牛躍進，李 濤，郭巧合，呂邦凱

（1.中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南濮陽457001；2.西安寶德自動化股份有限公司，陜西西安710304；3.中石化中原石油工程有限公司海外工程公司，河南濮陽457001）

前饋算法在混合動力鉆機中的應(yīng)用＊

牛躍進1，李 濤2，郭巧合3，呂邦凱2

（1.中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南濮陽457001；2.西安寶德自動化股份有限公司，陜西西安710304；3.中石化中原石油工程有限公司海外工程公司，河南濮陽457001）

鉆機是油氣田勘探開發(fā)過程中必不可少的重要鉆井施工設(shè)備，在目前的國內(nèi)鉆機中，機械鉆機占有很大的比重。在國家實施能源戰(zhàn)略以來，節(jié)能、高效、環(huán)保已經(jīng)成為石油鉆機作業(yè)的重中之重。飛輪儲能技術(shù)是一種新興的電能存儲技術(shù)，是近年來出現(xiàn)的有很大發(fā)展前景的儲能技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用在混合動力鉆機領(lǐng)域是一次技術(shù)突破，其對老舊鉆機改造迎來了利好。鉆機控制策略是整個鉆機系統(tǒng)的核心，也是此次技術(shù)突破的關(guān)鍵。主要描述了前饋控制算法在混合動力鉆機中的應(yīng)用，并對比分析了前饋控制算法與反饋控制算法的優(yōu)缺點。

前饋控制；混合動力；石油鉆機；調(diào)峰控制；模糊控制；節(jié)能減排

1 前饋控制介紹

根據(jù)事件發(fā)生的時間不同，所采取的控制可以在事件發(fā)生之前，也可以在事件結(jié)束之后進行，前者稱為前饋控制或預(yù)先控制，后者稱為反饋控制或事后控制。

前饋控制是通過觀察情況、收集整理信息、掌握規(guī)律、預(yù)測趨勢等，正確預(yù)計未來可能出現(xiàn)的問題，提前采取措施的一種控制策略，將可能發(fā)生的偏差消除在萌芽狀態(tài)，為避免將來在不同發(fā)展階段可能出現(xiàn)問題而事先采取一定的措施。

2 前饋控制與反饋控制比較

2.1 測量對象

前饋控制系統(tǒng)中測量對象是干擾量，而反饋控制系統(tǒng)中測量對象是被控變量。在單純的前饋控制系統(tǒng)中，不測量被控變量，而在單純的反饋控制系統(tǒng)中不測量干擾量。

2.2 調(diào)節(jié)器

一般而言，前饋控制需要專用的調(diào)節(jié)器。前饋調(diào)節(jié)使用的調(diào)節(jié)器是根據(jù)被控對象特點而確定的前饋調(diào)節(jié)器，其控制一般采用通用PID調(diào)節(jié)器。反饋調(diào)節(jié)符合PID調(diào)節(jié)規(guī)律，常采用通用PID調(diào)節(jié)器，通過DCS或PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

2.3 調(diào)節(jié)精度

前饋控制在理論上可以做到無差調(diào)節(jié)。反饋控制一定是有差調(diào)節(jié)，其根據(jù)有差反饋調(diào)節(jié)使系統(tǒng)達到動態(tài)穩(wěn)定，使被調(diào)參數(shù)在給定值附近動態(tài)變化，卻不能使被調(diào)參數(shù)穩(wěn)定在給定值上不動。

2.4 控制特點

（1）從前饋控制角度看，增加反饋控制可降低對前饋控制模型精度的要求，并能對沒有測量的干擾信號進行校正。

（2）從反饋控制角度看，前饋控制的作用是能對主要干擾及時地進行粗調(diào)，能大大減少反饋控制的負擔。

3 前饋控制理論在混合動力鉆機中的應(yīng)用

3.1 技術(shù)背景

機械鉆機在施工過程中負載波動大，可對傳動系統(tǒng)和柴油機形成較大的沖擊負荷，并可產(chǎn)生以下問題：

（1）在起下鉆作業(yè)時，負載會產(chǎn)生很大的突變，為了及時補償瞬時高負荷以使柴油機不停機，單機發(fā)動機的功率配置會偏高，這樣會浪費很大一部分的閑置功率。

（2）當負載發(fā)生突變時，柴油機可能出現(xiàn)燃燒不充分而冒黑煙，從而造成柴油機燃油效率降低。

（3）由于突變負載的沖擊，柴油機部件的疲勞損壞加劇，會影響柴油機的運行壽命。

為了克服以上問題，2014年研制的400kW飛輪儲能調(diào)峰系統(tǒng)將反饋控制理論引入系統(tǒng)控制，目的在于當柴油機負載突增時，傳動系統(tǒng)能及時分擔一部分功率，從而減少負載波動對柴油機的沖擊，以保證柴油機正常運行，同時，它可以降低油耗，減少機械損耗并延長柴油機的壽命。長期實驗踐表明，400kW機械調(diào)峰電控系統(tǒng)對鉆機設(shè)備有顯著的調(diào)節(jié)作用，但同時會出現(xiàn)補峰不及時不準確及與柴油機傳動系統(tǒng)匹配后節(jié)能效果不明顯等問題。本文采用前饋控制算法改變控制量，優(yōu)化控制器的調(diào)節(jié)時機，有效消除了因補峰不及時而出現(xiàn)的柴油機“冒黑煙”的現(xiàn)象。采用前饋控制算法的目的在于當系統(tǒng)擾動時能快速響應(yīng)。

3.2 實現(xiàn)方法

當傳動系統(tǒng)處于空載或負載較小時，通過控制系統(tǒng)控制調(diào)峰電機并在柴油機組帶動下發(fā)電運行，給儲能器提供電能，由儲能器存儲能量。當動力系統(tǒng)有突加負載時，通過控制系統(tǒng)控制調(diào)峰電機并切換到電動機運行狀態(tài)，由儲能器輸出電能，經(jīng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，控制調(diào)峰電機輸出的動力，承擔突加負載的沖擊，待負載穩(wěn)定后逐漸退出，達到平抑負載對動力系統(tǒng)中發(fā)動機的沖擊，保障動力系統(tǒng)平穩(wěn)高效運行。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用三級結(jié)構(gòu)，即直接控制級、過程控制級和系統(tǒng)管理級，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括工控機、上位軟件、下位采集設(shè)備、傳感器及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等。其中工控機采用研華工控機，上位軟件采用西門子監(jiān)控軟件。速度傳感器、懸重傳感器、壓力開關(guān)、編碼器的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議使用標準的以太網(wǎng)通訊協(xié)議。

圖2 前饋控制框圖

（a）由于載荷可以通過大鉤懸重傳感器檢測得到，其與檔位有關(guān)。

（b）對于泵載荷無傳感器時，則其載荷由兩部分構(gòu)成，即：

●慣性載荷，其基本為常數(shù)；

●泵壓負載，其無法測量，需依靠調(diào)節(jié)。

結(jié)論：前饋系統(tǒng)由以下兩部分組成（參見圖3）：

●載荷前饋；

●泵的慣性前饋。

圖3 載荷前饋結(jié)構(gòu)圖

4 動力輸出分析

4.1 調(diào)峰協(xié)同電動

當柴油機突然帶負載時，此時調(diào)峰全部承擔這些負載（因電機有過載保護），隨著時間的推移，調(diào)峰出力慢慢減小，柴油機負載逐漸增大，直至柴油機全部承擔負載。當柴油機負載超出其額定值時，超出部分則由調(diào)峰電機承擔。

當滾筒離合掛合時，t1計時開始，其時基為100ms。

當C2＞＝0、A＜＝C2時，A＝C2。

當C2＞＝0、A＞＝C2時，A＝mg×KL－K2×t1。

當C2＜＝0時，A＝mg×T2－K2×t1。

當滾筒離合脫開時或者A＜＝0時，A＝0。

當泥漿泵離合掛合時，T2計時開始，時基為100ms。

當泥漿泵離合脫開時，B＝0。

其中，A為游車勾載扭矩，B為泥漿泵載荷扭矩，C1為負載中間值1，C2為負載中間值2，N為柴油機帶載系數(shù)，X為泥漿泵初始功率系數(shù)，n為調(diào)峰電機轉(zhuǎn)速實際值，m為懸重，g為重力系數(shù)，d為滾筒直徑，η為柴油機效率，KL為檔位系數(shù)（KL＝高低速檔位系數(shù)＊絞車檔位系數(shù)），K1為調(diào)峰電機電動出力系數(shù)，K2為滾筒離合掛合后調(diào)峰電機的負荷減小率，K3為泥漿泵的退出系數(shù)，K4為繩系。

4.2 能量回饋

當鉆具下方時，回收電機工作在發(fā)電狀態(tài)，開始向直流母線回饋能量，回饋功率按照作業(yè)循環(huán)時間（現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)最佳為120s）計算充電功率?；仞伖β什捎眯逼陆o定，在5s內(nèi)逐漸增至回饋功率計算值。

5 工業(yè)驗證分析

5.1 柴油機轉(zhuǎn)速變化曲線

圖4 柴油機的轉(zhuǎn)速曲線

如圖4所示，當柴油機單獨運行時，傳動系統(tǒng)動力源只有柴油機，在負載突變動力系統(tǒng)受到?jīng)_擊時，柴油機轉(zhuǎn)速快速下降，其最低轉(zhuǎn)速接近1200rpm。

在調(diào)峰協(xié)同柴油機時，傳動系統(tǒng)動力源有柴油機和調(diào)峰電機，當負載突變或動力系統(tǒng)受到?jīng)_擊時，調(diào)峰電動機運行，及時補充一部分功率，以減小甚至完全抑制柴油機沖擊，使得柴油機轉(zhuǎn)速變化較小，其最低轉(zhuǎn)速接近1240rpm。

5.2 柴油機單機運行功率曲線

圖5 柴油機單機功率曲線

在柴油機單獨提升負載時，由于負載突變使得柴油機受到?jīng)_擊，其最高沖擊負載約為500kW、穩(wěn)定功率為270kW。

5.3 調(diào)峰電機協(xié)同柴油機提升鉆具功率曲線

圖6 調(diào)峰系統(tǒng)及協(xié)同柴油機的功率曲線

調(diào)峰電機協(xié)同柴油機可提升負載功率，當系統(tǒng)負載突變時，調(diào)峰電動機運行，及時補充能量抑制沖擊。調(diào)峰電機的最高功率為440kW，柴油機接收沖擊功率從150kW上升到250kW，對于井場最小容量為800kW的柴油機而言，沖擊功率為100kW的負荷變化不會導(dǎo)致“滿黑煙”現(xiàn)象。

5.4 單作業(yè)周期能量流動

圖7 單作業(yè)周期能量流動曲線

系統(tǒng)提升負載：飛輪處于降速發(fā)電狀態(tài)，母線電壓維持在930VDC，飛輪功率約等于調(diào)峰電機功率，也約等于負載功率。

系統(tǒng)待機（絞車未提升，未開泵）：飛輪處于升速電動狀態(tài)，母線電壓維持在845－900VDC。當回收系統(tǒng)未投入或者發(fā)電功率低于系統(tǒng)充耗功率時，母線電壓維持在845VDC，由整流器提供；當回收系統(tǒng)發(fā)電功率大于系統(tǒng)充耗功率時，母線電壓被回收系統(tǒng)抬升，維持在900VDC，同時，整流器輸出功率因回收功率增大而降低；當回收系統(tǒng)撤出時，整流器逐步增大輸出功率，以維持系統(tǒng)充耗功率（系統(tǒng)充耗功率＝飛輪充電功率＋系統(tǒng)運行損耗功率）。

6 結(jié)束語

本文對前饋控制在混合動力鉆機中的應(yīng)用進行了研究和分析，針對反饋控制在飛輪儲能調(diào)峰系統(tǒng)中的不足進行優(yōu)化升級，并通過控制算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷改進來提高系統(tǒng)在鉆機領(lǐng)域的適用性和穩(wěn)定性。經(jīng)過兩年多的井場模擬實踐和工業(yè)驗證表明，前饋控制能有效提高系統(tǒng)投入的準確性，減小柴油機受載沖擊后的速降，能夠解決柴油機因受載沖擊而導(dǎo)致的“滿黑煙”現(xiàn)象，為老舊鉆機改造提供了技術(shù)支持，對推動國家節(jié)能環(huán)保工程有重要意義。

［1］張超平.基于飛輪儲能的鉆機節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用研究［J］.石油天然氣學(xué)報，2013，35（8）：156－158.

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Application of feed－forward algorithm in hybrid drilling rigs

NIU Yue－jin1，LI Tao2，GUO Qiao－h(huán)e3，LV Bang－kai2
（1.The No.1 Drilling Company，SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Puyang 457001，China；2.Bode Energy Equipment Co.，Ltd.，Xi＇an 710304，China；3.Overseas Engineering Company，SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Puyang 457001，China）

The drilling rigs are the indispensable and very important equipment in the process of oil and gas field exploration and development.At present，the mechanical drilling rigs occupy a large proportion in the domestic oil－drilling market.Since the implementation of the national energy strategy，the energy saving，the high efficiency and the environmental protection have become the top priority of the oil rig operation in our country.As a new energy storage mode，the flywheel energy－storage technology has great prospects in future.Its application in the field of hybrid drilling is a technical breakthrough and is good for the modification of the old drill.The control strategy is the core of the whole system and is the key of the technological breakthrough.The applications of the feed－forward control algorithm in hybrid electric drilling rigs are presented.The advantages and disadvantages of the feed－forward control and the feedback control are compared.

feed－forward control；hybrid power；oil drilling rig；peak control；fuzzy control；energy conservation and emission reduction

TP273；TP13

：A

1005—7277（2017）01—0030—04

2016－09－18

國家科技支撐計劃項目（2014BAA04B02）