2500型压裂车的电气自动控制系统设计与应用

Internal Combustion Engine & Parts•15 •2500型压裂车的电气自动控制系统设计与应用苏宏彪(北方重工石油装备有限公司，沈阳110000)摘要:压裂是常规油气田以及页岩气、页岩油、煤气层等资源开发的核心技术，可应用于页岩气田、中深井的各种压裂、致密性油 气田深井和酸化作业。

本文针对2500型压裂车的电气自动控制系统，就电气设计部分提出了较以往同类产品的电气设计技术指标要 求，包括：电气控制系统中的自动控制箱、台上仪表箱及仪表系统和远程控制系统的设计，以及自动控制系统主要控制中的单泵单独 控制、机组编组控制、定排量定压力控制、机组总快捷停控制的应用技术。

关键词院2500型压裂车;仪表系统;远程控制系统0引言压裂车系列产品是根据我国油田现场的特殊路况、地质条件以及压施工工艺的要求而研制的高端压裂装备，同时具有压力高、功率大、排量大、耐腐蚀、抗磨损性强以及长时间连续作业的特点。

目前我国随着复杂油气藏、低渗透油田以及煤层气田的大规模开发，使开采现场对压裂设备的施工提出了更高的要求。

而国际市场上石油压裂设备正向着功率大、功能多、自动化的方向发展。

随着我国自主 研发能力的提高，我国先后研制成功50〜140MPa等系列 压裂车，但总体基础工业以及配套条件的多方面限制，同时自动化技术程度低于国际先进的水平。

而引进国外先进 技术的压裂车，由于存在着压裂泵等方面上的差异，总体 技术指标与理想产品相比仍具体一定差距。

1压裂车2500型简介2500型压裂车是北方重工集团在页岩气开发政策的 利好形势下，为更好适应国内以及国际市场环境，自主研 发的针对非常规能源在特殊地质条件下实现开采的技术 下压裂车并已经成功投入生产，并获得用户广泛好评。

2500型压裂车的电气自动控制系统具备泵车车胎发动 机、车台远程启动互锁、远程启动发动机、车胎远控双停 机、定压力自动化作业，定排量自动作业等新兴使用功能。

1.1总体结构2500型压裂车由底盘车和上装设备两部分组成。

底盘车除完成整车移运功能外还为车台发动机启动液压系 统提供动力；上装部分是压裂车的工作部分：主要由发动 机、液力传动箱、压裂泵、吸入排出管汇、安全系统、燃油系 统、压裂泵润滑系统、电路系统、气路系统、液压系统、仪表 及控制系统等组成。

（图1)1.2压裂车工作原理压裂车是通过底盘车发动机驱动车台发动机启动马 达，驱动车台发动机运转并产生动力，继而通过液力传动 箱和传动轴将动力传给压裂泵动力端，使压裂泵在动力驱 动下开始运转；混砂车供给的压裂液通过吸入管吸进压裂 泵进行增压，再在高压工况下顺着管道排入井下进行压裂 作业。

作者简介：苏宏彪（1980-),男，黑龙江双鸭山人，高级工程师，毕业于北京机械工业学院自动化专业，从事自动化研究。

1-底盘车;2-底盘变速箱和发动机取力器;3-驱动液压系统车台发动机;4-车台上网络控制箱;5-车台发动机冷却水箱;6-液力传动箱;7- 传动轴；8-安全系统；10-吸入管汇；11-排出管汇；12-液压系统；13-压裂 车润滑系统.图1B Z5450T Y L型压裂车总体布置图1.3压裂车系统组成（图2)2电气控制系统2.1本地制动控制箱本地制动控制箱一般安装在驾驶室左侧，支持单机 作业和多台设备联机作业。

在作业过程中，本地制动控制 箱能够对作业车的启^亭、档速调整、停机以及传动箱、发动机、压裂泵等功能部件的动态变化进行安全预警、实际 压力，超压保护等基本功能，又能对整机进行定压力和定 排量自动作业操作。

作业前先用数据线将各类设备串联 使之构成一套操作压裂车作业的环形网络，通过网络双 向共享发动机、传动箱、压裂泵等各类设备的信号、参数。

可根据作业流程将单车和多车编组进行联机作业，但是 工前必须根据作业要求分阶段编好工作流程，以实现各 组设备排量、压力的自动化控制。

在作业过程中，可以通 过安装在设备控制箱上的数据采集口连接笔记本电脑来 时时采集和打印联机作业参数，可以借助仪表车完成这 项工作。

本地制动控制箱是电气控制系统的核心所在，包括电 气控制元件，各种信号的输入和输出与控制命令。

制动控 制箱内有各种端子以及继电器、启动继电器、交换机、开关 电源、PLC、放大器、信号处理及信号转换等设备；箱体一 侧设有插座；控制箱内接线均有明显清晰标示；本地制动 控制箱体还应具备放震和防潮功能。

2.2台上仪表箱台上仪表箱所有仪表、开关、控制等用中文标明，台上 仪表箱（一般固定于车台左侧）。

台上仪表箱用于安装液、气路仪表，其中包括：•16 •内燃机与配件大泵油压表：通过直感方式指示压裂泵动力端润滑油 压的大小；传动箱油压表：通过直感方式指示传动箱润滑油压的 大小；传动箱油温表：通过直感方式指示传动箱润滑油温的 大小；发动机油压表：通过直感方式指示发动机润滑油压的 大小；发动机水温表：通过直感方式指示发动机润滑油温的 大小；启动油压表：采用直感方式观察启动油泵的油压 高低；风扇主油压表：指示风扇主油泵油压值；风扇补油压表：指示风扇补油泵油压值。

2.3台上控制箱台上控制箱内装有各种电气元件、电气显示仪表与控 制接头。

台上控制箱一般固定于车台左侧，为便于检查维 修，所有接线、接头均有清晰的标记。

面板主要元件包括：发动机综合显示仪：可以同时显示发动机水温、油压、转速、进气压力、故障代码等多项参数；传动箱综合显示仪：可以同时显示传动箱油温、油压、档位、故障代码等多项参数；气压表：采用电感方式，指示储气罐内的气压大小；电压表：用于指示电瓶电压值；还包括：主控箱电源熔断器、照明灯熔断器、加热炉熔 断器、照明灯开关、主控箱总电源开关、控制系统电源开 关、加热器开关：用于冬天启动加热器；发动机紧急停机按 钮、发动机启停钥匙开关采用（A B B钥匙开关）、散热风扇 采用手自动切换开关、加热器电源指示灯。

操作员可以在台上控制箱控制操作压裂车（包括柴油 机启动、转速控制、停车、换挡、超压保护设置等功能）。

3远程控制箱远程控制箱用于压裂作业时距离控制单机进行施工 作业，也可以多台设备组成机组与其它设备实现联机作 业。

由于压裂作业时排出□压力高，危险性较大，远程控制 系统可以实现压裂车的远程采集与自动控制。

远程控制系 统可以实现单台压裂车的停机、油门调节、换挡、故障检 测、一键怠速等控制功能，还可以采集到发动机、传动箱、大泵的故障报警、超压报警、传动箱锁定等各部件状态，以及发动机转速、大泵瞬时排量与积累排量、大泵排除压力 值，并且通过计算机数据的设置还可以实现超雅报警、超 压回怠空档刹车的功能。

远程控制箱采用具有防震防潮功能的手持平板电脑，体积小，方便携带，操作界面与台上控制箱电脑设备 同步显示，并保持各个数据通过数据线进行连接，设备之 间相互串联形成环形网络，各台设备的发动机、传动箱、压裂泵等信号和数据通过网络进行双向传递，从而实现 数据共享，并保持各个数据同步，有效的保证使用者压裂 车在高压工作环境的人身安全，有效减少开采现场安全 事故的发生。

4自动控制系统主要控制技术要求4.1单泵单独控制主要包括：发动机启动、发动机停止、发动机急停、快 捷停（一键怠速，空档，刹车）、档位设定、油门升降、超压复 位、试压测试、加热装置、气压系统、冷却系统、安全保护装 置等几大部分组成。

4.2机组编组控制2500型机组编组控制就是将某些泵车设置为一组，Internal Combustion Engine & Parts•17 •选定该组后同时控制包括档位控制，油门控制，快捷停 控制。

4.3定排量定压力控制2500型泵车自动定排定压力控制就是将泵车设置 为自动模式，然后可以设定一个排量值，设定一个压力 值。

2500型压裂车可以根据施工区域的状况选用4义耀5义 的柱塞，在最高压力和最大排量之间进行选择。

以下分别 列出相应柱塞的性能参数。

根据设定的压力值，划分为3 个区间：1区：当压力值低于设定压力的小区间时，设置为自 动模式的泵车将根据设定的排量值自动调节档位和油门，让机组内所有大泵实际瞬时排量之和达到设定的排量；作 业过程中参与工作的泵车出现故障后，设置为自动模式的 泵车能自动提高排量，维持机组内所有泵车的瞬时排量之 和为设定排量。

2区：当压力介于设定压力的小区间和大区间之间 时寸，或者说当设定量大于所有大泵实际累计排量时，设置 为自动模式的泵车将会维持当前的档位和油门控制，而不 会提高设置为自动模式的泵车档位；但是当将设定排量改 变使之比大泵累计排量小时，将会自动调节档位和油门控 制使之维持在设定排量值；当压力在此区间时，只有当设 定排量比实际所有泵车累计排量小，才会从新控制设置为 自动模式的泵车的档位和油门；当压力在此区间时，其所 有泵车累计排量和等于或者小于设定的实际排量。

3区：当压力大于设定压力大区间时，按照从八档到 一档位的顺序，泵车将自动降低档位，先从八档位逐次下 降，在八档泵车档位降至空档后，七号泵车档位将逐次下 降，如果实际大泵压力始终高于设定压力值高区间，将会 逐次降低每台设置为自动模式泵车的档位，直至所有设置 为自动模式的泵车其档位均降为空档。

表1柱塞泵工作特性表（发动机转速1900rpm)传动箱 冲 流量m3/min压力MPa档位次4义 4.5义5义4义 4.5义5义一挡610.6300.7970.984137103103二档760.7880.998 1.23213710391三档960.988 1.250 1.5431138972四档113 1.168 1.478 1.825967561五档142 1.466 1.855 2.291766049六档177 1.828 2.313 2.856614839七档219 2.252 2.850 3.519503932八档273 2.815 3.562 4.3984031254.4机组总快捷停控制2500型压裂设备的机组总快捷停控制中，按键“快捷 停’’后，并确认后将对网络上每台设备通过数据线进行连 接，设备之间相互串联形成环形网络，各台设备的发动机、传动箱、压裂泵等信号和数据通过网络进行双向传递，从 而实现数据共享的压裂泵车进行快捷停控制（空档，怠速，刹车同时完成）。

再次按键并确认后，将取消快捷停保持状 态。

只有快捷停状态取消后，才能对泵车进行档位和油门 控制。

4.5压裂车控制系统优势压裂车控制系统采用国际最先进的控制技术，具有控制精准、可靠性高、兼容性强、切换方式灵活等特点，配备本地控制、远程控制、便携式控制多种操作方式。

技术特点：系统能够兼容多种品牌发动机，变速箱等主要部件；系统可进行多车环网控制，压力、排晕自动控制，自由编组控制，单机手动控制等；系统具备工业触摸屏、工控机、便携式远程控制三种控制终端；系统具有自诊断、掉线报警等多种安全眭设计；系统可在-40益至+60益恶劣的环境稳定工作；操作界面多语言可选择。