電動鉆機動力系統的負荷智能分配研究

石建龍，李永國，楊懷建，張 耀

（1.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水 741020；2.渤海鉆探塔里木鉆井分公司設備科，新疆庫爾勒 841000；3.渤海鉆探第五鉆井分公司裝備管理科，河北河間 062450）

1 引言

電動鉆機的動力系統，既可以是高壓電網通過變壓器降壓的電網，也可以是配置的自備電站。大多數的自備電站是由3到5臺柴油發電機組并網構成。對這類鉆機，為了節能環保、降低運行成本的目的，工作時在網機組數量越少越好；由于鉆井工藝經常有短時沖擊負荷或時間不長的輕過載工況。所以為了適應這些變化而頻繁啟停機組以及經濟運行，就需要實時監測總負荷與機組的帶載和儲備能力，對實際的負荷需求根據機組能力進行智能分配或限制需求。本文就負荷的智能分配控制進行研究。

2 負荷智能分配

石油鉆機動力系統的負荷智能分配有兩方面含義：一是動力系統的能力不變時，對一定時間范圍內增加的負荷需求，根據預先確定的優先順序，從低到高逐級降低已帶負荷，保障高等級負荷需求，不進行增加并網機組的聲光提示或者自動起機并網操作；二是當負荷需求在設定的時間內超過了在網機組設置的能力上限后，立即進行增加機組并網的聲光提示或者對具備啟機條件的機組自動啟機、并網，當并網機組多于一臺且負荷需求在設定的時間內低于了設置的單臺能力下限后，立即進行解列機組的聲光提示或者自動卸載、解列。

3 系統組成

由上所述可知，為了負荷智能分配，需要預先知道每臺機組的帶載能力、實際并網數量、鉆井工藝要求的負荷、待機/運行機組的油壓、水溫、氣路壓力、運行時間、已帶負荷大小等數據，同時還要根據要求對負荷和機組的啟停等進行預定控制、對各種保護數據進行方便的更改。因此，系統由硬件和軟件兩部分組成。

3.1 硬件

硬件主要由油壓、水溫、電流、電壓等傳感器及PLC控制系統、HMI人機界面、網絡組件、接口模塊等組成，主要完成負荷的測量及智能化做支持。一個4臺機組負荷智能分配硬件拓撲結構如圖1所示。

圖1 4臺機組的負荷智能分配系統硬件拓撲結構

3.2 軟件

軟件在PLC系統及HMI等人機接口模塊內，主要完成啟停機組和功率限制的智能化功能，具體要求如下。

（1）檢測機組狀態：是否在檢修狀態、是否處于自動模式、水溫、油壓、氣源壓力等參數是否在正常范圍內；

（2）確定優先級：根據每臺機組累計運行時間及歷史燃油消耗率，確定其啟停優先級，在相同負荷時，燃油消耗率低且累計運行時間短的為高優先級；

（3）確定是否需要增加或減少并網機組：根據鉆井工藝參數計算所需負荷，與傳感器實際檢測的負荷進行比較，當超過預先設定的保護參數后，由人機接口發出聲光提示或直接啟停信號；

（4）如果檢測到只有一臺機組在網，負荷需求在設定的時間內持續超過了設定的上限（比如90%），且檢測到具有一臺以上的可用機組，則發出增加機組的聲光提示或者直接自動啟動優先級最高的一臺；

（5）如果檢測到有2臺以上機組在網，負荷需求在設定的時間內持續低于設定的下限（比如80%），則發出減少機組的聲光提示或者自動卸載、解列優先級最低的一臺；如果只有一臺機組在網，則發出輕載的聲光提示；

（6）如果負荷需求超過了在網機組能力的設定上限（比如90%）且在設定的時間內繼續增加，但沒有可并網機組，則發出功率限制信號給負荷需求系統，負荷需求系統按照預先規定的順序降低最低等級的負荷以保證最高等級的需求。

一種計算啟停機組、限制負荷的軟件流程如圖2所示。

圖2 機組啟、停軟件計算流程圖

4 使用條件

根據上面的描述，負荷智能分配系統需要柴油發電機組、鉆井工藝操作、實際負荷檢測及限制等部分系統的支持、協調控制才能實現其功能。對于新配套的電控系統為數字控制技術的鉆機，配置傳感器、執行器、PLC控制器、人機接口模塊等比較容易；對已在用的使用自備電站的早期鉆機，如果電控系統為數字控制技術，增加負荷智能分配系統時，只需改造柴油機的數據采集控制接口和負荷需求的限制軟件，配置起來相對容易；如果電控系統為模擬控制，除需要改造柴油機外，還要對負荷（絞車、轉盤/頂驅、泥漿泵）的控制及速度設定接口進行改造，工作量很大，不容易實現。

5 結束語

通過對負荷智能分配系統的研究，給出了需要的硬件配置、軟件要求以及使用條件，對配套工程具有一定的參考意義。