2500型压裂车电气自动控制系统的设计与应用

熊 伟

（四机赛瓦石油钻采设备有限公司，湖北武汉 430000）

1 2500型压裂车的结构与原理简介

1.1 2500型压裂车的结构

2500型压裂车是我国北方重工集团自主研发的一种压裂车，现已成功投入生产并得到了广泛的应用。为了更好地适应国内外的市场环境，2500型压裂车常被应用于非常规能源或是特殊地质条件下的能源开采作业中[1]。2500型压裂车的电气控制系统中包含泵车车胎发动机及远程启动发动机等功能，具有较为明显的现代化应用特征。该设备的总体结构如表1所示，上装部分与底盘部分的功能组成较为清晰。

表1 2500型压裂车的总体结构示意

1.2 2500型压裂车工作原理

2500型压裂车通过底盘中的发动机为整体提供动力，启动电机以后，驱动车台发动机会产生动力，进而持续运转，液力传感箱可将动力直接输送至压裂泵的动力端，并为压裂泵的运转提供驱动力，使混砂车所提供的压裂液被吸入管中，增加压裂泵的压力，而高压工况的状态下，压裂液会从管道排至井下进行压裂作业。

2 2500型压裂车的电气控制系统主要构造

2.1 本地制动控制箱

在2500型压裂车的电气控制系统中，为满足单机或多机联合的作业需求，驾驶室的左侧区域通常装有本地制动控制箱，该设备可对系统的启动及制停发出相关指令，并通过传动箱、压裂泵等部件的动态变化发挥预警或超压保护的功能。此外，还可以对整机的定压或定排量进行自动化作业。技术人员只需在作业前使用数据线将各类设备连为一体，利用网络技术对该系统的发动机、传动箱、压裂泵等设备进行共享使用，依据标准化的作业流程进行联机作业，但在作业之前必须要对连接流程进行编写，实现各组设备的标准化控制。此外，技术人员还可在设备控制箱上安装数据采集口，将其与计算机的连接后可用于搜集参数。本地制动控制箱是该系统的核心设备，其中包含了许多重要的控制元件。另外，在制动控制箱内部还存在继电器、开关电源及信号处理等设备，箱体的一侧设置电源插座，并具备防震及防潮性能。

2.2 台上仪表箱

如表2所示，2500型压裂车的台上仪表箱主要有以下功能。

表2 2500型压裂车的台上仪表箱功能（参考）

2.3 台上控制箱

表3 2500型压裂车的台上控制箱组成

2500型压裂车的台上控制箱内含有大量的电气元件及电气显示仪表，该设备一般位于2500型压裂车车台的左侧，为便于检修工作，台上控制箱内的各个接线等都具有清晰的标记[2]，其中主要的元件如表3所示。

2.4 远程控制箱

在2500型压裂车压裂作业时，远程控制箱可用于距离控制模式下的淡季作业，也能与其他设备进行联机作业。当压裂作业所产生的压力值越高，那么该操作的危险性就越大。而2500型压裂车可以通过远程控制系统在远距离作业的模式下完成自动控制作业，并对单台压裂车的停机或油门等功能进行合理化条件，使该系统中的发动机、传动箱等部件的状态符合要求，再配合发动机的转速及大泵瞬时排量，实现计算机数据的超压报警[3]。另外，远程控制箱的操作设备中包含手持式的平板电脑，能够在网络技术的支持下与台上电脑设备实现同步，只需将各个设备用数据线连接起来，就能形成环形的网络，使各设备之间实现有效的串联和集中管理，数据与信息的高效传递模式支持数据共享，并为高压作业环境中的工作人员提供安全保障，减少现场中安全事故的发生几率。

3 2500型压裂车电气自动控制系统的主要控制技术要求

3.1 单泵单独控制和机组编组控制

单泵单独控制功能有多种，其中包含对发动机设备的启、停；设备档位的升、降；还可进行设备的压力测试；而机组编组的控制是指技术人员在选定泵车组时，可根据需求将部分泵车设为一组，能够控制这些泵车组的档位及油门等功能。

3.2 定排量、定压力控制

2500型压裂车的电气自动控制系统呈现出较高水平的自动化，对定排量及定压力控制方面具备优异的性能。技术人员可先设定数值，再以实际的施工情况为根据，选用4＂～5＂柱塞，使其处于压力值的最高状态与排量值的最高状态之间即可。如表4为柱塞的性能参数，由于所设定的压力值不同，柱塞的性能参数又可分为3种。

表4 2500型压裂车柱塞泵性能参数（发动机转速1900 r/min）

（1）压力值小于设定的小区间。在自动模式下的泵车可根据排量值对2500型压裂车的档位和油门进行自动调节，从而使设备机组能够满足排量需求，若调节的过程中泵车出现故障情况，则自动模式作业下的泵车会自动调高排量，以维持设定排量的状态[4]。

（2）压力值介于设定的大、小区间之间。则设置为自动模式下的泵车，会维持当下的档位和油门控制状态，而不会自动调高泵车档位；若所设定的排量与大泵累计排量相比过小时，则设备的机组会自动调节档位使其与设定的排量值相符；若压力值处于这一区间，仅设定的排量值比实际的泵车累积排量值相对较小，则设备机组会重新调节档位和油门的作业状态。

（3）压力值大于设定的大区间。则设备机组会按照八档至一档的顺序依次降低档位，至八档全部空档后，其余泵车的档位也会持续下降。若设备机组的压力一直处于比设定压力值高的区间内，则各台自动作业的泵车都会自动调低档位，直至所有的泵车都降为空档。

3.3 机车总快捷停控制

2500型压裂车中的设备机组具有总快捷停控制功能，启动“快捷停”控制键以后，确认每台设备是否连接无误，使用数据线将设备串联起来，形成环形网络的发动机、传动箱等设备在这一状态下能够实现数据共享及快捷键控制，使该系统的自动化程度较高，而再次确认按键以后，2500型压裂车的设备机组将会取消快捷键的保持状态，必须经过状态取消，才能控制泵车的档位和油门。

3.4 压裂车控制系统的优势分析

2500型压裂车中的控制系统是目前国际上最为先进的自动化控制技术，其精准度较高、可靠性较强，具有良好的兼容性，能够依照操作的需求灵活切换作业方式，能够进行远程控制，控制设备可供便携。从技术特点方面来分析，2500型压裂车的电气自动化系统在先进的核心技术支持下，对多类型的发动机及设备存在高兼容性，在多车环网的设备控制中，也能发挥出强大的实用优势，如在压力值与排量值的自动化控制作业中，该系统可依据实际作业的需求自由编组控制系统，该系统具有工业触摸屏等控制终端，可自行诊断或预警，设计理念趋于安全化。除此之外，2500型压裂车的控制系统能够适应恶劣环境中的工作，如-40～60℃之间的环境都可胜任，且操作界面可划分语言种类，便于多种领域使用该项技术。

4 结束语

在我国油田工程的开发中，以崎岖、潮湿、多灰的路况作业环境为主，2500型压裂车设备在此恶劣的工作环境中发挥了重要的作用，不同泵注类型的2500型压裂车可服务于不同的工作项目。该项设备采用先进的国际标准及技术制造，强大的环境适应能力使其在恶劣的工作环境下满足岩页气钻采时间长及排量大等多种施工要求，由于制造技术较为先进，2500型压裂车的液力端运行寿命能够比同类产品提升57%左右。2500型压裂车的电气自动化系统经过扭振分析技术的结构优化，在工作状态下并无剧烈的振动，施工工况的安全性得到大幅提升。该系统在先进的集成技术支持下，采用高端的配套产品，装备能力得到有效增强，持续作业能力比同类产品提升15%，整体设备的机能消耗下降3%，使压裂施工作业更加稳定、安全。