基于模糊控制的鉆機(jī)飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰控制系統(tǒng)

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

基于模糊控制的鉆機(jī)飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰控制系統(tǒng)

牛躍進(jìn)1，郭巧合2，李 濤3，呂邦凱3

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

石油鉆機(jī)是石油行業(yè)鉆井勘探的重要設(shè)備，但是長(zhǎng)期存在柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性低、沖擊負(fù)荷影響柴油機(jī)壽命等問題。而飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)能夠有效地解決上述問題，并起到節(jié)能減排的作用。將模糊控制方法應(yīng)用到飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)控制中，可以使系統(tǒng)快速響應(yīng)負(fù)荷變化，理論上可減少一臺(tái)柴油機(jī)的運(yùn)行。測(cè)試結(jié)果表明提出模糊控制方法在響應(yīng)、超調(diào)、調(diào)整補(bǔ)償?shù)确矫娓邇?yōu)勢(shì)，效果更好。

石油鉆機(jī)；飛輪儲(chǔ)能；模糊控制；調(diào)峰控制；節(jié)能減排

1 引言

石油鉆機(jī)是石油行業(yè)鉆井勘探的重要裝備。目前國(guó)內(nèi)的石油鉆機(jī)根據(jù)傳動(dòng)方式可分為機(jī)械鉆機(jī)和電動(dòng)鉆機(jī)。機(jī)械鉆機(jī)是以柴油機(jī)為動(dòng)力，通過液力耦合器、離合器、變速箱、鏈條并車裝置等設(shè)備驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵等設(shè)備運(yùn)行的鉆機(jī)系統(tǒng)。

機(jī)械鉆機(jī)系統(tǒng)又可根據(jù)工作組分為起升系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。起升系統(tǒng)包括起鉆工況和下鉆工況。在起鉆和下鉆工況中長(zhǎng)期存在以下問題：①大馬拉小車，導(dǎo)致柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性非常低；②大馬拉重車，頻繁的沖擊負(fù)荷嚴(yán)重影響柴油機(jī)的使用壽命。由于在下鉆工況中存有可供回收利用的勢(shì)能，所以可以引入飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)，將下鉆產(chǎn)生的勢(shì)能回收利用。這樣可以提高柴油機(jī)的效率，延長(zhǎng)柴油機(jī)使用壽命，起到節(jié)能減排的效果。在對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰控制時(shí)，采用一種模糊控制算法既可以提高飛輪調(diào)峰系統(tǒng)對(duì)沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性，還可以提高飛輪調(diào)峰系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

2 鉆機(jī)飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)由1000kW調(diào)峰電機(jī)、制動(dòng)取能電機(jī)、升壓整流系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、調(diào)峰控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

鉆機(jī)井場(chǎng)輔助發(fā)電機(jī)輸出的400VAC交流三線電源，經(jīng)過400VAC／690VAC升壓變壓器升壓至690VAC三相交流電源，再通過整流器整流為900VDC直流電源，為調(diào)峰系統(tǒng)的逆變器及飛輪系統(tǒng)提供直流電源，飛輪系統(tǒng)即可以通過調(diào)峰子系統(tǒng)發(fā)電反饋來儲(chǔ)能也可以通過升壓整流系統(tǒng)提供直流電源來儲(chǔ)能。在直流母線上配有制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩組制動(dòng)單元，分別連接兩組制動(dòng)電阻，單組額定制動(dòng)電流為85A，最大制動(dòng)電流為300A，可有效確保直流母線電壓穩(wěn)定，防止因電壓太高損壞其他設(shè)備或危及人員安全。增加能量回收子系統(tǒng)，在游車下放過程中將勢(shì)能通過能量回收電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能輸?shù)街绷髂妇€上，通過飛輪逆變器控制單元使飛輪電機(jī)加速，將能量存儲(chǔ)在飛輪儲(chǔ)能器中，提高了能源的利用率。

3 模糊算法的調(diào)峰控制

3.1 模糊控制原理

飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)的模糊控制，是通過核心控制器（ICU200）來實(shí)現(xiàn)的。利用模糊數(shù)學(xué)的知識(shí)，模擬人類的思維方式，將使用人語言描述的控制策略轉(zhuǎn)換成模糊控制規(guī)則，按模糊推理的方法處理用模糊集合表示的輸入輸出，以確定控制量。模糊控制系統(tǒng)包括：①定義變量；②模糊化；③知識(shí)庫(kù)；④邏輯判斷；⑤反模糊化。

模糊控制的基本原理如圖2所示。

3.2 飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)的模糊控制

本控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、速度顯示和轉(zhuǎn)矩控制等功能。其中調(diào)峰系統(tǒng)的模糊控制功能由核心控制器ICU200完成。核心控制器的主體模塊采用的是TMS320F28335芯片。柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)通過傳感器進(jìn)入ICU200進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后通過模糊控制算法計(jì)算控制量，然后將輸出信號(hào)通過D／A轉(zhuǎn)換發(fā)送到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。

控制原理圖如圖3所示。

圖3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)模糊控制原理圖

絞車：K＝KIDW（i）＊KPDW（I）＊KODW（i）

其中，KODW（i）為調(diào)整系數(shù)； KPDW（i）為穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)；KIDW（i）為瞬態(tài)放大倍數(shù)；

泥漿泵：K＝KIP1（i）＊KOP1（i）＊GDP1

其中，KIP1（i）為瞬態(tài)放大倍數(shù)；KOP1（i）為退出放大倍數(shù)；GDP1為功率百分比；

飛輪：K＝KIMG（i）＊KOMG（i）＊MG

其中，KIMG（i）為瞬態(tài)放大倍數(shù)；KOMG（i）為調(diào)整系數(shù)；MG為功率百分比；

該程序的流程圖如圖4所示。

4 測(cè)試與結(jié)論分析

根據(jù)飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖開發(fā)研制了第二套基于模糊控制的機(jī)械調(diào)峰系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試與分析。

測(cè)試在鉆井公司主機(jī)廠進(jìn)行，測(cè)試用負(fù)載為40T，測(cè)試過程模擬石油鉆機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)的起鉆、下鉆工況進(jìn)行測(cè)試。

首先，只使用柴油機(jī)作為唯一的動(dòng)力源，鉆機(jī)帶負(fù)載進(jìn)行起鉆操作，并通過柴油機(jī)安裝的扭矩儀實(shí)時(shí)采集柴油機(jī)功率。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖4 程序流程圖

由圖5可以看出，柴油機(jī)在帶載起鉆工況時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊負(fù)荷（圖中可看出沖擊負(fù)荷約為穩(wěn)定負(fù)荷的50%）。此時(shí)柴油機(jī)會(huì)產(chǎn)生冒黑煙的現(xiàn)象；同時(shí)較大的沖擊負(fù)荷也會(huì)影響柴油機(jī)的使用壽命。

圖5 僅柴油機(jī)帶負(fù)載測(cè)試

然后，使用柴油機(jī)、帶有模糊控制算法的調(diào)峰系統(tǒng)同時(shí)作為系統(tǒng)動(dòng)力源，進(jìn)行鉆機(jī)帶載起鉆測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 柴油機(jī)＋飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)

由圖6可以看出，鉆機(jī)在帶載起鉆測(cè)試過程中，柴油機(jī)輸出功率緩慢上升，最終達(dá)到穩(wěn)定負(fù)荷。柴油機(jī)在運(yùn)行過程中沒有再產(chǎn)生沖擊負(fù)荷；鉆機(jī)系統(tǒng)在帶載起鉆瞬間所需的大量能量由飛輪調(diào)峰系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行了補(bǔ)償。由于使用了模糊控制方法，對(duì)于飛輪的控制可以做到及時(shí)響應(yīng)，同時(shí)對(duì)于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)所需輸出的補(bǔ)償能量也能較準(zhǔn)確地控制。

在1檔高速、1檔低速狀態(tài)下，進(jìn)行了大量的起鉆、下鉆工況模擬測(cè)試，在飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)的作用下已經(jīng)完全消除了柴油機(jī)的沖擊負(fù)荷，通過對(duì)柴油機(jī)的觀察，柴油機(jī)已經(jīng)無冒黑煙現(xiàn)象，測(cè)試結(jié)果良好。

5 結(jié)束語

針對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，本文提出了一種基于模糊控制的鉆機(jī)飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有效提高鉆機(jī)系統(tǒng)對(duì)沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性；延長(zhǎng)柴油機(jī)使用壽命；理論上可減少一臺(tái)柴油機(jī)組運(yùn)行。測(cè)試結(jié)果也表明本文提到的模糊控制方法在響應(yīng)、超調(diào)、調(diào)整補(bǔ)償?shù)确矫娓邇?yōu)勢(shì)，效果更好。

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Rig flywheel energy－storage peak－control system based on fuzzy control

NIU Yue－jin1，GUO Qiao－h(huán)e2，LI Tao3，LV Bang－kai3
（1.The No.1 Drilling Company，SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Puyang 457001，China；2.Overseas Engineering Company，SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Puyang 457001，China；3.Bode Energy Equipment Co.，Ltd.，Xi＇an 710000，China）

The oil exploration drilling rigs are the important oil industry equipment，but it exists that of the problem of low economy for diesel fuel and serious effect of impact load to diesel engine’s service－life.The flywheel energy－storage peak－control system can effectively solve the above problem，and can play the role of energy saving and emission reduction.The fuzzy control method is applied to the flywheel energy－storage peak－control system，which makes the system quickly respond the change of the load and theoretically reduce one of the diesel engines running.The test results also show that the fuzzy control method mentioned in this paper has more advantages and better effect in response，overshoot，adjustment and compensation.

oil rig；flywheel energy storage；fuzzy control；peak control；energy saving and emission reduction

TE951

A

1005—7277（2016）05—0016—03

2016－07－11