2500型壓裂車電氣自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

熊 偉

（四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北武漢 430000）

1 2500型壓裂車的結(jié)構(gòu)與原理簡介

1.1 2500型壓裂車的結(jié)構(gòu)

2500型壓裂車是我國北方重工集團(tuán)自主研發(fā)的一種壓裂車，現(xiàn)已成功投入生產(chǎn)并得到了廣泛的應(yīng)用。為了更好地適應(yīng)國內(nèi)外的市場環(huán)境，2500型壓裂車常被應(yīng)用于非常規(guī)能源或是特殊地質(zhì)條件下的能源開采作業(yè)中[1]。2500型壓裂車的電氣控制系統(tǒng)中包含泵車車胎發(fā)動機(jī)及遠(yuǎn)程啟動發(fā)動機(jī)等功能，具有較為明顯的現(xiàn)代化應(yīng)用特征。該設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)如表1所示，上裝部分與底盤部分的功能組成較為清晰。

表1 2500型壓裂車的總體結(jié)構(gòu)示意

1.2 2500型壓裂車工作原理

2500型壓裂車通過底盤中的發(fā)動機(jī)為整體提供動力，啟動電機(jī)以后，驅(qū)動車臺發(fā)動機(jī)會產(chǎn)生動力，進(jìn)而持續(xù)運轉(zhuǎn)，液力傳感箱可將動力直接輸送至壓裂泵的動力端，并為壓裂泵的運轉(zhuǎn)提供驅(qū)動力，使混砂車所提供的壓裂液被吸入管中，增加壓裂泵的壓力，而高壓工況的狀態(tài)下，壓裂液會從管道排至井下進(jìn)行壓裂作業(yè)。

2 2500型壓裂車的電氣控制系統(tǒng)主要構(gòu)造

2.1 本地制動控制箱

在2500型壓裂車的電氣控制系統(tǒng)中，為滿足單機(jī)或多機(jī)聯(lián)合的作業(yè)需求，駕駛室的左側(cè)區(qū)域通常裝有本地制動控制箱，該設(shè)備可對系統(tǒng)的啟動及制停發(fā)出相關(guān)指令，并通過傳動箱、壓裂泵等部件的動態(tài)變化發(fā)揮預(yù)警或超壓保護(hù)的功能。此外，還可以對整機(jī)的定壓或定排量進(jìn)行自動化作業(yè)。技術(shù)人員只需在作業(yè)前使用數(shù)據(jù)線將各類設(shè)備連為一體，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對該系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)、傳動箱、壓裂泵等設(shè)備進(jìn)行共享使用，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)流程進(jìn)行聯(lián)機(jī)作業(yè)，但在作業(yè)之前必須要對連接流程進(jìn)行編寫，實現(xiàn)各組設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化控制。此外，技術(shù)人員還可在設(shè)備控制箱上安裝數(shù)據(jù)采集口，將其與計算機(jī)的連接后可用于搜集參數(shù)。本地制動控制箱是該系統(tǒng)的核心設(shè)備，其中包含了許多重要的控制元件。另外，在制動控制箱內(nèi)部還存在繼電器、開關(guān)電源及信號處理等設(shè)備，箱體的一側(cè)設(shè)置電源插座，并具備防震及防潮性能。

2.2 臺上儀表箱

如表2所示，2500型壓裂車的臺上儀表箱主要有以下功能。

表2 2500型壓裂車的臺上儀表箱功能（參考）

2.3 臺上控制箱

表3 2500型壓裂車的臺上控制箱組成

2500型壓裂車的臺上控制箱內(nèi)含有大量的電氣元件及電氣顯示儀表，該設(shè)備一般位于2500型壓裂車車臺的左側(cè)，為便于檢修工作，臺上控制箱內(nèi)的各個接線等都具有清晰的標(biāo)記[2]，其中主要的元件如表3所示。

2.4 遠(yuǎn)程控制箱

在2500型壓裂車壓裂作業(yè)時，遠(yuǎn)程控制箱可用于距離控制模式下的淡季作業(yè)，也能與其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)作業(yè)。當(dāng)壓裂作業(yè)所產(chǎn)生的壓力值越高，那么該操作的危險性就越大。而2500型壓裂車可以通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離作業(yè)的模式下完成自動控制作業(yè)，并對單臺壓裂車的停機(jī)或油門等功能進(jìn)行合理化條件，使該系統(tǒng)中的發(fā)動機(jī)、傳動箱等部件的狀態(tài)符合要求，再配合發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速及大泵瞬時排量，實現(xiàn)計算機(jī)數(shù)據(jù)的超壓報警[3]。另外，遠(yuǎn)程控制箱的操作設(shè)備中包含手持式的平板電腦，能夠在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下與臺上電腦設(shè)備實現(xiàn)同步，只需將各個設(shè)備用數(shù)據(jù)線連接起來，就能形成環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)，使各設(shè)備之間實現(xiàn)有效的串聯(lián)和集中管理，數(shù)據(jù)與信息的高效傳遞模式支持?jǐn)?shù)據(jù)共享，并為高壓作業(yè)環(huán)境中的工作人員提供安全保障，減少現(xiàn)場中安全事故的發(fā)生幾率。

3 2500型壓裂車電氣自動控制系統(tǒng)的主要控制技術(shù)要求

3.1 單泵單獨控制和機(jī)組編組控制

單泵單獨控制功能有多種，其中包含對發(fā)動機(jī)設(shè)備的啟、停；設(shè)備檔位的升、降；還可進(jìn)行設(shè)備的壓力測試；而機(jī)組編組的控制是指技術(shù)人員在選定泵車組時，可根據(jù)需求將部分泵車設(shè)為一組，能夠控制這些泵車組的檔位及油門等功能。

3.2 定排量、定壓力控制

2500型壓裂車的電氣自動控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出較高水平的自動化，對定排量及定壓力控制方面具備優(yōu)異的性能。技術(shù)人員可先設(shè)定數(shù)值，再以實際的施工情況為根據(jù)，選用4＂～5＂柱塞，使其處于壓力值的最高狀態(tài)與排量值的最高狀態(tài)之間即可。如表4為柱塞的性能參數(shù)，由于所設(shè)定的壓力值不同，柱塞的性能參數(shù)又可分為3種。

表4 2500型壓裂車柱塞泵性能參數(shù)（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1900 r/min）

（1）壓力值小于設(shè)定的小區(qū)間。在自動模式下的泵車可根據(jù)排量值對2500型壓裂車的檔位和油門進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，從而使設(shè)備機(jī)組能夠滿足排量需求，若調(diào)節(jié)的過程中泵車出現(xiàn)故障情況，則自動模式作業(yè)下的泵車會自動調(diào)高排量，以維持設(shè)定排量的狀態(tài)[4]。

（2）壓力值介于設(shè)定的大、小區(qū)間之間。則設(shè)置為自動模式下的泵車，會維持當(dāng)下的檔位和油門控制狀態(tài)，而不會自動調(diào)高泵車檔位；若所設(shè)定的排量與大泵累計排量相比過小時，則設(shè)備的機(jī)組會自動調(diào)節(jié)檔位使其與設(shè)定的排量值相符；若壓力值處于這一區(qū)間，僅設(shè)定的排量值比實際的泵車?yán)鄯e排量值相對較小，則設(shè)備機(jī)組會重新調(diào)節(jié)檔位和油門的作業(yè)狀態(tài)。

（3）壓力值大于設(shè)定的大區(qū)間。則設(shè)備機(jī)組會按照八檔至一檔的順序依次降低檔位，至八檔全部空檔后，其余泵車的檔位也會持續(xù)下降。若設(shè)備機(jī)組的壓力一直處于比設(shè)定壓力值高的區(qū)間內(nèi)，則各臺自動作業(yè)的泵車都會自動調(diào)低檔位，直至所有的泵車都降為空檔。

3.3 機(jī)車總快捷停控制

2500型壓裂車中的設(shè)備機(jī)組具有總快捷停控制功能，啟動“快捷停”控制鍵以后，確認(rèn)每臺設(shè)備是否連接無誤，使用數(shù)據(jù)線將設(shè)備串聯(lián)起來，形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動機(jī)、傳動箱等設(shè)備在這一狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享及快捷鍵控制，使該系統(tǒng)的自動化程度較高，而再次確認(rèn)按鍵以后，2500型壓裂車的設(shè)備機(jī)組將會取消快捷鍵的保持狀態(tài)，必須經(jīng)過狀態(tài)取消，才能控制泵車的檔位和油門。

3.4 壓裂車控制系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

2500型壓裂車中的控制系統(tǒng)是目前國際上最為先進(jìn)的自動化控制技術(shù)，其精準(zhǔn)度較高、可靠性較強(qiáng)，具有良好的兼容性，能夠依照操作的需求靈活切換作業(yè)方式，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，控制設(shè)備可供便攜。從技術(shù)特點方面來分析，2500型壓裂車的電氣自動化系統(tǒng)在先進(jìn)的核心技術(shù)支持下，對多類型的發(fā)動機(jī)及設(shè)備存在高兼容性，在多車環(huán)網(wǎng)的設(shè)備控制中，也能發(fā)揮出強(qiáng)大的實用優(yōu)勢，如在壓力值與排量值的自動化控制作業(yè)中，該系統(tǒng)可依據(jù)實際作業(yè)的需求自由編組控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有工業(yè)觸摸屏等控制終端，可自行診斷或預(yù)警，設(shè)計理念趨于安全化。除此之外，2500型壓裂車的控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境中的工作，如-40～60℃之間的環(huán)境都可勝任，且操作界面可劃分語言種類，便于多種領(lǐng)域使用該項技術(shù)。

4 結(jié)束語

在我國油田工程的開發(fā)中，以崎嶇、潮濕、多灰的路況作業(yè)環(huán)境為主，2500型壓裂車設(shè)備在此惡劣的工作環(huán)境中發(fā)揮了重要的作用，不同泵注類型的2500型壓裂車可服務(wù)于不同的工作項目。該項設(shè)備采用先進(jìn)的國際標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)制造，強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力使其在惡劣的工作環(huán)境下滿足巖頁氣鉆采時間長及排量大等多種施工要求，由于制造技術(shù)較為先進(jìn)，2500型壓裂車的液力端運行壽命能夠比同類產(chǎn)品提升57%左右。2500型壓裂車的電氣自動化系統(tǒng)經(jīng)過扭振分析技術(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在工作狀態(tài)下并無劇烈的振動，施工工況的安全性得到大幅提升。該系統(tǒng)在先進(jìn)的集成技術(shù)支持下，采用高端的配套產(chǎn)品，裝備能力得到有效增強(qiáng)，持續(xù)作業(yè)能力比同類產(chǎn)品提升15%，整體設(shè)備的機(jī)能消耗下降3%，使壓裂施工作業(yè)更加穩(wěn)定、安全。