韓 菊 (渤海石油職業(yè)學(xué)院石油工程教學(xué)部，河北 任丘 062552)

一種新型電動修井機控制系統(tǒng)設(shè)計

韓 菊 (渤海石油職業(yè)學(xué)院石油工程教學(xué)部，河北 任丘 062552)

設(shè)計一種配置蓄能器的新型電動修井機控制系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的功能需求，介紹了系統(tǒng)總體架構(gòu)，并闡述控制系統(tǒng)各組成部分(包括AC/DC PWM整流器、DC/AC逆變器、電容蓄能器系統(tǒng)、DC/DC變換器、系統(tǒng)控制器等)的功能。現(xiàn)場施工表明，該系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)修井機原動力“油改電”的目標(biāo)，從而滿足環(huán)保和節(jié)能減排要求，可以在各油田推廣應(yīng)用。

修井機；控制系統(tǒng)；整流器；逆變器；電容蓄能器

修井機是油田修井作業(yè)的主要設(shè)備，大部分以柴油機作為原動力。隨著油田環(huán)保和節(jié)能減排要求的不斷提高，出現(xiàn)了以交流變頻技術(shù)為基礎(chǔ)的電動修井機，由此實現(xiàn)修井機原動力“油改電”。下面，筆者對一種新型電動修井機控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計研究。

1 系統(tǒng)功能需求分析

修井作業(yè)的能量消耗主要是油管提升過程，其包括提升、懸停、卸扣、排放油管、摘掉卡、掛吊卡等。上述步驟的耗費功率不同，其中最大功率需求主要出現(xiàn)在油管提升工況，其余步驟耗費功率較小。根據(jù)修井機的工作特點，可在井場變壓器容量較小的情況下，利用蓄能器技術(shù)實現(xiàn)油管提升功率補償，滿足作業(yè)時效的要求。為此，電動修井機控制系統(tǒng)重點解決以下2個問題：①為了提高作業(yè)時效，配置高功率密度蓄能器，并具有蓄能器在線快速充放電、智能診斷的功能；②井場電網(wǎng)和蓄能器共同為修井機供電時，針對井場配置的不同容量變壓器，控制系統(tǒng)能自動負(fù)載分配控制，最大限度地應(yīng)用井場電網(wǎng)電能，延長蓄能器壽命。

2 系統(tǒng)設(shè)計

圖1 修井機控制系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

修井機控制系統(tǒng)包括AC/DC PWM整流器、DC/AC逆變器、電容蓄能器系統(tǒng)、電容DC/DC變換器、備用電池系統(tǒng)、電池DC/DC變換器、系統(tǒng)控制器、其他用電設(shè)備等(見圖1)。

修井機修井作業(yè)時，由井場電網(wǎng)、電容蓄能器構(gòu)成的電-電混合系統(tǒng)為整個系統(tǒng)供電。根據(jù)井場電網(wǎng)變壓器容量的大小，系統(tǒng)控制器合理分配井場電網(wǎng)、電容蓄能器能量的輸出，最大限度地使用井場電能，同時在修井作業(yè)負(fù)荷輕的時間段內(nèi)，快速完成蓄能器充電，為下一個提升作業(yè)周期儲備能量。

為了提高系統(tǒng)的安全性，配備了備用電池系統(tǒng)。當(dāng)井場電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，可由電容器蓄能器和備用電池系統(tǒng)組成混合供電系統(tǒng)供電，從而保證修井作業(yè)過程順利進(jìn)行。

控制系統(tǒng)采用DP總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)控制器為主站，AC/DC PWM整流器、DC/AC逆變器和電容蓄能器系統(tǒng)均有DP總線接口，電容DC/DC變換器、電池DC/DC變換器帶有RS485通訊接口，通過485轉(zhuǎn)ProfibusDP模塊連接到DP網(wǎng)絡(luò)上。

2.1AC/DCPWM整流器

AC/DC PWM整流器可以將井場變壓器提供的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，從而為系統(tǒng)提供直流電源。同時，根據(jù)修井機作業(yè)特點，對電容器進(jìn)行恒壓、恒流充電控制，快速補充能量。該整流器采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其外環(huán)為直流母線電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過對電源電壓的相位檢測和坐標(biāo)變換以及PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，實現(xiàn)對電網(wǎng)輸入電流的有功分量和無功分量的獨立控制。根據(jù)修井機的工作特點，AC/DC PWM整流器存在3種工作模式，即恒壓控制、恒流控制和電容器充電控制。

1)恒壓控制模式 當(dāng)電機負(fù)載功率低于井場變壓器容量時，該整流器按照恒壓控制模式運行，將380V三相交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，由此作為一個可控的直流電壓源為系統(tǒng)提供能量(見圖2(a))。

2)恒流控制模式 當(dāng)電機負(fù)載功率高于井場變壓器容量時，該整流器按照恒流控制模式運行，即為直流母線提供恒定的直流電流，恒定電流為井場變壓器提供的最大電流，其余能量由電容蓄能器提供，由此充分利用井場電網(wǎng)能源(見圖2(b))。

3) 恒流、恒壓控制模式 當(dāng)修井機輕負(fù)荷作業(yè)時，利用整流器的恒壓、恒流控制模式，可以實現(xiàn)對電容蓄能器的恒流、恒壓充電功能(見圖2(c))。

圖2 PWM整流器工作模式圖

2.2DC/AC逆變器

DC/AC逆變器驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電動機的恒轉(zhuǎn)矩、恒功率控制。DC/AC逆變器采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過檢測電動機的定子電流，并經(jīng)過坐標(biāo)變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電動機定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，然后再經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用、兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)的變換以及PWM脈沖調(diào)制控制，實現(xiàn)了對電動機的快速、精確調(diào)速控制。

由于電動修井機系統(tǒng)采用的是雙速電動機，因而DC/AC逆變器具有以下功能：①能夠保存2組電動機參數(shù)，即在電機變極對數(shù)切換后，不必重新輸入電動機的參數(shù)，該逆變器便能快速調(diào)出變極對數(shù)后的電動機參數(shù)，從而進(jìn)行相應(yīng)的控制。②啟動預(yù)轉(zhuǎn)矩補償功能。為確保修井機的安全運行，啟動時逆變器驅(qū)動電動機輸出軸上具有大于等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的輸出轉(zhuǎn)矩。③直流制動懸停功能。為確保修井機的安全運行，制動停車時逆變器驅(qū)動電動機的輸出軸上具有大于等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的輸出轉(zhuǎn)矩，并持續(xù)足夠的時間。

2.3電容蓄能器

電容蓄能器包括超級電容器組、均壓單元、管理單元等，能夠在修井機提升油管時補償電網(wǎng)的輸出功率，保證作業(yè)時效，并在其他作業(yè)時間內(nèi)由井場電網(wǎng)補充電能，為下一作業(yè)儲備能量。與電池組和普通電容器相比，超級電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長、應(yīng)用溫度范圍寬的優(yōu)點，可快速充放電，適合修井機作業(yè)的工作特點。

圖3 電容蓄能器均壓原理圖

由于單支超級電容器的額定電壓很低，在應(yīng)用中需要進(jìn)行大量串聯(lián)以構(gòu)成超級電容器組，但由此帶來的問題是電容器中各單體電壓不一致，造成超級電容器組的儲能下降或得不到充分利用，而在大電流快速充電時，其充電單體峰電壓又容易超過額定電壓，這會縮短超級電容器組的壽命。均壓單元可以解決大電流充放電導(dǎo)致各個單體電容器上電壓不一致的問題，具體設(shè)計如下：將若干支電容串聯(lián)后作為一個單元，均壓單元采用直流電源，管理單元測量每單元電容電壓值，并控制均壓電源對每組電容進(jìn)行恒流充電，達(dá)到規(guī)定的最低電壓后均壓電源停止充電，剩余能量由AC/DC PWM整流器大電流充電完成(見圖3)。

2.4DC/DC變換器

DC/DC變換器包括電容DC/DC變換器、電池DC/DC變換器，兩者的工作原理相同，能夠?qū)崿F(xiàn)電容(電池)到直流母線、直流母線到電容(電池)的雙向能量流動，從而完成對電容器(電池)的快速充放電。

圖4 DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

DC/DC變換器采用的是兩相交錯并聯(lián)雙向Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)管采用IGBT。兩相并聯(lián)可以減小流過開關(guān)管的電流等級，錯相控制可以有效減小等效電感值和輸出電流波紋。DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。V1側(cè)為PWM整流器的直流母線側(cè)，V2側(cè)為超級電容側(cè)。正常工作時，V1電壓高于V2電壓，這樣有利于提高超級電容器的利用率，在滿足正常運行所需的條件下盡量減小超級電容器的數(shù)量，從而提高儲能的經(jīng)濟(jì)性。電容器充電時，能量從V1側(cè)流向V2側(cè)，變換器工作在Buck變換器模式。電容器放電時，能量從V2側(cè)流向V1側(cè)，變換器工作在Boost變換器模式。

3 基于Profibus-DP總線的修井機控制系統(tǒng)數(shù)字化平臺

圖5 基于Profibus-DP總線的修井機控制系統(tǒng)數(shù)字化平臺結(jié)構(gòu)圖

修井機控制系統(tǒng)為模塊化設(shè)計，由各個獨立的電氣模塊單元組成，各模塊單元通過Profibus-DP現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，從而構(gòu)成修井機控制系統(tǒng)數(shù)字化平臺(見圖5)。系統(tǒng)控制器是修井機控制系統(tǒng)的控制中心，為DP 總線上的主站，用于實現(xiàn)整個修井機控制系統(tǒng)的安全、協(xié)調(diào)的運行；整流器、逆變器、電容蓄能器管理單元為總線的從站，電容DC/DC、電池DC/DC通過485轉(zhuǎn)Profibus網(wǎng)橋連接到DP總線上。主站根據(jù)操作面板的輸入命令，通過網(wǎng)絡(luò)與各從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過讀寫狀態(tài)字、控制字獲得各設(shè)備的運行狀態(tài)，并控制各設(shè)備的運行。

4 結(jié) 語

為了滿足油田環(huán)保和節(jié)能減排的要求，設(shè)計了一種電動修井機控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠較好地解決了修井機原動力“油改電”的問題。例如，將該系統(tǒng)運用在1500m左右井深油井的施工作業(yè)后，其生產(chǎn)成本只占常規(guī)柴油動力修井機的70%左右，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]嚴(yán)仰光.雙向直流變換器[M].江蘇：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[2]陳堅.電力電子學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]徐峻濤.基于 PLC 的電動修井機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計[J].石油機械，2012，25(5)：105-107.

2013-06-14

中國石油天然氣集團(tuán)公司重大科技項目(2011B-1707) 。

韓菊(1972-)，女，碩士，講師，現(xiàn)主要從事石油化工設(shè)備方面的教學(xué)與研究工作。

TE935

A

1673-1409(2013)28-0070-04

[編輯] 李啟棟