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

李浩光，馬睿

（1.中國石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 東營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，國內(nèi)鉆機(jī)主要有兩種類型：以柴油機(jī)為動力的機(jī)械驅(qū)動鉆機(jī)和電驅(qū)動鉆機(jī)。由于電驅(qū)動鉆機(jī)尚未全面普及，機(jī)械驅(qū)動鉆機(jī)仍然占據(jù)相當(dāng)?shù)谋壤?。以勝利油田渤海鉆井總公司為例，現(xiàn)有柴油動力鉆機(jī)約50套，每套鉆機(jī)配備3臺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

柴油動力鉆機(jī)以柴油機(jī)作為原動機(jī)，經(jīng)動力傳遞裝置，拖動井場大功率負(fù)荷設(shè)備，如：絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵等。據(jù)測算，在整個鉆進(jìn)過程中，起下鉆帶來的下放鉆具時間約占整個鉆井時間的11%。起下鉆過程中，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。

可見絞車在起鉆過程中，前57s提升鉆桿時，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速度比提升扭矩時低，只有提升鉆具時的一半，絞車所需功率較低，約占整個起鉆時間的33.3%。下鉆時空鉤提升時，絞車所需功率較大，而接鉆桿上扣、下鉆時，絞車所需功率較低，約占下鉆時間的71.4%。為保證柴油機(jī)重載時不息火，目前機(jī)械驅(qū)動鉆機(jī)柴油機(jī)的油門基本采用手動控制，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

針對鉆井用柴油機(jī)起鉆、下鉆過程中，柴油機(jī)始終高速運(yùn)行，一半時間存在大馬拉小車，造成燃油浪費(fèi)的問題，筆者在分析機(jī)械驅(qū)動鉆機(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)字信號處理器（DSP）TMS320F2812的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的節(jié)能控制系統(tǒng)，通過安裝在絞車主軸處扭矩轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時檢測絞車轉(zhuǎn)速和扭矩，DSP根據(jù)計算得到的絞車功率，實(shí)時調(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，說明在一定范圍內(nèi)改變柴油機(jī)n時，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，說明柴油機(jī)Pe和qm均隨n升高而升高，在起下鉆過程中，柴油機(jī)的負(fù)載主要是絞車，尤其是絞車在空鉤下行時，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)速信號傳送至DSP的模擬量輸入口；1，2，3號測速探頭分別通過45°角形支架安裝在3臺柴油機(jī)的主軸齒輪處，用來測量3臺柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速；1，2，3號柴油機(jī)電子油門安裝在3臺柴油機(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)動器的伸長和縮短來控制油門拉線，進(jìn)而調(diào)節(jié)油門大??；DSP控制板及電動油門直流電機(jī)的驅(qū)動電路安裝在控制箱內(nèi)，絞車扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、柴油機(jī)測速探頭、電子油門驅(qū)動器分別通過航空插頭與控制柜相連?？刂葡浒惭b在司鉆房內(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

4.1 絞車扭矩轉(zhuǎn)速傳感器及其信號傳送電路

在彈性軸的兩端安裝有2只信號齒輪，在2齒輪的上方各裝有1組信號線圈，在信號線圈內(nèi)均裝有磁鋼，與信號齒輪組成磁電信號發(fā)生器。當(dāng)信號齒輪隨彈性軸轉(zhuǎn)動時，由于信號齒輪的齒頂及齒谷交替周期性地掃過磁鋼的底部，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。這2組交流電信號的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，因而可以用來測量轉(zhuǎn)速。這2組交流電信號之間的相位與其安裝的相對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，2組交流電信號之間的相位差只與信號線圈及齒輪的安裝相對位置有關(guān)，該相位差一般稱為初始相位差。在設(shè)計制造時，使其相差半個齒距左右，即2組交流電信號之間的初始相位差在180°左右。在彈性軸受扭時，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，使2組交流電信號之間的相位差發(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）計算后得到絞車輸出功率。

4.2 油門驅(qū)動器及驅(qū)動電路設(shè)計

電子線性油門驅(qū)動器常用于工程機(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)動器安裝示意圖，采用柔性軟軸連接方式，電子油門通過油門拉線與柴油機(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，不及時地增加柴油機(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。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，會使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升，造成飛車事故。

圖4 油門驅(qū)動器安裝示意

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖5所示為系統(tǒng)通過安裝在絞車軸上的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時檢測絞車扭矩M絞和絞車轉(zhuǎn)速n絞，并將信號輸入DSP，DSP計算得到絞車的實(shí)時功率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)表存儲在DSP的Flash中，通過查表的方法得到此時柴油機(jī)最低油耗對應(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到的轉(zhuǎn)速作為反饋信號，轉(zhuǎn)速偏差Δn，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，得到此時油門驅(qū)動器應(yīng)該伸出或縮回的長度，發(fā)出電子油門驅(qū)動器H橋驅(qū)動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，柴油機(jī)不會飛車。若由于柴油機(jī)的測速齒輪與測速傳感器的磁頭產(chǎn)生機(jī)械磨損，測速傳感器的磁頭內(nèi)部斷線、短路或測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處理子程序。如果2s內(nèi)檢測不到測速脈沖，說明柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)脈沖信號丟失，此時DSP應(yīng)發(fā)出柴油機(jī)油門關(guān)閉信號，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

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，單臺柴油機(jī)日節(jié)約燃油3%，即98L，如果在整個公司的150臺柴油機(jī)上全面推廣使用，全年燃油節(jié)約將非?？捎^，會產(chǎn)生較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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