电动钻机动力系统的负荷智能分配研究

石建龙，李永国，杨怀建，张 耀

（1.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水 741020；2.渤海钻探塔里木钻井分公司设备科，新疆库尔勒 841000；3.渤海钻探第五钻井分公司装备管理科，河北河间 062450）

1 引言

电动钻机的动力系统，既可以是高压电网通过变压器降压的电网，也可以是配置的自备电站。大多数的自备电站是由3到5台柴油发电机组并网构成。对这类钻机，为了节能环保、降低运行成本的目的，工作时在网机组数量越少越好；由于钻井工艺经常有短时冲击负荷或时间不长的轻过载工况。所以为了适应这些变化而频繁启停机组以及经济运行，就需要实时监测总负荷与机组的带载和储备能力，对实际的负荷需求根据机组能力进行智能分配或限制需求。本文就负荷的智能分配控制进行研究。

2 负荷智能分配

石油钻机动力系统的负荷智能分配有两方面含义：一是动力系统的能力不变时，对一定时间范围内增加的负荷需求，根据预先确定的优先顺序，从低到高逐级降低已带负荷，保障高等级负荷需求，不进行增加并网机组的声光提示或者自动起机并网操作；二是当负荷需求在设定的时间内超过了在网机组设置的能力上限后，立即进行增加机组并网的声光提示或者对具备启机条件的机组自动启机、并网，当并网机组多于一台且负荷需求在设定的时间内低于了设置的单台能力下限后，立即进行解列机组的声光提示或者自动卸载、解列。

3 系统组成

由上所述可知，为了负荷智能分配，需要预先知道每台机组的带载能力、实际并网数量、钻井工艺要求的负荷、待机/运行机组的油压、水温、气路压力、运行时间、已带负荷大小等数据，同时还要根据要求对负荷和机组的启停等进行预定控制、对各种保护数据进行方便的更改。因此，系统由硬件和软件两部分组成。

3.1 硬件

硬件主要由油压、水温、电流、电压等传感器及PLC控制系统、HMI人机界面、网络组件、接口模块等组成，主要完成负荷的测量及智能化做支持。一个4台机组负荷智能分配硬件拓扑结构如图1所示。

图1 4台机组的负荷智能分配系统硬件拓扑结构

3.2 软件

软件在PLC系统及HMI等人机接口模块内，主要完成启停机组和功率限制的智能化功能，具体要求如下。

（1）检测机组状态：是否在检修状态、是否处于自动模式、水温、油压、气源压力等参数是否在正常范围内；

（2）确定优先级：根据每台机组累计运行时间及历史燃油消耗率，确定其启停优先级，在相同负荷时，燃油消耗率低且累计运行时间短的为高优先级；

（3）确定是否需要增加或减少并网机组：根据钻井工艺参数计算所需负荷，与传感器实际检测的负荷进行比较，当超过预先设定的保护参数后，由人机接口发出声光提示或直接启停信号；

（4）如果检测到只有一台机组在网，负荷需求在设定的时间内持续超过了设定的上限（比如90%），且检测到具有一台以上的可用机组，则发出增加机组的声光提示或者直接自动启动优先级最高的一台；

（5）如果检测到有2台以上机组在网，负荷需求在设定的时间内持续低于设定的下限（比如80%），则发出减少机组的声光提示或者自动卸载、解列优先级最低的一台；如果只有一台机组在网，则发出轻载的声光提示；

（6）如果负荷需求超过了在网机组能力的设定上限（比如90%）且在设定的时间内继续增加，但没有可并网机组，则发出功率限制信号给负荷需求系统，负荷需求系统按照预先规定的顺序降低最低等级的负荷以保证最高等级的需求。

一种计算启停机组、限制负荷的软件流程如图2所示。

图2 机组启、停软件计算流程图

4 使用条件

根据上面的描述，负荷智能分配系统需要柴油发电机组、钻井工艺操作、实际负荷检测及限制等部分系统的支持、协调控制才能实现其功能。对于新配套的电控系统为数字控制技术的钻机，配置传感器、执行器、PLC控制器、人机接口模块等比较容易；对已在用的使用自备电站的早期钻机，如果电控系统为数字控制技术，增加负荷智能分配系统时，只需改造柴油机的数据采集控制接口和负荷需求的限制软件，配置起来相对容易；如果电控系统为模拟控制，除需要改造柴油机外，还要对负荷（绞车、转盘/顶驱、泥浆泵）的控制及速度设定接口进行改造，工作量很大，不容易实现。

5 结束语

通过对负荷智能分配系统的研究，给出了需要的硬件配置、软件要求以及使用条件，对配套工程具有一定的参考意义。