基于CAN总线的直燃式液氮泵车控制系统*

徐 强，王树龙，刘海鲲，徐 刚

（渤海石油装备制造有限公司，天津 300457）

基于CAN总线的直燃式液氮泵车控制系统*

徐 强，王树龙，刘海鲲，徐 刚

（渤海石油装备制造有限公司，天津 300457）

介绍了直燃式液氮泵车的组成和工作原理，设计一种基于CAN总线的液氮泵车控制系统。描述了控制系统与发动机ECU的CAN总线通讯的配置，并重点介绍控制系统中温控器的组成、蒸发器的温度控制原理。

液氮泵车；控制系统；总线

0 引言

液氮泵车是油气开发过程中氮气压裂作业的关键设备，氮气压裂作业时需要把低温液氮加热蒸发为常温高压氮气输出，液氮泵车配置的液氮蒸发器主要有余热回收式和直燃式。余热回收式液氮泵车一般排量较小，不能满足大排量氮气作业的要求；直燃式蒸发器以柴油为燃料，通过明火将蒸发器盘管内的液氮加热蒸发为氮气，具有液氮蒸发排量大，工作压力高、工作性能稳定等特点[1]。

目前各油田使用的液氮泵车以进口的直燃式为主，价格昂贵且售后服务不便，而国内能规模化、产业化生产的企业很少。为此，中国石油渤海装备制造有限公司研制了直燃式液氮泵车。

1 直燃式液氮泵车工作原理

直燃式液氮泵车主要由液氮－氮气系统、动力系统、液压系统和控制系统等几部分组成。关键设备主要是液氮－氮气系统的离心增压泵、柱塞液氮泵、直燃蒸发器；动力系统和液压系统用于关键设备的驱动；控制系统用于实现液氮泵车的安全、协调、最优运行。

直燃式液氮泵车工作原理为：储罐内的液氮经离心增压泵增压，增压的作用是适当增高排入到柱塞液氮泵吸入端的液氮压力，为正压吸入；增压后的液氮再由柱塞液氮泵压缩为高压液氮排入直燃蒸发器，最后直燃式蒸发器盘管内液氮加热蒸发为常温高压氮气排出[2]。工作原理如图1。

2 控制系统设计

2.1 控制系统结构

压裂作业过程中，控制系统需要采集安装在不同设备上的压力传感器、温度传感器信号，同时还要获得发动机的各项运行参数。发动机配置有CAN总线接口的ECU（Electronic Control Unit），控制系统可通过总线通讯获得发动机的各项参数，考虑到泵车单车整体控制和以后车组联合控制，控制系统采用基于CAN总线的分布式系统的结构，通过总线通讯实现液氮泵车的整体协调控制。

图1 液氮泵车工作原理框图

系统结构如图2所示。

图2 直燃式液氮泵车控制系统结构框图

控制系统包括IQAN-MDM主控模块、IQAN采集模块、触摸屏、发动机ECU、直燃蒸发器温控器等。IQAN-MDM主控模块是控制系统的主控制器，实现温度、压力等参数的运算处理、液氮流量累积、安全联锁等功能。IQAN采集模块布置在各个设备的附近，就近采集安装在设备上的温度传感器、压力传感器信号，可避免由MDM主控模块直接采集导致信号电缆过长、且容易互相干扰的问题。应用组态软件设计触摸屏人机交互界面，显示采集模块采集的温度、压力等参数，可设置压力上限、温度上下限等控制参数，超限时声光报警提示，并保存报警记录用于问题追溯。

2.2 增压泵、液氮泵控制

动力系统包括辅助发动机和主发动机，辅助发动机直接驱动增压泵的液力马达，主发动机通过液力变矩器驱动液氮泵的液压马达[3]。控制系统通过控制液力马达的比例电磁铁的电流大小实现对液氮的流量和压力控制。

以增压泵的控制为例：根据面板增压泵电位器的速度给定，控制系统改变输出给液压马达的比例电磁铁的电流，比例电磁铁的电流大小决定了增压泵的排出流量。

图3 增压泵的控制

2.3 J1939通讯

发动机ECU的CAN接口与控制系统的总线连接，通过J1939协议与控制系统的主控制器IQAN-MDM通讯。J1939是用于中重型道路车辆内部各个电控单元间实现控制功能的高速通信标准，以CAN2.0B为基础。

控制系统按照J1939协议的格式，以通道的方式与发动机ECU通讯，不用专门编写通讯程序。通过对模块的J1939各种类型的输入、输出、诊断等通道组态，与发动机的PGN（参数群）相映射，可获得发动机组的工作参数、发动机组的故障诊断信息。配置见图4。

2.4 直燃蒸发器温控器设计

高压液氮在直燃蒸发器的盘管内加热蒸发为高压氮气[2]。燃烧过程中，如依靠操作人员手动温度控制容易导致温度波动，更为严重的是蒸发器内的温度失控会造成设备事故和人身事故，保证安全燃烧并实现温度自动控制是控制系统的一项重要内容。因此单独设计了温度控制系统，温度控制系统具有点火、火焰检测、熄火切断、熄火报警、自动温控等功能。图5为温控系统的结构图。

（1）安全性

图4 控制系统J1939通讯组态

温控系统配置紫外线火焰检测器，可检测直燃蒸发内燃烧火焰的紫外光，而对灯光和蒸发器高温辐射无反应，抗干扰性强。点火后设定时间内没有检测到火焰或燃烧过程中检测到火焰意外熄灭，系统自动关闭燃料阀，停止送油，防止未燃烧柴油泄漏到蒸发器内[4-5]，同时继续送风，吹扫蒸发器内雾化的柴油，避免下次点火时发生意外事故。火焰感应装置检测信号反馈到温控系统，异常熄灭后及时声光报警，提高直燃式蒸发器的安全性。

图5 温控系统的结构图

（2）温度自动控制

温度控制通过控制点火阀和流量比例阀实现。点火时，由点火变压器触发线圈点燃燃料，燃料由点火阀控制，点火的燃料量不可调节。输出氮气温度的控制主要是通过控制流量比例阀的开度，调节燃料流量，改变烧嘴燃烧功率来实现。

温控系统有一定的滞后时间，为减小控制过程中温度的波动，提高温控的稳定性，温度控制采用前馈-反馈控制的复合控制。根据液氮流量与加热所需燃料的关系规律，作为前馈控制加入到温控系统流量比例阀的给定，延时后测量出口氮气温度，加入PI反馈控制，调节流量比例阀开度来调整供给燃油量，同时按比例调节空气流量，保证燃油充分燃烧，最终实现蒸发器出口氮气温度自动控制。图6为温度控制原理图。

图6 温度控制原理图

3 结束语

国内对液氮泵车的研制还处于起步阶段，与发达国家有差距，随着国内对液氮泵车需求量的增加，研发具有完全自主知识产权的液氮装备，实现国产化已经迫在眉睫。该液氮泵车已顺利完成现场作业任务，现场应用中设备出现的问题将近一步完善。

［1］何霞，王德贵.浅析液氮泵车的国内外现状［J］.石油矿场机械，2011，40（6）：11-14.

［2］钟明军.国产大排量直燃式液氮泵车的研制与试验［J］.石油天然气学报，2011（8）：158-160.

［3］李秉跃，白明伟.ANS180-10-T型液氮泵车改造［J］.石油矿场机械，2010（7）：90-94.

［4］胡浩，闫英敏，陈永利.基于CAN总线技术的车门控制系统［J］.机电工程，2012（11）：1280-1285.

［5］王永胜，周入钢.840K型直燃式液氮泵车的开发及应用［J］.钻采工艺，2009（8）：57-58.

The Control System of Liquid Nitrogen Pump Truck with Direct Fired Vaporizer Based on CAN Bus

XU Qiang，WANG Shu-long，LIU Hai-kun，XU Gang
（CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Tianjin300457，China）

This paper introduces the composition and principle of liquid nitrogen pump truck with direct fired vaporizer，and designed a control system of liquid nitrogen pump based on CAN bus.The paper also describes the configuration of control system and engine’s ECU based CAN bus，and introduces the composition of temperature controller and the temperature control principle of direct fired vaporizer.

liquid nitrogen pump truck；control system；bus

TE934

A

1009－9492(2014)08－0001－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.001

徐 强，男，1976年生，山东莱州人，大学本科，工程师。研究领域：电气系统控制及自动化设计、研发。已发表论文10篇。 (编辑：阮 毅)

*国家科技重大专项项目子课题（编号：2008ZX05037－002）

2014－03－14