黃 波 海油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司 300451

直流鉆機(jī)系統(tǒng)在自升式鉆井船上的應(yīng)用

黃 波 海油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司 300451

介紹了直流電動(dòng)鉆機(jī)在國產(chǎn)鉆井船上的應(yīng)用情況，著重說明和分析直流電動(dòng)鉆機(jī)的調(diào)速原理。通過工程實(shí)際，推薦最優(yōu)運(yùn)行工況，達(dá)到節(jié)能、提高系統(tǒng)電能質(zhì)量的目的。

直流電動(dòng)機(jī)；調(diào)速特性；無功功率；鉆井船

一、引言

200米自升式鉆井船較常規(guī)海洋石油平臺(tái)，電網(wǎng)容量有限，且電力負(fù)荷中存在大量的直流設(shè)備。它們的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行直接影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，并關(guān)系到系統(tǒng)的節(jié)能降耗。本文以直流鉆機(jī)的應(yīng)用為例，分析說明直流電動(dòng)機(jī)在不同工況下的運(yùn)行特點(diǎn)，選取最佳運(yùn)行方式。為今后直流電機(jī)在有限容量電網(wǎng)中的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)參考。

直流電動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)一般包括：泥漿泵、轉(zhuǎn)盤、絞車和控制臺(tái)等。鉆機(jī)系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是對(duì)電機(jī)的調(diào)速性能要求較高。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜（有換向器）、成本高、需要較多的維護(hù)和保養(yǎng)，應(yīng)用不如交流電機(jī)廣泛。但是，直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)性能和調(diào)速性能，仍然廣泛地應(yīng)用于對(duì)起動(dòng)和調(diào)速要求高的生產(chǎn)機(jī)械中，特別是在陸地及海上鉆井平臺(tái)系統(tǒng)中。

二、自升式鉆井船直流鉆機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用

下面以海洋石油工程股份有限公司為中海油服承建的4艘L780船型200米自升式鉆井船為例，介紹一下鉆井船直流鉆機(jī)系統(tǒng)：

1、傳動(dòng)系統(tǒng)

整個(gè)可控硅整流系統(tǒng)有5個(gè)可控硅柜、1個(gè)電磁剎車柜。采用ACSCR-DC的電傳動(dòng)方式。絞車為三拖一、轉(zhuǎn)盤為二拖一、泥漿泵為一拖一。但通過切換柜邏輯互鎖關(guān)系控制通路來保證每組可控硅只對(duì)應(yīng)控制一套設(shè)備。通過對(duì)可控硅元件的控制，將恒壓，恒頻交流電源整流成連續(xù)可調(diào)的直流電源，從而實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，滿足傳動(dòng)要求。為了保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，在進(jìn)線的母排上安裝了電流互感器，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?RA70直流調(diào)速器上，這樣確保了傳動(dòng)柜的結(jié)構(gòu)緊湊，保護(hù)措施嚴(yán)密，安全性能高，工作效率高。具體請(qǐng)見圖1。

2、控制柜

電磁剎車柜：

電磁剎車柜配備Siemens /6RA70系列直流調(diào)速器一臺(tái)，為電磁剎車裝置提供調(diào)節(jié)的直流電源。電磁剎車在下鉆、打鉆時(shí)使用，原理是通過克服懸重力，使大鉤以一定速度向下運(yùn)動(dòng)，達(dá)到下鉆和打鉆的目的。

圖1 鉆機(jī)系統(tǒng)主電路圖

圖2 串勵(lì)電機(jī)等效電路圖

切換柜：

柜內(nèi)安裝了16個(gè)直流接觸器，可利用柜內(nèi)設(shè)定的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)可控硅對(duì)直流電機(jī)的一對(duì)一控制。此外，還可用直流接觸器改變直流電機(jī)電樞的電流方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤及絞車的正反轉(zhuǎn)功能。

3、高壓泥漿泵

兩臺(tái)泥漿泵采用兩套西門子SCR直流調(diào)速器驅(qū)動(dòng)，其速度控制可通過現(xiàn)場(chǎng)總線在司鉆控制臺(tái)上由司鉆進(jìn)行速度調(diào)節(jié)和設(shè)定。在泥漿泵房裝有泥漿泵現(xiàn)場(chǎng)控制臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)本地操作（啟動(dòng)、停止、調(diào)速、測(cè)試等）。

泥漿泵采用全數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，且能提供連續(xù)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高。在恒功率時(shí)有較大的調(diào)速范圍，體積小、可靠性高。利用此系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)泥漿泵可方便的調(diào)節(jié)泥漿泵的排量，減少泥漿泵缸套的更換次數(shù)。

4、 絞車控制

采用西門子SCR直流調(diào)速器驅(qū)動(dòng)，其速度控制可通過現(xiàn)場(chǎng)總線在司鉆控制臺(tái)上由司鉆進(jìn)行速度調(diào)節(jié)和設(shè)定。

絞車采用全數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，且能提供連續(xù)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高。在恒功率時(shí)有較大的調(diào)速范圍，體積小、可靠性高。利用此系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)絞車可方便的調(diào)節(jié)絞車的速度或轉(zhuǎn)矩。

5、 轉(zhuǎn)盤控制

采用兩套西門子SCR直流調(diào)速器驅(qū)動(dòng)，其速度控制可通過現(xiàn)場(chǎng)總線在司鉆控制臺(tái)上由司鉆進(jìn)行速度調(diào)節(jié)和設(shè)定。

全數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，且能提供連續(xù)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、扭矩限制等。在恒功率時(shí)有較大的調(diào)速范圍，體積小、可靠性高。

三、探討直流鉆機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

首先，使柴油機(jī)盡可能運(yùn)行在或者接近持續(xù)功率點(diǎn)，降低耗油率。

其次，盡量提高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低電流，充分利用發(fā)電機(jī)組的容量，盡量減少發(fā)電機(jī)組使用臺(tái)數(shù)，降低油耗，減少機(jī)械磨損。

再次，減少直流電機(jī)、發(fā)電機(jī)發(fā)熱，提高電磁效率。

鉆井船使用的直流電機(jī)均為串勵(lì)電機(jī)，串勵(lì)電機(jī)等效電路圖如圖2所示。

通過分析串勵(lì)電機(jī)電磁特性可知：

直流鉆機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方法就是降低直流電機(jī)所需的輸出轉(zhuǎn)矩，提高轉(zhuǎn)速，降低電流，提高直流電壓，從而降低系統(tǒng)發(fā)熱，提高發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)的效率，提高發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)，使柴油機(jī)能以較大的輸出功率在低耗油區(qū)工作，并盡量減少發(fā)電機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

在工程實(shí)際中可采取如下操作實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行：

首先，在鉆井過程中，根據(jù)需要選定一定的泥漿泵泵壓和排量及轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速后，讓泥漿泵在允許的較高泵沖下工作；選擇盡量低的絞車檔位，讓驅(qū)動(dòng)絞車電機(jī)在較高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。

其次，在起鉆的過程中，根據(jù)井下復(fù)雜情況，選定一定的起鉆速度后，應(yīng)盡量選擇絞車低速擋位，以達(dá)到電機(jī)低輸出轉(zhuǎn)矩，高轉(zhuǎn)速的目的。

此外，中海油服選用直流鉆機(jī)系統(tǒng)作為鉆井船鉆井系統(tǒng)還有一個(gè)考慮，即中海油服現(xiàn)有鉆井操作單元（包括鉆井船及鉆機(jī)模塊等），大部分都是直流系統(tǒng)。目前海洋石油處于快速發(fā)展階段，人員及設(shè)備都處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。若是新建鉆井船采用直流系統(tǒng)，可省下寶貴的人員培訓(xùn)時(shí)間及費(fèi)用?，F(xiàn)有直流鉆井單元與新建直流鉆井單元原理及設(shè)備都基本相同，現(xiàn)有直流鉆井單元上的人員經(jīng)過短時(shí)間熟悉后，即可熟練的投入到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。此外，直流系統(tǒng)內(nèi)功率相近的元器件如可控硅、直流接觸器等也可互換，在某些特定時(shí)候可節(jié)約維修費(fèi)用及成本。

[1]李先允.電力電子技術(shù).中國電力出版社.2006-09

[2]楊中華.直流調(diào)速技術(shù).中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社.2006-05

Drilling rig used in homemade drilling unit

Huang Bo Offshore Oil Engineering Co, Ltd Engineering Company 300451

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.021

黃波 男 工程師，1976年生，1999年參加工作，電氣工程師。