壓裂機組在線加油裝置控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

宋學(xué)蓮，田應(yīng)成，唐瑞歡，劉有平

（1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)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(guī)油氣藏高效開發(fā)的重要手段[1-2]。 高壓力、高排量的需求導(dǎo)致壓裂作業(yè)規(guī)模越來越大， 壓裂車從單車作業(yè)到最大32臺組網(wǎng)作業(yè)，消耗的能源與日俱增，然而目前壓裂車組還采用增設(shè)油箱的方式為發(fā)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(xiàn)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(dá)1800 L，可燃性負(fù)載積聚，火災(zāi)風(fēng)險高。

因此提出了去除油箱，直接給發(fā)動機供油的聯(lián)網(wǎng)在線自動加油的方案，并研制了壓裂機組在線式連續(xù)加油裝置及控制系統(tǒng)。

1 控制要求、系統(tǒng)組成及設(shè)計流程

1.1 概述

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

為實現(xiàn)對壓裂車供油管路的啟、閉控制以及供油狀態(tài)監(jiān)控，在壓裂車上增設(shè)了一套控制系統(tǒng)。 該控制系統(tǒng)作為從站， 與加油裝置上的主站進(jìn)行通訊，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測。

加油裝置布置在遠(yuǎn)離爆炸性氣體危險作業(yè)區(qū)的安全區(qū)域，可以較大的減小在危險場所因可燃物負(fù)荷大容易引起火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險。

1.2 控制要求

由于發(fā)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(nèi)供油不足或供油失效會導(dǎo)致停機，嚴(yán)重影響現(xiàn)場作業(yè)，并造成重大經(jīng)濟損失，故需要設(shè)計一種穩(wěn)定可靠的加油控制系統(tǒng)。

為兼容不同品牌壓裂車，適配不同發(fā)動機的吸油能力，實現(xiàn)車組隨機組合配置功能，需要針對性設(shè)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(xiàn)在線加油功能，提出了以下關(guān)鍵技術(shù)要求：

（1）壓裂車識別與通訊；

（2）供油管線與車輛一一對應(yīng)；

（3）實現(xiàn)在線穩(wěn)定加油和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控；

（4）本地、遠(yuǎn)程操作選擇；

（5）數(shù)據(jù)存儲、查詢和調(diào)用。

1.3 系統(tǒng)組成及功能劃分

連續(xù)加油裝置控制系統(tǒng)組成及功能劃分架構(gòu)，如圖1 所示。 本系統(tǒng)由主站控制系統(tǒng)和從站控制系統(tǒng)組成。 主站上包括了工程師站、控制站、服務(wù)器站和操作站的功能，它們布置在同一設(shè)備上，可進(jìn)行集中管理和分析診斷，并實現(xiàn)組態(tài)配置、運行監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲。 工程師站的功能包括設(shè)備建模、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)查詢；控制站的功能包括數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動輸出以及控制算法設(shè)計；服務(wù)器站的功能包括數(shù)據(jù)存儲和設(shè)備維保；操作站的功能包括設(shè)備組態(tài)、現(xiàn)場操作和數(shù)據(jù)監(jiān)測。 從站上僅設(shè)置了操作站，它的功能包括數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動輸出。

圖1 系統(tǒng)組成及功能劃分架構(gòu)圖Fig.1 System composition and function division architecture diagram

1.4 設(shè)計流程及實施方法

設(shè)計流程規(guī)劃如圖2 所示，具體實施步驟如下：

圖2 設(shè)計流程Fig.2 Design flow chart

步驟1進(jìn)行設(shè)備組態(tài)， 實現(xiàn)邏輯功能設(shè)計和算法設(shè)計，完成PLC 和IO 關(guān)聯(lián)、畫面設(shè)計與聯(lián)動；

步驟2建立設(shè)備層和網(wǎng)絡(luò)層通訊， 實現(xiàn)上位機與設(shè)備、從站與主站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的通訊；

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

步驟4運行連續(xù)加油裝置在線監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)人機交互、故障診斷和數(shù)據(jù)查詢。

2 研究內(nèi)容

2.1 并網(wǎng)設(shè)計

現(xiàn)場作業(yè)時壓裂機組一般成組布置，數(shù)量通常在20 臺左右，最多高達(dá)32 臺。 為保證可靠性，壓裂車之間采用首尾連接，形成環(huán)網(wǎng)式通訊網(wǎng)絡(luò)。 供油裝置需要與每個壓裂車從站進(jìn)行通訊，為減少主站到從站的網(wǎng)絡(luò)布置，將加油裝置直接接入壓裂機組網(wǎng)絡(luò)，借用壓裂機組網(wǎng)絡(luò)交換機和網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)對各個車輛的狀態(tài)監(jiān)視與分布式控制， 如圖3 所示。當(dāng)建立好機組通訊后，加油裝置可根據(jù)車輛加油的需求，成組或單車控制對應(yīng)車輛的供、回油路。

圖3 壓裂機組環(huán)網(wǎng)布置Fig.3 Ring network layout of fracturing unit

壓裂車從站可設(shè)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(wǎng)絡(luò)交換機輪尋通訊。 成組的壓裂車從站IP 地址信息錄入系統(tǒng)后， 每個IP 地址就對應(yīng)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(fā)生通訊故障后會立即發(fā)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(wǎng)絡(luò)繼續(xù)順序建立與從站的通訊。 在加油程序執(zhí)行過程中，可以根據(jù)需要增減車輛，組網(wǎng)信息同步更新且不影響新機組的連續(xù)加油。

2.2 PID 控制

如圖4 所示，供、回油路設(shè)定壓力值SetVar 與經(jīng)供、 回油路壓力傳感器負(fù)反饋值A(chǔ)ctualVar 疊加后的偏差作為輸入，經(jīng)過PID 算法調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速， 從而改變主供油壓力和主回油壓力，直到達(dá)到壓力動態(tài)平衡。 圖中Kp為比例參數(shù)，有比例放大的效果；Tn為積分參數(shù)，有積分增益的效果；Tv和Td分別為微分和阻尼參數(shù)，有微分增益的效果。對PID 參數(shù)進(jìn)行在線整定和優(yōu)化，最終可以達(dá)到快速、穩(wěn)定的動態(tài)壓力平衡效果。

圖4 PID 結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of PID

2.3 人機交互

連續(xù)加油裝置設(shè)計了本地控制面板和遠(yuǎn)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(shè)備開機后自動運行連續(xù)加油在線監(jiān)控系統(tǒng)。 該系統(tǒng)設(shè)置了3 個不同的角色，優(yōu)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(tǒng)。管理者擁有所有操作權(quán)限；操作者擁有加油操作權(quán)限，不具備歷史數(shù)據(jù)訪問和查詢權(quán)限；瀏覽者，僅瀏覽不能操作，且不具備歷史數(shù)據(jù)訪問和查詢權(quán)限。

人機交互界面按照功能劃分并進(jìn)行獨立設(shè)計，包括主界面、流程圖界面、參數(shù)設(shè)置界面、參數(shù)顯示界面、報警顯示界面、數(shù)據(jù)查詢界面、IO 監(jiān)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(biāo)回到主界面。 每個顯示界面分為標(biāo)題欄區(qū)、狀態(tài)區(qū)和工作區(qū)。 工作區(qū)根據(jù)需要可切換到不同功能界面，標(biāo)題欄顯示系統(tǒng)菜單、設(shè)備溫度以及主頁圖標(biāo)。狀態(tài)區(qū)顯示了當(dāng)前登陸信息、當(dāng)前時間、通訊狀態(tài)以及系統(tǒng)電源參數(shù)。 連續(xù)加油裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)主界面工作區(qū)，如圖5 所示。

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

本系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)管理主要依托第三方關(guān)系數(shù)據(jù)庫，對實時/歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲，以便于后臺查詢、分析和處理。 在數(shù)據(jù)庫管理頁面可以實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(diào)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(diào)試要求的環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試，完成上電前檢查、通電狀態(tài)檢查。

步驟2確定主供油壓力和主回油壓力。 通過組網(wǎng)的車輛數(shù)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(xù)供油。

步驟3根據(jù)供油泵和回油泵轉(zhuǎn)速從0 r/min達(dá)到額定值的平滑穩(wěn)定加速時間，計算出穩(wěn)定壓力的PID 參數(shù)初始值，經(jīng)在線調(diào)試后將微分和阻尼參數(shù)固定下來，而比例參數(shù)則作為主調(diào)參數(shù)，積分參數(shù)作為微調(diào)參數(shù)，在供油過程中根據(jù)車輛數(shù)量、響應(yīng)時間等需要進(jìn)行調(diào)整。

步驟4設(shè)置超壓保護(hù)值。當(dāng)供、回油轉(zhuǎn)速給定值超過超壓保護(hù)值時，給定轉(zhuǎn)速按照設(shè)定的限值進(jìn)行調(diào)整。

步驟5啟動一鍵式供油，觀察主、回油路壓力達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定運行的時間。 如果時間過長可以通過調(diào)大比例參數(shù)和減小積分參數(shù)來縮短時間。 加油車組的數(shù)量和車輛更改后，重新輸入主供油壓力和主回油壓力設(shè)定值，并觀察壓力波動，調(diào)節(jié)比例和積分參數(shù)。 現(xiàn)場試驗結(jié)果為：啟動一鍵式供油后，在10 s 左右達(dá)到供油壓力動態(tài)平衡，增減壓裂車數(shù)量或更改設(shè)定壓力值，可在5 s 左右重新達(dá)到供油壓力動態(tài)平衡。 在動態(tài)平衡的調(diào)節(jié)時間內(nèi)，不會導(dǎo)致發(fā)動機停機，滿足了發(fā)動機連續(xù)加油的要求。 現(xiàn)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(xù)加油試驗數(shù)據(jù)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(dá)到動態(tài)平衡。

如圖8 所示， 回油壓力在-60 kPa 左右達(dá)到動態(tài)平衡。

步驟6無線通訊距離測試。 在距離主站100 m范圍內(nèi)，無遮擋情況下，手持式操作終端可穩(wěn)定建立與主、從站的通訊，遠(yuǎn)程控制連續(xù)加油裝置作業(yè)、監(jiān)視油管線狀態(tài)，查詢數(shù)據(jù)庫信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。 就地操作站和遠(yuǎn)程手持式操作終端的雙操作設(shè)計，使設(shè)備使用更靈活方便。

4 結(jié)語

連續(xù)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(xié)同作業(yè)的問題；采用PID 控制方法，迅速跟隨并調(diào)節(jié)供、回油壓力達(dá)到動態(tài)平衡，實現(xiàn)了在線連續(xù)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(yè)火災(zāi)風(fēng)險，對實現(xiàn)安全壓裂作業(yè)具有有益效果。