基于模糊控制的钻机飞轮储能调峰控制系统

牛跃进，郭巧合，李 涛，吕邦凯

（1.中石化中原石油工程有限公司钻井一公司，河南濮阳457001；2.中石化中原石油工程有限公司海外工程公司，河南濮阳457001；3.西安宝德自动化股份有限公司，陕西西安710304）

基于模糊控制的钻机飞轮储能调峰控制系统

牛跃进1，郭巧合2，李 涛3，吕邦凯3

（1.中石化中原石油工程有限公司钻井一公司，河南濮阳457001；2.中石化中原石油工程有限公司海外工程公司，河南濮阳457001；3.西安宝德自动化股份有限公司，陕西西安710304）

石油钻机是石油行业钻井勘探的重要设备，但是长期存在柴油机燃油经济性低、冲击负荷影响柴油机寿命等问题。而飞轮储能调峰系统能够有效地解决上述问题，并起到节能减排的作用。将模糊控制方法应用到飞轮储能调峰系统控制中，可以使系统快速响应负荷变化，理论上可减少一台柴油机的运行。测试结果表明提出模糊控制方法在响应、超调、调整补偿等方面更具优势，效果更好。

石油钻机；飞轮储能；模糊控制；调峰控制；节能减排

1 引言

石油钻机是石油行业钻井勘探的重要装备。目前国内的石油钻机根据传动方式可分为机械钻机和电动钻机。机械钻机是以柴油机为动力，通过液力耦合器、离合器、变速箱、链条并车装置等设备驱动绞车、转盘、泥浆泵等设备运行的钻机系统。

机械钻机系统又可根据工作组分为起升系统、循环系统和旋转系统。起升系统包括起钻工况和下钻工况。在起钻和下钻工况中长期存在以下问题：①大马拉小车，导致柴油机的燃油经济性非常低；②大马拉重车，频繁的冲击负荷严重影响柴油机的使用寿命。由于在下钻工况中存有可供回收利用的势能，所以可以引入飞轮储能调峰系统，将下钻产生的势能回收利用。这样可以提高柴油机的效率，延长柴油机使用寿命，起到节能减排的效果。在对飞轮储能系统进行调峰控制时，采用一种模糊控制算法既可以提高飞轮调峰系统对冲击负荷的适应性，还可以提高飞轮调峰系统的响应时间。

2 钻机飞轮储能调峰系统结构

飞轮储能调峰系统由1000kW调峰电机、制动取能电机、升压整流系统、飞轮储能系统、调峰控制系统等组成，如图1所示。

图1 飞轮储能调峰系统结构示意图

钻机井场辅助发电机输出的400VAC交流三线电源，经过400VAC／690VAC升压变压器升压至690VAC三相交流电源，再通过整流器整流为900VDC直流电源，为调峰系统的逆变器及飞轮系统提供直流电源，飞轮系统即可以通过调峰子系统发电反馈来储能也可以通过升压整流系统提供直流电源来储能。在直流母线上配有制动系统，该系统包括两组制动单元，分别连接两组制动电阻，单组额定制动电流为85A，最大制动电流为300A，可有效确保直流母线电压稳定，防止因电压太高损坏其他设备或危及人员安全。增加能量回收子系统，在游车下放过程中将势能通过能量回收电机转化为电能输到直流母线上，通过飞轮逆变器控制单元使飞轮电机加速，将能量存储在飞轮储能器中，提高了能源的利用率。

3 模糊算法的调峰控制

3.1 模糊控制原理

飞轮储能调峰系统的模糊控制，是通过核心控制器（ICU200）来实现的。利用模糊数学的知识，模拟人类的思维方式，将使用人语言描述的控制策略转换成模糊控制规则，按模糊推理的方法处理用模糊集合表示的输入输出，以确定控制量。模糊控制系统包括：①定义变量；②模糊化；③知识库；④逻辑判断；⑤反模糊化。

模糊控制的基本原理如图2所示。

3.2 飞轮储能调峰系统的模糊控制

本控制系统主要完成数据采集、速度显示和转矩控制等功能。其中调峰系统的模糊控制功能由核心控制器ICU200完成。核心控制器的主体模块采用的是TMS320F28335芯片。柴油机的转速信号通过传感器进入ICU200进行A／D转换，经过转换后通过模糊控制算法计算控制量，然后将输出信号通过D／A转换发送到飞轮储能系统。

控制原理图如图3所示。

图3 飞轮储能系统模糊控制原理图

绞车：K＝KIDW（i）＊KPDW（I）＊KODW（i）

其中，KODW（i）为调整系数； KPDW（i）为稳态放大倍数；KIDW（i）为瞬态放大倍数；

泥浆泵：K＝KIP1（i）＊KOP1（i）＊GDP1

其中，KIP1（i）为瞬态放大倍数；KOP1（i）为退出放大倍数；GDP1为功率百分比；

飞轮：K＝KIMG（i）＊KOMG（i）＊MG

其中，KIMG（i）为瞬态放大倍数；KOMG（i）为调整系数；MG为功率百分比；

该程序的流程图如图4所示。

4 测试与结论分析

根据飞轮储能调峰系统结构示意图开发研制了第二套基于模糊控制的机械调峰系统，并对其进行了测试与分析。

测试在钻井公司主机厂进行，测试用负载为40T，测试过程模拟石油钻机在现场的起钻、下钻工况进行测试。

首先，只使用柴油机作为唯一的动力源，钻机带负载进行起钻操作，并通过柴油机安装的扭矩仪实时采集柴油机功率。测试结果如图5所示。

图4 程序流程图

由图5可以看出，柴油机在带载起钻工况时，会产生较大的冲击负荷（图中可看出冲击负荷约为稳定负荷的50%）。此时柴油机会产生冒黑烟的现象；同时较大的冲击负荷也会影响柴油机的使用寿命。

图5 仅柴油机带负载测试

然后，使用柴油机、带有模糊控制算法的调峰系统同时作为系统动力源，进行钻机带载起钻测试。测试结果如图6所示。

图6 柴油机＋飞轮储能调峰系统

由图6可以看出，钻机在带载起钻测试过程中，柴油机输出功率缓慢上升，最终达到稳定负荷。柴油机在运行过程中没有再产生冲击负荷；钻机系统在带载起钻瞬间所需的大量能量由飞轮调峰系统及时进行了补偿。由于使用了模糊控制方法，对于飞轮的控制可以做到及时响应，同时对于飞轮储能系统所需输出的补偿能量也能较准确地控制。

在1档高速、1档低速状态下，进行了大量的起钻、下钻工况模拟测试，在飞轮储能调峰系统的作用下已经完全消除了柴油机的冲击负荷，通过对柴油机的观察，柴油机已经无冒黑烟现象，测试结果良好。

5 结束语

针对飞轮储能系统，本文提出了一种基于模糊控制的钻机飞轮储能调峰系统。该系统可以有效提高钻机系统对冲击负荷的适应性；延长柴油机使用寿命；理论上可减少一台柴油机组运行。测试结果也表明本文提到的模糊控制方法在响应、超调、调整补偿等方面更具优势，效果更好。

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

NIU Yue－jin1，GUO Qiao－he2，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