO 關聯、畫面設計與聯動；

步驟2建立設備層和網絡層通訊， 實現上位機與設備、從站與主站、網絡服務器的通訊；

步驟3進行機組配置。 通過輪尋IP 地址實現車輛識別與通訊、并根據需要組建加油機組并使能供油控制通道；

步驟4運行連續加油裝置在線監控系統，實現人機交互、故障診斷和數據查詢。

2 研究內容

2.1 并網設計

現場作業時壓裂機組一般成組布置，數量通常在20 臺左右，最多高達32 臺。 為保證可靠性，壓裂車之間采用首尾連接，形成環網式通訊網絡。 供油裝置需要與每個壓裂車從站進行通訊，為減少主站到從站的網絡布置，將加油裝置直接接入壓裂機組網絡，借用壓裂機組網絡交換機和網絡連接實現對各個車輛的狀態監視與分布式控制， 如圖3 所示。當建立好機組通訊后，加油裝置可根據車輛加油的需求，成組或單車控制對應車輛的供、回油路。

圖3 壓裂機組環網布置Fig.3 Ring network layout of fracturing unit

壓裂車從站可設定IP 地址，以兼容不同品牌的車輛。加油裝置與壓裂機組之間采用TCP/IP 方式通過壓裂車網絡交換機輪尋通訊。 成組的壓裂車從站IP 地址信息錄入系統后， 每個IP 地址就對應一根油管線，主站順序讀取油管線號，并通過IP 地址建立與從站的通訊。 發生通訊故障后會立即發出報警，提示操作員切斷故障管線的供油通道。 切除故障通道后，主站自動按照新的成組供油網絡繼續順序建立與從站的通訊。 在加油程序執行過程中，可以根據需要增減車輛，組網信息同步更新且不影響新機組的連續加油。

2.2 PID 控制

如圖4 所示，供、回油路設定壓力值SetVar 與經供、 回油路壓力傳感器負反饋值ActualVar 疊加后的偏差作為輸入，經過PID 算法調節后得到的輸出值OutVar 輸入到變頻電機控制器，控制供、回油電機轉速， 從而改變主供油壓力和主回油壓力，直到達到壓力動態平衡。 圖中Kp為比例參數，有比例放大的效果；Tn為積分參數，有積分增益的效果；Tv和Td分別為微分和阻尼參數，有微分增益的效果。對PID 參數進行在線整定和優化，最終可以達到快速、穩定的動態壓力平衡效果。

圖4 PID 結構圖Fig.4 Structure diagram of PID

2.3 人機交互

連續加油裝置設計了本地控制面板和遠程手持式操作終端兩個操作站，它們分別采用有線和無線的方式與主、從站通訊。 本地操作站采用可觸控的工控機，手持式操作終端為可觸控的PAD。 設備開機后自動運行連續加油在線監控系統。 該系統設置了3 個不同的角色，優先級從高到低分別是管理者、操作者和瀏覽者，可選擇不同角色登陸到系統。管理者擁有所有操作權限；操作者擁有加油操作權限，不具備歷史數據訪問和查詢權限；瀏覽者，僅瀏覽不能操作，且不具備歷史數據訪問和查詢權限。

人機交互界面按照功能劃分并進行獨立設計，包括主界面、流程圖界面、參數設置界面、參數顯示界面、報警顯示界面、數據查詢界面、IO 監控界面以及傳感器測試界面。 每個功能界面均可通過主頁圖標回到主界面。 每個顯示界面分為標題欄區、狀態區和工作區。 工作區根據需要可切換到不同功能界面，標題欄顯示系統菜單、設備溫度以及主頁圖標。狀態區顯示了當前登陸信息、當前時間、通訊狀態以及系統電源參數。 連續加油裝置在線監測系統主界面工作區，如圖5 所示。

圖5 主界面工作區Fig.5 Main interface workspace

本系統歷史數據管理主要依托第三方關系數據庫，對實時/歷史數據進行采集和存儲，以便于后臺查詢、分析和處理。 在數據庫管理頁面可以實現全部查詢、條件查詢、全部刪除和條件刪除等操作。同時， 歷史數據還可以以曲線或報表的形式被查看。 歷史報表查詢，如圖6 所示。

圖6 歷史報表查詢Fig.6 Historical report query

3 調試和試驗

步驟1檢查電纜連接，確保供電和通訊正常。在滿足調試要求的環境下進行調試，完成上電前檢查、通電狀態檢查。

步驟2確定主供油壓力和主回油壓力。 通過組網的車輛數量和供油管路壓力耐受能力，確定主回路壓力值。 最終滿足供油和回油管線的管匯承壓壓力不超過管道耐受壓力，且損耗最大的管線可確保連續供油。

步驟3根據供油泵和回油泵轉速從0 r/min達到額定值的平滑穩定加速時間，計算出穩定壓力的PID 參數初始值，經在線調試后將微分和阻尼參數固定下來，而比例參數則作為主調參數，積分參數作為微調參數，在供油過程中根據車輛數量、響應時間等需要進行調整。

步驟4設置超壓保護值。當供、回油轉速給定值超過超壓保護值時，給定轉速按照設定的限值進行調整。

步驟5啟動一鍵式供油，觀察主、回油路壓力達到設定值并穩定運行的時間。 如果時間過長可以通過調大比例參數和減小積分參數來縮短時間。 加油車組的數量和車輛更改后，重新輸入主供油壓力和主回油壓力設定值，并觀察壓力波動，調節比例和積分參數。 現場試驗結果為：啟動一鍵式供油后，在10 s 左右達到供油壓力動態平衡，增減壓裂車數量或更改設定壓力值，可在5 s 左右重新達到供油壓力動態平衡。 在動態平衡的調節時間內，不會導致發動機停機，滿足了發動機連續加油的要求。 現場試驗情況，如表1 所示。 供油和回油壓力曲線如圖7 和圖8 所示。

圖8 回油壓力曲線Fig.8 Fuel return pressure curve

表1 連續加油試驗數據Tab.1 Test data of continuous refueling

圖7 供油壓力曲線Fig.7 Fuel supply pressure curve

如圖7 所示， 供油壓力在210 kPa 左右達到動態平衡。

如圖8 所示， 回油壓力在-60 kPa 左右達到動態平衡。

步驟6無線通訊距離測試。 在距離主站100 m范圍內，無遮擋情況下，手持式操作終端可穩定建立與主、從站的通訊，遠程控制連續加油裝置作業、監視油管線狀態，查詢數據庫信息，實現遠程監控功能。 就地操作站和遠程手持式操作終端的雙操作設計，使設備使用更靈活方便。

4 結語

連續加油裝置采用IP 輪尋方式識別車輛，解決了多廠家多車種協同作業的問題；采用PID 控制方法，迅速跟隨并調節供、回油壓力達到動態平衡，實現了在線連續加油的功能。 壓裂機組去除油箱后，大幅減少了燃油儲備，大大降低了壓裂作業火災風險，對實現安全壓裂作業具有有益效果。