前饋算法在混合動(dòng)力鉆機(jī)中的應(yīng)用＊

牛躍進(jìn)，李 濤，郭巧合，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(yáng)457001；2.西安寶德自動(dòng)化股份有限公司，陜西西安710304；3.中石化中原石油工程有限公司海外工程公司，河南濮陽(yáng)457001）

前饋算法在混合動(dòng)力鉆機(jī)中的應(yīng)用＊

牛躍進(jìn)1，李 濤2，郭巧合3，呂邦凱2

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

鉆機(jī)是油氣田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的重要鉆井施工設(shè)備，在目前的國(guó)內(nèi)鉆機(jī)中，機(jī)械鉆機(jī)占有很大的比重。在國(guó)家實(shí)施能源戰(zhàn)略以來(lái)，節(jié)能、高效、環(huán)保已經(jīng)成為石油鉆機(jī)作業(yè)的重中之重。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種新興的電能存儲(chǔ)技術(shù)，是近年來(lái)出現(xiàn)的有很大發(fā)展前景的儲(chǔ)能技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用在混合動(dòng)力鉆機(jī)領(lǐng)域是一次技術(shù)突破，其對(duì)老舊鉆機(jī)改造迎來(lái)了利好。鉆機(jī)控制策略是整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)的核心，也是此次技術(shù)突破的關(guān)鍵。主要描述了前饋控制算法在混合動(dòng)力鉆機(jī)中的應(yīng)用，并對(duì)比分析了前饋控制算法與反饋控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)。

前饋控制；混合動(dòng)力；石油鉆機(jī)；調(diào)峰控制；模糊控制；節(jié)能減排

1 前饋控制介紹

根據(jù)事件發(fā)生的時(shí)間不同，所采取的控制可以在事件發(fā)生之前，也可以在事件結(jié)束之后進(jìn)行，前者稱為前饋控制或預(yù)先控制，后者稱為反饋控制或事后控制。

前饋控制是通過(guò)觀察情況、收集整理信息、掌握規(guī)律、預(yù)測(cè)趨勢(shì)等，正確預(yù)計(jì)未來(lái)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提前采取措施的一種控制策略，將可能發(fā)生的偏差消除在萌芽狀態(tài)，為避免將來(lái)在不同發(fā)展階段可能出現(xiàn)問(wèn)題而事先采取一定的措施。

2 前饋控制與反饋控制比較

2.1 測(cè)量對(duì)象

前饋控制系統(tǒng)中測(cè)量對(duì)象是干擾量，而反饋控制系統(tǒng)中測(cè)量對(duì)象是被控變量。在單純的前饋控制系統(tǒng)中，不測(cè)量被控變量，而在單純的反饋控制系統(tǒng)中不測(cè)量干擾量。

2.2 調(diào)節(jié)器

一般而言，前饋控制需要專用的調(diào)節(jié)器。前饋調(diào)節(jié)使用的調(diào)節(jié)器是根據(jù)被控對(duì)象特點(diǎn)而確定的前饋調(diào)節(jié)器，其控制一般采用通用PID調(diào)節(jié)器。反饋調(diào)節(jié)符合PID調(diào)節(jié)規(guī)律，常采用通用PID調(diào)節(jié)器，通過(guò)DCS或PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2.3 調(diào)節(jié)精度

前饋控制在理論上可以做到無(wú)差調(diào)節(jié)。反饋控制一定是有差調(diào)節(jié)，其根據(jù)有差反饋調(diào)節(jié)使系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，使被調(diào)參數(shù)在給定值附近動(dòng)態(tài)變化，卻不能使被調(diào)參數(shù)穩(wěn)定在給定值上不動(dòng)。

2.4 控制特點(diǎn)

（1）從前饋控制角度看，增加反饋控制可降低對(duì)前饋控制模型精度的要求，并能對(duì)沒(méi)有測(cè)量的干擾信號(hào)進(jìn)行校正。

（2）從反饋控制角度看，前饋控制的作用是能對(duì)主要干擾及時(shí)地進(jìn)行粗調(diào)，能大大減少反饋控制的負(fù)擔(dān)。

3 前饋控制理論在混合動(dòng)力鉆機(jī)中的應(yīng)用

3.1 技術(shù)背景

機(jī)械鉆機(jī)在施工過(guò)程中負(fù)載波動(dòng)大，可對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和柴油機(jī)形成較大的沖擊負(fù)荷，并可產(chǎn)生以下問(wèn)題：

（1）在起下鉆作業(yè)時(shí)，負(fù)載會(huì)產(chǎn)生很大的突變，為了及時(shí)補(bǔ)償瞬時(shí)高負(fù)荷以使柴油機(jī)不停機(jī)，單機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率配置會(huì)偏高，這樣會(huì)浪費(fèi)很大一部分的閑置功率。

（2）當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，柴油機(jī)可能出現(xiàn)燃燒不充分而冒黑煙，從而造成柴油機(jī)燃油效率降低。

（3）由于突變負(fù)載的沖擊，柴油機(jī)部件的疲勞損壞加劇，會(huì)影響柴油機(jī)的運(yùn)行壽命。

為了克服以上問(wèn)題，2014年研制的400kW飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)將反饋控制理論引入系統(tǒng)控制，目的在于當(dāng)柴油機(jī)負(fù)載突增時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)能及時(shí)分擔(dān)一部分功率，從而減少負(fù)載波動(dòng)對(duì)柴油機(jī)的沖擊，以保證柴油機(jī)正常運(yùn)行，同時(shí)，它可以降低油耗，減少機(jī)械損耗并延長(zhǎng)柴油機(jī)的壽命。長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)踐表明，400kW機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)對(duì)鉆機(jī)設(shè)備有顯著的調(diào)節(jié)作用，但同時(shí)會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)峰不及時(shí)不準(zhǔn)確及與柴油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)匹配后節(jié)能效果不明顯等問(wèn)題。本文采用前饋控制算法改變控制量，優(yōu)化控制器的調(diào)節(jié)時(shí)機(jī)，有效消除了因補(bǔ)峰不及時(shí)而出現(xiàn)的柴油機(jī)“冒黑煙”的現(xiàn)象。采用前饋控制算法的目的在于當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)能快速響應(yīng)。

3.2 實(shí)現(xiàn)方法

當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)處于空載或負(fù)載較小時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制調(diào)峰電機(jī)并在柴油機(jī)組帶動(dòng)下發(fā)電運(yùn)行，給儲(chǔ)能器提供電能，由儲(chǔ)能器存儲(chǔ)能量。當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)有突加負(fù)載時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制調(diào)峰電機(jī)并切換到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，由儲(chǔ)能器輸出電能，經(jīng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，控制調(diào)峰電機(jī)輸出的動(dòng)力，承擔(dān)突加負(fù)載的沖擊，待負(fù)載穩(wěn)定后逐漸退出，達(dá)到平抑負(fù)載對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊，保障動(dòng)力系統(tǒng)平穩(wěn)高效運(yùn)行。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用三級(jí)結(jié)構(gòu)，即直接控制級(jí)、過(guò)程控制級(jí)和系統(tǒng)管理級(jí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括工控機(jī)、上位軟件、下位采集設(shè)備、傳感器及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等。其中工控機(jī)采用研華工控機(jī)，上位軟件采用西門子監(jiān)控軟件。速度傳感器、懸重傳感器、壓力開(kāi)關(guān)、編碼器的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通訊協(xié)議。

圖2 前饋控制框圖

（a）由于載荷可以通過(guò)大鉤懸重傳感器檢測(cè)得到，其與檔位有關(guān)。

（b）對(duì)于泵載荷無(wú)傳感器時(shí)，則其載荷由兩部分構(gòu)成，即：

●慣性載荷，其基本為常數(shù)；

●泵壓負(fù)載，其無(wú)法測(cè)量，需依靠調(diào)節(jié)。

結(jié)論：前饋系統(tǒng)由以下兩部分組成（參見(jiàn)圖3）：

●載荷前饋；

●泵的慣性前饋。

圖3 載荷前饋結(jié)構(gòu)圖

4 動(dòng)力輸出分析

4.1 調(diào)峰協(xié)同電動(dòng)

當(dāng)柴油機(jī)突然帶負(fù)載時(shí)，此時(shí)調(diào)峰全部承擔(dān)這些負(fù)載（因電機(jī)有過(guò)載保護(hù)），隨著時(shí)間的推移，調(diào)峰出力慢慢減小，柴油機(jī)負(fù)載逐漸增大，直至柴油機(jī)全部承擔(dān)負(fù)載。當(dāng)柴油機(jī)負(fù)載超出其額定值時(shí)，超出部分則由調(diào)峰電機(jī)承擔(dān)。

當(dāng)滾筒離合掛合時(shí)，t1計(jì)時(shí)開(kāi)始，其時(shí)基為100ms。

當(dāng)C2＞＝0、A＜＝C2時(shí)，A＝C2。

當(dāng)C2＞＝0、A＞＝C2時(shí)，A＝mg×KL－K2×t1。

當(dāng)C2＜＝0時(shí)，A＝mg×T2－K2×t1。

當(dāng)滾筒離合脫開(kāi)時(shí)或者A＜＝0時(shí)，A＝0。

當(dāng)泥漿泵離合掛合時(shí)，T2計(jì)時(shí)開(kāi)始，時(shí)基為100ms。

當(dāng)泥漿泵離合脫開(kāi)時(shí)，B＝0。

其中，A為游車勾載扭矩，B為泥漿泵載荷扭矩，C1為負(fù)載中間值1，C2為負(fù)載中間值2，N為柴油機(jī)帶載系數(shù)，X為泥漿泵初始功率系數(shù)，n為調(diào)峰電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際值，m為懸重，g為重力系數(shù)，d為滾筒直徑，η為柴油機(jī)效率，KL為檔位系數(shù)（KL＝高低速檔位系數(shù)＊絞車檔位系數(shù)），K1為調(diào)峰電機(jī)電動(dòng)出力系數(shù)，K2為滾筒離合掛合后調(diào)峰電機(jī)的負(fù)荷減小率，K3為泥漿泵的退出系數(shù)，K4為繩系。

4.2 能量回饋

當(dāng)鉆具下方時(shí)，回收電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，開(kāi)始向直流母線回饋能量，回饋功率按照作業(yè)循環(huán)時(shí)間（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)最佳為120s）計(jì)算充電功率。回饋功率采用斜坡給定，在5s內(nèi)逐漸增至回饋功率計(jì)算值。

5 工業(yè)驗(yàn)證分析

5.1 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖4 柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線

如圖4所示，當(dāng)柴油機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源只有柴油機(jī)，在負(fù)載突變動(dòng)力系統(tǒng)受到?jīng)_擊時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降，其最低轉(zhuǎn)速接近1200rpm。

在調(diào)峰協(xié)同柴油機(jī)時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源有柴油機(jī)和調(diào)峰電機(jī)，當(dāng)負(fù)載突變或動(dòng)力系統(tǒng)受到?jīng)_擊時(shí)，調(diào)峰電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，及時(shí)補(bǔ)充一部分功率，以減小甚至完全抑制柴油機(jī)沖擊，使得柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化較小，其最低轉(zhuǎn)速接近1240rpm。

5.2 柴油機(jī)單機(jī)運(yùn)行功率曲線

圖5 柴油機(jī)單機(jī)功率曲線

在柴油機(jī)單獨(dú)提升負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載突變使得柴油機(jī)受到?jīng)_擊，其最高沖擊負(fù)載約為500kW、穩(wěn)定功率為270kW。

5.3 調(diào)峰電機(jī)協(xié)同柴油機(jī)提升鉆具功率曲線

圖6 調(diào)峰系統(tǒng)及協(xié)同柴油機(jī)的功率曲線

調(diào)峰電機(jī)協(xié)同柴油機(jī)可提升負(fù)載功率，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載突變時(shí)，調(diào)峰電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，及時(shí)補(bǔ)充能量抑制沖擊。調(diào)峰電機(jī)的最高功率為440kW，柴油機(jī)接收沖擊功率從150kW上升到250kW，對(duì)于井場(chǎng)最小容量為800kW的柴油機(jī)而言，沖擊功率為100kW的負(fù)荷變化不會(huì)導(dǎo)致“滿黑煙”現(xiàn)象。

5.4 單作業(yè)周期能量流動(dòng)

圖7 單作業(yè)周期能量流動(dòng)曲線

系統(tǒng)提升負(fù)載：飛輪處于降速發(fā)電狀態(tài)，母線電壓維持在930VDC，飛輪功率約等于調(diào)峰電機(jī)功率，也約等于負(fù)載功率。

系統(tǒng)待機(jī)（絞車未提升，未開(kāi)泵）：飛輪處于升速電動(dòng)狀態(tài)，母線電壓維持在845－900VDC。當(dāng)回收系統(tǒng)未投入或者發(fā)電功率低于系統(tǒng)充耗功率時(shí)，母線電壓維持在845VDC，由整流器提供；當(dāng)回收系統(tǒng)發(fā)電功率大于系統(tǒng)充耗功率時(shí)，母線電壓被回收系統(tǒng)抬升，維持在900VDC，同時(shí)，整流器輸出功率因回收功率增大而降低；當(dāng)回收系統(tǒng)撤出時(shí)，整流器逐步增大輸出功率，以維持系統(tǒng)充耗功率（系統(tǒng)充耗功率＝飛輪充電功率＋系統(tǒng)運(yùn)行損耗功率）。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)前饋控制在混合動(dòng)力鉆機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究和分析，針對(duì)反饋控制在飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)中的不足進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，并通過(guò)控制算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)來(lái)提高系統(tǒng)在鉆機(jī)領(lǐng)域的適用性和穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)兩年多的井場(chǎng)模擬實(shí)踐和工業(yè)驗(yàn)證表明，前饋控制能有效提高系統(tǒng)投入的準(zhǔn)確性，減小柴油機(jī)受載沖擊后的速降，能夠解決柴油機(jī)因受載沖擊而導(dǎo)致的“滿黑煙”現(xiàn)象，為老舊鉆機(jī)改造提供了技術(shù)支持，對(duì)推動(dòng)國(guó)家節(jié)能環(huán)保工程有重要意義。

［1］張超平.基于飛輪儲(chǔ)能的鉆機(jī)節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2013，35（8）：156－158.

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Application of feed－forward algorithm in hybrid drilling rigs

NIU Yue－jin1，LI Tao2，GUO Qiao－h(huán)e3，LV Bang－kai2
（1.The No.1 Drilling Company，SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Puyang 457001，China；2.Bode Energy Equipment Co.，Ltd.，Xi＇an 710304，China；3.Overseas Engineering Company，SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Puyang 457001，China）

The drilling rigs are the indispensable and very important equipment in the process of oil and gas field exploration and development.At present，the mechanical drilling rigs occupy a large proportion in the domestic oil－drilling market.Since the implementation of the national energy strategy，the energy saving，the high efficiency and the environmental protection have become the top priority of the oil rig operation in our country.As a new energy storage mode，the flywheel energy－storage technology has great prospects in future.Its application in the field of hybrid drilling is a technical breakthrough and is good for the modification of the old drill.The control strategy is the core of the whole system and is the key of the technological breakthrough.The applications of the feed－forward control algorithm in hybrid electric drilling rigs are presented.The advantages and disadvantages of the feed－forward control and the feedback control are compared.

feed－forward control；hybrid power；oil drilling rig；peak control；fuzzy control；energy conservation and emission reduction

TP273；TP13

：A

1005—7277（2017）01—0030—04

2016－09－18

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAA04B02）