机械驱动钻机柴油机节油控制器的设计

李浩光，马睿

（1.中国石油大学 信息与控制工程学院，山东 东营257061；2.中油管道机械制造有限公司，河北 廊坊065000）

石油钻井的能耗直接关系到油田的生产效益。钻机是钻井的重要设备，国内钻机主要有两种类型：以柴油机为动力的机械驱动钻机和电驱动钻机。由于电驱动钻机尚未全面普及，机械驱动钻机仍然占据相当的比例。以胜利油田渤海钻井总公司为例，现有柴油动力钻机约50套，每套钻机配备3台PZ12V190B型柴油机，主要规格参数：额定转速为1 500r／min；额定功率为882kW；柴油机燃油消耗量为150L／h，合计86t／m，该公司柴油消耗达3亿元／天。因此，加强技术改造、降低燃油消耗率，降低钻井费用是迫切需要的，也是节能降耗、挖潜增效的主要途径。

1 工作原理

柴油动力钻机以柴油机作为原动机，经动力传递装置，拖动井场大功率负荷设备，如：绞车、转盘、泥浆泵等。据测算，在整个钻进过程中，起下钻带来的下放钻具时间约占整个钻井时间的11%。起下钻过程中，绞车是柴油机的主要负荷设备，图1所示为绞车升、降钻杆时的负荷特性关系。

式中：P绞——特性绞车功率，kW；M绞——扭矩，N·m；n——转速，r／min。

可见绞车在起钻过程中，前57s提升钻杆时，M绞较大，速度也较高，绞车所需功率P绞较大；但是在卸扣和排放钻杆时速度比提升扭矩时低，只有提升钻具时的一半，绞车所需功率较低，约占整个起钻时间的33.3%。下钻时空钩提升时，绞车所需功率较大，而接钻杆上扣、下钻时，绞车所需功率较低，约占下钻时间的71.4%。为保证柴油机重载时不息火，目前机械驱动钻机柴油机的油门基本采用手动控制，不论负载轻重，都工作在1 300r／min，存在大马拉小车现象，造成燃油浪费。

图1 钻杆升降负荷特性示意

针对钻井用柴油机起钻、下钻过程中，柴油机始终高速运行，一半时间存在大马拉小车，造成燃油浪费的问题，笔者在分析机械驱动钻机柴油机扭矩速度特性及喷油速度特性的基础上，研制了一种基于数字信号处理器（DSP）TMS320F2812的柴油机转速的节能控制系统，通过安装在绞车主轴处扭矩转速传感器实时检测绞车转速和扭矩，DSP根据计算得到的绞车功率，实时调节柴油机转速，降低了油耗。

2 系统控制方案可行性分析

为便于确定控制方案的可行性，首先对钻井用190型柴油机运行曲线进行分析，如图2所示，反映了柴油机功率Pe、扭矩Me每小时燃油消耗量qm随转速n的变化关系。由图2a）可以看出，柴油机的Me－n特性曲线在800～1 500r／min这段区间内非常平坦，说明在一定范围内改变柴油机n时，柴油机Me基本不变；而图2b）中柴油机的qm－n特性曲线可以看出，qm随n的升高而增大；由图2c）中柴油机的Pe－n特性曲线可以看出，柴油机的Pe随n的升高而增大，说明柴油机Pe和qm均随n升高而升高，在起下钻过程中，柴油机的负载主要是绞车，尤其是绞车在空钩下行时，处于轻载状态，如果柴油机工作在1 300r／min，存在大马拉小车的情况，如果根据绞车所需的功率来改变柴油机相应的转速，降低柴油机输出的功率，来降低油耗，可以达到节能的目的。

图2 柴油机的特性曲线

3 柴油机节油控制器的总体结构

如图3所示，系统通过安装在绞车轴上的扭矩转速传感器判断绞车的扭矩及转速，并将绞车扭矩及转速信号传送至DSP的模拟量输入口；1，2，3号测速探头分别通过45°角形支架安装在3台柴油机的主轴齿轮处，用来测量3台柴油机的转速；1，2，3号柴油机电子油门安装在3台柴油机的油门处，油门拉线与柴油机油门操纵杆相连，DSP控制油门驱动器的伸长和缩短来控制油门拉线，进而调节油门大小；DSP控制板及电动油门直流电机的驱动电路安装在控制箱内，绞车扭矩转速传感器、柴油机测速探头、电子油门驱动器分别通过航空插头与控制柜相连。控制箱安装在司钻房内，方便司钻操作。

图3 钻井用柴油机节能控制系统示意

4 系统硬件电路设计

4.1 绞车扭矩转速传感器及其信号传送电路

在弹性轴的两端安装有2只信号齿轮，在2齿轮的上方各装有1组信号线圈，在信号线圈内均装有磁钢，与信号齿轮组成磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性轴转动时，由于信号齿轮的齿顶及齿谷交替周期性地扫过磁钢的底部，使气隙磁导产生周期性的变化，线圈内部的磁通量亦产生周期性变化，使线圈中感生出近似正弦波的交流电信号。这2组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，因而可以用来测量转速。这2组交流电信号之间的相位与其安装的相对位置及弹性轴所传递扭矩的大小及方向有关。当弹性轴不受扭时，2组交流电信号之间的相位差只与信号线圈及齿轮的安装相对位置有关，该相位差一般称为初始相位差。在设计制造时，使其相差半个齿距左右，即2组交流电信号之间的初始相位差在180°左右。在弹性轴受扭时，将产生扭转变形，使2组交流电信号之间的相位差发生变化，在弹性变形范围内，相位差变化的绝对值与扭矩的大小成正比。由扭矩传感器输出的扭矩及转速值经式（1）计算后得到绞车输出功率。

4.2 油门驱动器及驱动电路设计

电子线性油门驱动器常用于工程机械的大型柴油机的油门电子调速控制，图4为油门驱动器安装示意图，采用柔性软轴连接方式，电子油门通过油门拉线与柴油机油门操纵杆相连，控制电子油门推杆伸长和缩短，控制柴油机油门操纵杆，进而调节油门开度。笔者选用的油门驱动器行程为100mm，可以满足柴油机油门从最小转速到最大转速的行程范围，拉力大于60N，速度为5.0～7.5mm／s，具有较大的拉力和拉线速度，否则负荷突增时，不及时地增加柴油机的供油量，将造成柴油机转速急剧下降，甚至会使柴油机有闷死停车的危险。反之柴油机在大负荷下工作，当突变到小负荷下工作，若供油量不及时，会使柴油机转速急剧上升，造成飞车事故。

图4 油门驱动器安装示意

5 系统软件设计

图5所示为系统通过安装在绞车轴上的扭矩转速传感器实时检测绞车扭矩M绞和绞车转速n绞，并将信号输入DSP，DSP计算得到绞车的实时功率P绞，将图2中柴油机的输出功率－转速特性曲线分段线性化后做成数据表存储在DSP的Flash中，通过查表的方法得到此时柴油机最低油耗对应的转速n＊，为保证柴油机转速能够维持在给定n＊附近，系统对转速采用PI控制，将安装在柴油机主轴齿轮处的速度传感器检测到的转速作为反馈信号，转速偏差Δn，经过PI调节器，得到此时油门驱动器应该伸出或缩回的长度，发出电子油门驱动器H桥驱动电路所需的控制脉冲，改变柴油机油门开度，进而使转速维持在n＊附近。为保证绞车上行中遇卡，油门驱动器拉到最大位置，应在PI调节器输出进行限幅，从而限制油门开度，使绞车输出具有挖土机特性，当绞车遇卡堵转时，柴油机不会飞车。若由于柴油机的测速齿轮与测速传感器的磁头产生机械磨损，测速传感器的磁头内部断线、短路或测速传感器的磁头到柴油机转速控制系统电路的连线断开等原因，使柴油机转速传感器输出到达柴油机转速控制系统的脉冲信号丢失，应设置柴油机转速传感器输出脉冲丢失检测处理子程序。如果2s内检测不到测速脉冲，说明柴油机转速控制系统脉冲信号丢失，此时DSP应发出柴油机油门关闭信号，使柴油机停车，达到柴油机转速传感器输出的脉冲信号丢失而被保护的目的。

图5 系统闭环控制结构示意

6 结束语

经胜利油田黄河钻井总公司40438队实际使用该节能控制系统后，单台柴油机日节约燃油3%，即98L，如果在整个公司的150台柴油机上全面推广使用，全年燃油节约将非常可观，会产生较好的社会效益和经济效益。

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