柴油发电机组能源管理系统在石油钻机上的应用

李艳琴，李崇博，李春生，王军鸽

（1.西安宝美电气工业有限公司，陕西西安710077）

柴油发电机组能源管理系统在石油钻机上的应用

李艳琴1，李崇博1，李春生1，王军鸽1

（1.西安宝美电气工业有限公司，陕西西安710077）

针对目前电动钻机中动力机组在现场钻井作业时不能充分发挥其能力而导致耗能较大的实际现状，提出并讨论研究了能够解决该问题的系统装置即“机组能源管理系统”。该系统能够实时监测柴油发电机组的运行状况，对运行参数进行集中管理和后台处理，并采用辅助发电机与主机组并网调峰，合理调配动力配置，实现了发电机组经济投切，提高了动力设备的使用效率。同时，系统使用用电设备快速平稳减载技术保证了设备的安全平稳运行，提高了工作效能，最终达到了节能降耗的目的。

石油钻机；节能；能源管理；主辅机组并网

1 引言

电控系统的动力设备为柴油发电机组，分为主柴油发电机组（600V）和辅助柴油发电机组（400V）两部分。主柴油发电机组为同容量、同电压的柴油发电机组进行并网使用，根据用电设备的大小手动或自动投入合适的动力机组。柴油发电机组为裸机形式，电控房内的发电机控制柜对柴油发电机组进行调压、调速等控制，使其输出稳定的600V电源作为动力电源。辅助柴油发电机组为带调压和调速功能的动力机组，一般独立使用，可输出稳定的 400V电源向交流电动机控制中心（MCC）进行供电。

为了保证以上设备能充分发挥其装机能力和按需增减并网机组，引入机组能源管理系统。该系统通过实时监测机组的运行参数，根据这些参数自动判断动力配置是否满足用电需求，或通过快速平稳限载或减载对负载进行限制，或通过上线或下线主机或辅机进行调峰，实现平稳运行，达到节能的目的。

2 系统主要技术

2.1 系统主要功能及特点

2.1.1 对电能使用状况进行监控，可以获得稳定的电力供应和最大程度的动力配置优化，提高电动钻机电网的负载率，达到节能的目的。

2.1.2 对动力机组运行状况进行监控，保证设备按额定转速运转，最大程度发挥动力效能。

2.1.3 利用快速平稳减载技术和主辅发电机并网调峰技术提高电网的安全稳定性，降低峰值期间的能源消耗，有效防止全井停电和停车事故发生。

2.2 用电设备功率实时管理技术

通过监控柴油发电机组的状态、油耗及绞车、转盘、泥浆泵、MCC等负载，分别显示单台柴油发电机组的最大容量，监控单台柴油发电机组的实时功率、油耗及工作效率等，经过计算向操作者发出是否需要增加或减少并网机组的提示，或通过限制负载负荷来平衡柴油的使用率且提高柴油机组的效率，实时保存相关数据和操作记录并按月定期生成图表，作为钻井队能耗管理考核的参考依据。

监控系统与电控房的PLC系统为两个单独的控制系统，两个系统可以通过Profibus DP进行必要的数据交换。

2.2.1 柴油机运行参数的传输方式

柴油机内置传感器将各种运行数据传输到柴油机控制盒的CCM模块内，CCM模块通过RS232将运行数据传输到柴油机PL1000E模块，PL1000E模块再通过RS485将运行数据传输到集中监控系统进行处理、显示、报警等。

图1 柴油机运行参数传输图

柴油机运行参数主要包括运行时间、转速、负载系数、冷却液温度、机油压力、机油温度、燃油压力、增压压力、曲轴箱压力、瞬时燃油消耗、柴油机日/月/年累计燃油消耗、柴油机日/月瞬时流量峰值、燃油滤芯压差、机油滤芯压差、空滤压差、大气压力等，其传输图如图1所示。

2.2.2 柴油机组油量监控是在柴油机组中安装流量传感器，通过其采集耗油量数据，然后传输到监控中心。

2.2.3 发电机的数据传输

发电机控制柜控制柴油发电机组的运行，使其输出额定的电压和频率。控制柜通过PPM管理器对发电机的各种电气参数进行显示，参与调节并对负荷进行合理分配。电气参数的读取是在控制柜内通过PT和CT等元件输入到PPM管理器内，通过内部电路计算再显示出电压、电流、有功功率、无功功率、有功电度、功率因数等参数。PPM控制器将各种电气参数通过现场总线传输到集中监控系统中进行处理、显示、报警等。

发电机的温度显示必须在发电机的前后轴承、三相绕组处加装Pt100热电阻，再通过电缆连接到集中监控中心进行处理、显示或报警。

图2 发电机运行参数传输图

发电机运行参数主要包括AB线电压、BC线电压、CA线电压、电流A、电流B、电流C、功率因数、频率、视在功率、有功功率、无功功率、有功电度、A相视在功率/有功/无功、B相视在功率/有功/无功、C相视在功率/有功/无功、发电机日/月/年累计电度、并机状态（需甲方提供并机的开关量）等，其传输图如图2所示。

2.3 用电设备快速平稳减载技术

在一段时间内，如果由于负载（如绞车等）发生变化而导致柴油发电机组出现了短暂的高负荷工

作情况，这时为了确保发电机组输出正常稳定，可通过PLC控制系统对柴油发电机组的运行状态和用电设备的负荷变化情况进行实时监控，当功率报警时，可采取重载问询的方式提醒使用者是否需要减载，然后由软件实现对负荷的快速平稳减载（泥浆泵等），这样，在满足工况的前提下实现了节能的工作状态。

2.4 辅助发电机的并网调峰技术

一般的辅助发电机组都自带调速和调压功能，不受外部控制，这就需要将辅助发电机组的调速和调压控制进行改造，即应根据主发电机组的调速和调压对辅助发电机组的调速和调压进行同类型的控制改造，以达到并车和负荷均衡的效果。

由于600V主发电机组所发的600V交流电通过电控系统内的1250kVA 600V/400V变压器变压后，在其副边输出400V交流电，该400V交流电与600V交流电同频同相，因此，对400V辅助发电机组并网时，只需对400V辅助发电机组进行调压和调频控制，即可实现400V侧的并网。具体实施方案如下：2.4.1 600V/400V变压器两侧的断路器在正常情况下保持闭合，它们只起维修断路器作用。辅助发电机侧的断路器为并车断路器，该断路器的闭合需要通过并车柜完成，它们可实现400V侧的自动并车功能。主机与辅机并网连接示意图如图3所示。

图3 主机与辅机并网连接示意图

2.4.2 辅助发电机组配有与主发电机组类似的控制柜，通过康明斯专用数字调速器，精确控制辅助发电机组的转速，确保其输出恒定频率并实现有功均衡。通过康明斯专用数字化励磁控制器实现电压/电流双闭环PI调节以确保发电机输出电压的稳定及无功均衡。

2.4.3 通过EASYGEN3200控制器对负荷按比例进行分配，实现主发电机组和辅助发电机组同比例分配负载。通过保护功能参数的设定，实现主发电机组和辅助发电机组的保护功能。

3 结束语

通过对用电设备各电能参数的集中管理、主辅机组并网调峰和用电设备负荷快速平稳减载等技术的应用，达到现场合理调配动力机组，实现发电机组经济投切，提高动力设备功效，彻底改变目前电动钻机低效率运行管理模式，使节能增效在油田设备上得以实现。今后，能源管理系统将在节能产业和油田设备上大力推广使用。

［1］张奇志.电动钻机自动化技术［J］.石油工业自动化，2006，（7）.

［2］苏石川，等.现代柴油发电机组的应用与管理［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［3］胡三思.柴油机综合性能动态测试系统研究［J］.石油矿场机械，2013，（10）.

［4］黄乙晋，陈钊.先进控制理论在同步发电机调速控制系统中的应用［J］.四川电力技术，2015，（6）.

Application of diesel generator energy management system for oil rig

LI Yan-qin，LI Chong-bo，LI Chun-sheng，WANG Jun-ge
（Xi＇an Bomay Electric Industries Co.，Ltd.，Xi＇an 710077，China）

Aiming at the actual situation that the current electric drilling rig can't reach the designed full capacity when conducting the drilling operations at the site and can lead to greater loss for the energy，the“Unit Energy Management System”is developed to solve the problems.The system can do real-time monitoring for the operating conditions of the diesel generator sets，can do centralized management and backstage processing for the parameters.The system can do reasonable allocation for the power configuration by adjusting the network peaking value of the auxiliary generator set and the host，and thus to achieve the economic running of the generators and to improve the working efficiency of the power equipments.Moreover，the system uses the rapid-smooth load-reducing technology to ensure the safe and smooth operation of the equipments，and improve the efficiency and performance of the equipments，also achieves the purpose of energy saving.

oil drilling rig；energy saving；energy management；network connection of the main and auxiliary generator sets

TM343；TP273

A

1005—7277（2016）03—0036—02

李艳琴（1976-），女，陕西合阳人，工程师，主要从事电气设计工作。

2016-05-04