油田柴油机最大功率现场测试系统及实验研究*

钟功祥，周耀胜，吕志忠，王仕强，林 宁，周 强

(1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500;2.川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川广汉 618300)

0 引言

柴油机是油田和海洋平台上钻井主要动力源。油田和海洋平台上的柴油机工作环境恶劣、使用过程中无法保养，长时间使用后柴油机油耗量增加［1］，并且”无力”［2］，这直接影响负载工作状况和钻井作业效率。转速和功率是柴油机动力性能的两个最重要的指标，现场柴油机的转速和功率含有与柴油机性能相关的丰富信息，它反映了柴油机的工作状态。因此对这两个指标进行测试分析具有十分重要的意义［2］。

目前，国内外研究者做了大量研究检测柴油机机最大功率的工作，并研制出力相关的测功器［3－5］。检测方法主要有两种，即稳态测功和动态测功［5］。稳态测功主要是用水力测功器、电力测功器、电涡流测功器等来测功［5］，由于油田现场空间距离有限这些测功器不便于安装，故在油田和海洋平台不适用;动态测功存在转速测量误差大、加速时间测量不准确、操作方式引起较大误差的缺陷［5］，而且必须在知道柴油机机转动惯量的前提下才能使用［6］。

为了克服以上测功器的缺陷，通过多种方案对比分析得出了一种新的测定柴油机功率的方法，研制出了新的柴油机最大功率现场测试系统。

1 柴油机无负载测功原理

1.1 柴油机当量转动惯量I

(1)柴油机空载测试

前将柴油机后端的液力变矩器或者万向轴拆下，使柴油机没有外部负载。柴油机在稳定状态下(怠速)工作，突然断油让其自有停车［7－8］。根据功能原理，可得:

式中:－Tf为柴油机在稳定工作状态下的摩擦扭矩;J为柴油机当量转动惯量;dω1/dt为柴油机自由停车转速曲线直线段的角加速度。

(2)附加配重测试

在柴油机输出轴上增加一自制配重，其转动惯量为J'。柴油机在稳定状态下(怠速)工作，突然断油让其自由停车［7－8］。根据功能原理，可得:

式中:－Tf'为柴油机负载配重测试在稳定工作状态下的摩擦扭矩;J为柴油机当量转动惯量;J'为柴油机附加配重转动惯量;dω2/dt为柴油机自由停车转速曲线直线段的角加速度;柴油机都是在无负荷怠速下自由停车，时间极短，并且温度变化小，故可认为上述两个过程中的摩擦扭矩基本相同［8－10］。根据以上两式得到柴油机转动惯量:

1.2 柴油机最大功率P

柴油机无负载怠速下稳定运行，突然将柴油机油门开到最大，柴油机加速所做的功除了克服摩擦力矩外，有效功全部用来加速自身各回转件的运转［7，9］。因此，只要通过测试得到柴油机加速时间以及加速开始时刻的转速和加速终了时刻的转速［11］，就可以得到柴油机的有效功率。

图1 柴油机无负载加速曲线

根据功能原理，柴油机加速过程中动能的增加等于柴油机做的功:

式中:(ω2－ω1)/ΔT可看成是柴油机的角加速度;柴油机加速时在最高速度处发挥最大功率，(ω2+ω1)/2可看成柴油机的最高速度的平均值;因此式(5)变换成:

式中:ω1、ω2为对应加速过程中n1、n2转速的角速度;dn/dt为柴油机转速加速度;ΔT为柴油机从n1加速到n2的时间;Pcr为柴油机从n1加速到n2的平均功率，此功率和最大功率之间有一修正系数K［5］:

经修正后的值便能反应出柴油机的最大功率。

2 柴油机最大功率现场测试系统

2.1 硬件系统

柴油机最大功率测试系统硬件主要由东华DHDAS5927N动态数据采集仪、传感器、数据无线传输模块、便携式计算机等四部分组成。根据测试要求选择霍尔传感器，采样频率为100 kHz;无线模块用于数据传输;东华DHDAS5927N动态数据采集仪用于采集数据;便携式计算机用于存储数据。柴油机测试硬件系统示意图如图2所示。

图2 柴油机测试硬件系统示意图

2.2 软件系统

用DHDAS(5927N_NET)软件采集柴油机相应的数据，用DEMPAS软件(柴油机最大功率分析软件)进行数据处理分析，两个软件界面如图3、4所示。

图3 DHDAS(5927N_NET)软件界面

图4 DEMPAS软件界面

3 柴油机最大功率测试系统现场实测应用

为了验证研制的柴油机最大功率测试仪的可靠性，在成都济柴动力设备有限公司进行了现场实测，测试柴油机相关技术参数见表1所列。

表1 成都济柴柴油机相关技术参数

在无负载和增加配重负载两种情况下操作严格按照测试方案做了3次测试，得到测试数据，用处理软件分析得到部分转速曲线如图5～7所示。

图5 柴油机无负载减速曲线

图6 柴油机配重负载减速曲线

根据图5、6中的转速曲线，利用公式(3)计算出CAT3408柴油机的转动惯量J=11.37 kg·m2。将得到的转动惯量输入DEMPAS软件可得到柴油机的最大功率，数据分析如表2所示。

图7 柴油机配重负载减速曲线

表2 中海油海洋平台柴油机功率分析表 /kW

测试结果分析:从上表可以看出，3次测试与水力示功器测试的功率误差很小，能够测出柴油机的功率值;由于转速测量以及其他误差，所以测试功率值与水力示功器显示的功率存在一定误差。

4 结论

(1)测试采用的霍尔传感器采样频率为100 kHz，测试数据曲线可以看出柴油机三次测试都具有很高的线性度、重复性，3次测试功率相差很小，表明测得的数据误差较小、测试系统可靠。

(2)对于不同型号不同类型的柴油机都可以通过无负载和增加配重负载减速数据得到准确的柴油机转动惯量，解决了柴油机功率测试的关键问题。

(3)本测试系统可以在不拆卸柴油机的情况下广泛应用于油田和海洋平台现场，具有数据无限传输模块适合远距离操作，可保护测试人员安全，测试全过程都采用软件处理可以快速得到现场柴油机的最大功率。

［1］ 高志和.12V190型柴油机节油装置应用研究［J］.石油矿场机械，2011(6):77－79.

［2］ 万德玉.钻井用柴油机“无力”浅析及对策［J］.石油机械，1991 (7):7－10.

［3］ Plint M A.Some Limitations of the Classis Dynamomentes in Vehicle Simulation［J］.Journal of Automobile Engineering，2001，215 (3):431－437.

［4］ S.J.Citron and W.P.Mihelc，Engine，Performance Montior and Control System［J］.U.S.Patent Application，1982(372):142－149.

［5］ 洪志杰.发动机功率检测方法及误差研究［J］.广东交通职业技术学院学报，2008(2):41－44.

［6］ 黄 建，王 武.部分负载测功法的试验研究［J］.农业工程学报，1999(6):46－49.

［7］ 张汉江.汽车发动机无负荷测功原理及应用［J］.汽车技术，1995(12):44－48.

［8］ 滕万庆，王芝秋.一种柴油机发电机组的转动惯量估算方法［J］.内燃机学报，2010(6):546－550.

［9］ 侯志辉.发动机功率状况无外载测定［J］.吉林工业大学学报，1979(2):58－65.

［10］ 黄幼昌.发动机的无负荷测功法和电子电子测功仪［J］.福建农学院学报，1982(2):1－8.

［11］ 崔淮柱.内燃机瞬时转速的测量及数据处理［J］.内燃机工程，1985(6):46－52.