機械調峰電控系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種機械調峰電控系統，包括柴油耦合器機組、與柴油耦合器機組連接的并車傳動箱，電控系統還包括調峰電機以及與調峰電機連接的控制系統，調峰電機與并車傳動箱連接。本實用新型的機械調峰電控系統，增加動力系統輸出柔性，提高動力系統對沖擊負荷的適應性，降低動力機組冗余容量，提高機械鉆機動力系統的能源利用效率。
【專利說明】機械調峰電控系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種消除沖擊負荷的控制系統，尤其涉及一種在鉆井起下鉆工況下所帶來的沖擊負荷的機械調峰電控系統。
【背景技術】
[0002]鉆機是油氣田勘探開發過程中必不可少的重要鉆井施工設備，在施工中消耗大量的能源，排放大量的溫室氣體。據不完全統計，鉆機的燃料消耗占鉆井施工成本高達30-50%, 4000米鉆機平均每個工作臺月柴油機尾氣排放約80萬方。目前，石油機械鉆機通常配置三到四臺柴油機，通過聯動機或鏈條并車箱并車后驅動絞車、轉盤和泥漿泵等主要鉆井設備。
[0003]然而，機械鉆機在施工過程中負載波動大，對傳動系統和柴油機形成較大的沖擊負荷，由于這種沖擊負荷的存在產生了以下問題:1)為了應對瞬時的突變負載，因此要長期運行冗余動力，發動機單機功率配置偏高；2)在遇到突變負載時，柴油機出現燃燒不充分冒黑煙情況，造成柴油機效率降低；3)由于突變負載的沖擊，柴油機的部件疲勞損壞加劇，影響柴油機運行壽命；4)限制了節能環保的天然氣發動機的使用。
實用新型內容
[0004]為了解決【背景技術】中所存在的技術問題，本實用新型提出了一種機械調峰電控系統，增加動力系統輸出柔性，提高動力系統對沖擊負荷的適應性，降低動力機組冗余容量，提聞機械鉆機動力系統的能源利用效率。
[0005]本實用新型的技術解決方案是:機械調峰電控系統，包括柴油耦合器機組、與柴油耦合器機組連接的并車傳動箱，其特征在于:所述電控系統還包括調峰電機以及與調峰電機連接的控制系統，所述調峰電機與并車傳動箱連接。
[0006]上述機械調峰電控系統還包括數據采集系統，所述數據采集系統與控制系統連接。
[0007]上述機械調峰電控系統還包括飛輪儲能系統，所述飛輪儲能系統與控制系統連接。
[0008]上述控制系統包括控制器、數字量輸入單元、數字量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元以及485串口 ；所述數字量輸入單元、數字量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元以及485串口與控制器連接，所述控制器的CPU是DSP控制芯片；數字量輸入單元、數字量輸出單元是測量高低電平信號的外設或者CPU自帶的端口，模擬量輸入單元信號類型為4-20mA，模擬量輸出單元信號類型為4-20mA，使用CPU自帶模擬量端口，485串口須滿足標準的modbus協議，使用CPU外圍電路完成。
[0009]上述數據采集系統包括工控機、上位軟件單元、下位采集單元、傳感器單元以及數據傳輸協議單元；所述工控機對上位軟件單元(WINCC)進行安裝組態，搭建一個數據采集系統界面，所述下位采集單元是DSP控制器和西門子S7-200 ;下位采集單元將采集到的數據和工控機的USB 口連接，通過MPI協議進行數據傳輸。
[0010]上述飛輪儲能系統包括合金鋼飛輪、永磁軸承、永磁電機以及IGBT功率模塊，所述金鋼飛輪、永磁電機均穿過一根軸進行連接軸的兩端由永磁軸承進行固定，所述IGBT功率模塊通過三相四線電纜和永磁電機連接。
[0011]上述工控機是研華工控機；上位軟件單元是西門子監控軟件。
[0012]上述傳感器單元包括速度傳感器、懸重傳感器、壓力開關以及編碼器，傳感器單元數據傳輸協議使用標準MODBUS通訊協議；速度傳感器為KJT-SK16-1.5，懸重傳感器為EJA430A，壓力開關為PEV-1/4-B，編碼器為EFT100-HT ;速度傳感器和編碼器通過屏蔽電纜將脈沖信號傳輸給高速計數模塊，懸重傳感器通過屏蔽電纜將4-20mA信號傳輸給模擬量輸入模塊，壓力開關通過屏蔽電纜將電平信號傳輸給數字量輸入模塊；高速計數模塊、模擬量輸入模塊和數字量輸入模塊將采集到的數據匯總到控制器，再通過MPI通訊協議和工控機進行數據交互。
[0013]上述調峰電機的額定電壓750VDC、額定電流579A、額定功率400KW、額定轉速1000r/min、最高轉速 1200r/min。
[0014]上述調峰電機和控制系統是通過兩根單芯的電纜連接；所述飛輪儲能系統和控制系統是3相4線形式連接。
[0015]本實用新型的機械調峰電控系統通過數據采集系統采集鉆井設備的運行狀態，并通過智能控制器對所采設備狀態進行計算和分析，自動判斷動力系統負荷狀態，在傳動系統輕載或空載時，由調峰電機對飛輪儲能器做功儲能，在遇到突變負載時，飛輪儲能器輸出功率調峰電機對傳動系統做功，平抑突變負載。通過數據采集系統，對機械鉆機的負載狀況進行采集和分析，自動判斷傳動系統負載狀態。當傳動系統處于空載或負載較小的情況時，通過控制系統控制調峰電機在柴油機組帶動下發電運行，給儲能器提供電能，由儲能器存儲能量。當動力系統有突加負載時，通過控制系統控制調峰電機切換到電動機運行狀態，由儲能器輸出電能，經控制系統調節，控制調峰電機輸出動力，承擔突加負載的沖擊，待負載穩定后逐漸退出，達到平抑負載對動力系統中發動機的沖擊，保障動力系統平穩高效運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型機械調峰系統結構示意圖；
[0017]圖2是本實用新型機械調峰系統控制系統結構示意圖；
[0018]1-柴油機耦合器機組，2-調峰電機，3-滾筒絞車，4-泥漿泵耦合器機組，5-并車傳動箱，6-數據采集系統，7-控制系統，8-飛輪儲能系統，9-司鉆房，11-控制器，12-鉆機設備傳感器，13-調峰電機勵磁控制器，14-直流接觸器，15-直流控制單元，16-永磁同步電機，17-飛輪；
【具體實施方式】
[0019]參見圖1，機械調峰電控系統，包括柴油耦合器機組1、調峰電機2、滾筒絞車3、泥漿泵耦合器機組4、并車傳動箱5、數據采集系統6、控制系統7、飛輪儲能系統8、司鉆房9 ；調峰電機2通過減速箱和并車傳動箱5連接，既可以作為電動機給并車廂提供動力，又可以作為發電機將并車廂動能轉化為電能；調峰電機2和控制系統7是通過兩根單芯的電纜連接，用于控制調峰電機2的工作狀態以及功率；飛輪儲能系統8和控制系統7是以3相4線形式連接，控制系統7由控制器11和直流控制單元15。控制系統由控制和執行兩部分組成，其中控制部分由控制器(內核為CPU)、數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、485串口組成，用來算法運算，以及繼電器、傳感器等外部設備進行數據傳輸。而執行部分，由直流控制單元和直流電機組成，用來完成能量的轉換。組成，而飛輪儲能系統8由永磁同步電機和飛輪組成，控制器11控制直流控制單元15的IGBT的導通角，可以使永磁同步電機加速同時帶動飛輪進行儲能，又或者使飛輪降低轉速，其動能以電能的形式釋放。數據采集系統6包括多種傳感器單元和上位系統，采集速度信號、懸重信號、離合信號等，并以數字量、模擬量以及MODBUS協議的方式將傳輸至智能控制器，同時數據采集系統6還可以通過上位監視實時數據以及歷史數據。司鉆臺9將其高低速離合信號和前后泵離合信號以壓力開關的方式采集，并以雙絞屏蔽電纜將信號傳輸給數據采集系統6。
[0020]本實用新型通過數據采集系統6將分散的傳感器信號以自身信號方式將其值采集，并將其值以不同通訊方式和控制系統7進行數據傳輸，而控制系統7對接收到的數據進行分析和計算后，觸發直流控制單元IGBT的導通角對電樞電壓進行控制，使調峰電機2作為電動機將飛輪儲能系統8存儲能量輸出，平抑沖擊負載，又或者調峰電機2作為發電機通過飛輪儲能系統8將能量以動能的形式儲存。
[0021]控制系統7包括CPU、數字量輸入單元、數字量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元以及485串口 ；數字量輸入單元、數字量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元以及485串口與CPU連接，CPU是DSP控制芯片，24VDC供電。控制系統7將采集到的數據分析，自動判斷此時動力系統是處于輕載狀態或是沖擊負荷狀態。同時，控制器可以通過控制對象的數學模型，計算出此時應輸出功率值，使動力系統達到柔性輸出運行狀態。一方面需要和數據采集系統以多種方式交互數據，另一方面需要控制整個系統的繼電器等，因此需配置數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出以及485串口。與繼電器的柜內連接可以使用單線連接，而與數據采集系統6交互的數據、或者其他設備必須采用屏蔽電纜。控制器其CPU為DSP控制芯片，能夠快速處理控制器的命令，達到系統控制要求。
[0022]數據采集系統6包括工控機、上位軟件單元、下位采集單元、傳感器單元以及數據傳輸協議單元；工控機對上位軟件單元(WINCC)進行安裝組態，搭建一個數據采集系統界面，下位采集單元是DSP控制器和西門子S7-200 ;下位采集單元將采集到的數據和工控機的USB 口連接，通過MPI協議進行數據傳輸。例如，柴油機速度采集，傳感器單元使用速度傳感器(KJT-SK16-1.5)，通過屏蔽電纜將高速脈沖輸出給西門子S7-200的高速計數口，西門子S7-200通過串口將采集到的數據以MPI通訊協議傳輸給工控機，工控機再以上位軟件WINCC將采集到的數據顯示在上位畫面上。
[0023]傳感器單元包括速度傳感器、懸重傳感器、壓力開關以及編碼器，傳感器單元數據傳輸協議使用標準MODBUS通訊協議。速度傳感器為KJT-SK16-1.5，懸重傳感器為EJA430A，壓力開關為PEV-1/4-B，編碼器為EFT100-HT ;速度傳感器和編碼器通過屏蔽電纜將脈沖信號傳輸給高速計數模塊，懸重傳感器通過屏蔽電纜將4-20mA信號傳輸給模擬量輸入模塊，壓力開關通過屏蔽電纜將電平信號傳輸給數字量輸入模塊。而高速計數模塊、模擬量輸入模塊和數字量輸入模塊將采集到的數據匯總到控制器，再通過MPI通訊協議和工控機進行數據交互。需要采集懸重傳感器、速度傳感器、電樞電壓、電樞電流、勵磁電壓、勵磁電流、壓力開關、飛輪轉速，因此，需要數據采集系統配置數字量輸入、模擬量輸入、高速計數器、485串口 ；并且其信號需以屏蔽電纜和傳感器或者其他設備連接，以免信號在傳輸過程中受到干擾。并且所有信號都需要在上位機上顯示其趨勢；因此工控機必須符合工業要求。
[0024]飛輪儲能系統8包括合金鋼飛輪、永磁軸承、永磁電機以及IGBT功率模塊，金鋼飛輪、永磁電機均穿過一根軸進行連接軸的兩端由永磁軸承進行固定。IGBT功率模塊通過三相四線電纜和永磁電機連接，最高工作轉速3600r/min，可在400KW功率下工作20s，支持頻繁工作(20次/小時)。在動力系統空載或者輕載時，可以通過永磁電機加速提高飛輪轉速，將電能以動能的形式儲存，在動力系統遇到突變負載時，飛輪將存儲的動能以電能的方式輸出。飛輪儲能系統8要求容量大(400KW)、快速充放電(3分鐘要求一次充放電)、頻繁工作(連續工作)、系統散熱良好。
[0025]調峰電機的額定電壓750VDC、額定電流579A、額定功率400KW、額定轉速IOOOr/min、最高轉速1200r/min,在動力系統空載或者輕載的時候,可以作為發電機,當遇到突變負載時，可以作為電動機。調峰電機2—方面需要通過減速箱和并車廂連接，因此，需要將減速比設計合理，將調峰電機2的額定轉速調整到和并車廂轉速相同；另一方面，調峰電機2需要通過兩個單芯電纜和整流單元連接，電纜規格必須負荷直流電機額定電流和耐壓要求。
[0026]參見圖2，通過控制直流控制單元15的勵磁電流和電樞電壓來控制直流電機的轉矩和轉速，以保證直流電機的轉速運行在1000?1200rpm之間。
[0027]根據公式:
[0028]
Ii=(U-1R)/ Ce0;
[0029]E = U-1R ；
[0030]通過調節直流電機電樞電壓，可以改變直流電機轉速和轉矩:
[0031]當U > E時，Ia > 0，系統調峰電機2處于電動狀態，飛輪儲能電機處于發電狀態，飛輪處于降速狀態；
[0032]當U < E時，Ia < 0，系統調峰電機2處于發電狀態，飛輪儲能電機處于電動狀態，飛輪處于升速狀態；
[0033]當U = E時，Ia = 0，系統調峰電機2處于空載狀態，飛輪儲能電機處于保持狀態，飛輪保持轉速不變。
[0034]因此，通過以上控制方案，可以通過負載的不同，在電樞電流可控范圍內調整電樞電流值，以達到動力系統柔性輸出的目的。
【權利要求】
1.機械調峰電控系統，包括柴油耦合器機組、與柴油耦合器機組連接的并車傳動箱，其特征在于:所述電控系統還包括調峰電機以及與調峰電機連接的控制系統，所述調峰電機與并車傳動箱連接。
2.根據權利要求1所述的機械調峰電控系統，其特征在于:所述機械調峰電控系統還包括數據采集系統，所述數據采集系統與控制系統連接。
3.根據權利要求2所述的機械調峰電控系統，其特征在于:所述機械調峰電控系統還包括飛輪儲能系統，所述飛輪儲能系統與控制系統連接。
4.根據權利要求1或2或3所述的機械調峰電控系統，其特征在于:所述控制系統包括控制器、數字量輸入單元、數字量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元以及485串口 ；所述數字量輸入單元、數字量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元以及485串口與控制器連接，所述控制器的CPU是DSP控制芯片；數字量輸入單元、數字量輸出單元是測量高低電平信號的外設或者CPU自帶的端口，模擬量輸入單元信號類型為4-20mA，模擬量輸出單元信號類型為4-20mA，使用CPU自帶模擬量端口，485串口須滿足標準的modbus協議，使用CPU外圍電路完成。
5.根據權利要求4所述的機械調峰電控系統，其特征在于:所述數據采集系統包括工控機、上位軟件單元、下位采集單元、傳感器單元以及數據傳輸協議單元；所述工控機對上位軟件單元(WINCC)進行安裝組態，搭建一個數據采集系統界面，所述下位采集單元是DSP控制器和西門子S7-200 ;下位采集單元將采集到的數據和工控機的USB 口連接，通過MPI協議進行數據傳輸。
6.根據權利要求5所述的機械調峰電控系統，其特征在于:所述飛輪儲能系統包括合金鋼飛輪、永磁軸承、永磁電機以及IGBT功率模塊，所述金鋼飛輪、永磁電機均穿過一根軸進行連接軸的兩端由永磁軸承進行固定，所述IGBT功率模塊通過三相四線電纜和永磁電機連接。
7.根據權利要求6所述的機械調峰電控系統，其特征在于:所述工控機是研華工控機；上位軟件單元是西門子監控軟件。
8.根據權利要求7所述的機械調峰電控系統，其特征在于:所述傳感器單元包括速度傳感器、懸重傳感器、壓力開關以及編碼器，傳感器單元數據傳輸協議使用標準MODBUS通訊協議；速度傳感器為KJT-SK16-1.5，懸重傳感器為EJA430A，壓力開關為PEV-1/4-B，編碼器為EFT100-HT ;速度傳感器和編碼器通過屏蔽電纜將脈沖信號傳輸給高速計數模塊，懸重傳感器通過屏蔽電纜將4-20mA信號傳輸給模擬量輸入模塊，壓力開關通過屏蔽電纜將電平信號傳輸給數字量輸入模塊；高速計數模塊、模擬量輸入模塊和數字量輸入模塊將采集到的數據匯總到控制器，再通過MPI通訊協議和工控機進行數據交互。
9.根據權利要求8所述的機械調峰電控系統，其特征在于:所述調峰電機的額定電壓750VDC、額定電流579A、額定功率400KW、額定轉速1000r/min、最高轉速1200r/min。
10.根據權利要求4所述的機械調峰電控系統，其特征在于:所述調峰電機和控制系統是通過兩根單芯的電纜連接；所述飛輪儲能系統和控制系統是3相4線形式連接。
【文檔編號】G05B19/042GK203386028SQ201320313771
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年5月31日 優先權日:2013年5月31日
【發明者】張耀友 申請人:西安寶德自動化股份有限公司