于雪梅， 劉坤

（大慶鉆探工程公司機(jī)械修理廠，黑龍江 大慶 163413）

0 引言

交流變頻調(diào)速電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)在滿足石油鉆井工藝要求方面具有無可比擬的優(yōu)越性能。為了更好地了解變頻器在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用,本文將以ZJ30DB鉆機(jī)為例,對(duì)西門子變頻器進(jìn)行介紹。

ZJ30DB鉆機(jī)電控系統(tǒng)采用數(shù)字通訊傳輸方式,其操作回路的設(shè)計(jì)以高性能的西門子PLC為控制核心,利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線和司鉆控制臺(tái)、變頻調(diào)速柜、觸摸操作屏組成網(wǎng)絡(luò)，由PLC進(jìn)行邏輯處理及故障診斷，并集中顯示，性能達(dá)到當(dāng)今國(guó)際水平。

1 鉆機(jī)設(shè)備及工況要求

ZJ30DB鉆機(jī)主要傳動(dòng)部分包括絞車電機(jī)、轉(zhuǎn)盤電機(jī)、自動(dòng)送鉆電機(jī)，傳動(dòng)方式為變頻傳動(dòng)，要求能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，具有良好的機(jī)械特性。其中絞車電機(jī)和轉(zhuǎn)盤電機(jī)功率為600 kW，自動(dòng)送鉆電機(jī)功率為37 kW。泥漿泵不采用變頻傳動(dòng)，它靠氣路控制其油門大小來調(diào)整泵速度的大小。

在對(duì)各個(gè)主電機(jī)控制方面，除了變頻器要具有的自我保護(hù)功能外，還要求通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)主電機(jī)與風(fēng)機(jī)、潤(rùn)滑泵等重要輔助設(shè)備的電氣連鎖，避免在輔助設(shè)備出現(xiàn)故障的時(shí)候，主電機(jī)仍然運(yùn)行，對(duì)設(shè)備帶來不良的影響。

變頻器要將各個(gè)主電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)反饋給PLC，通過PLC中轉(zhuǎn)，最后顯示在觸摸屏上，有利于操作人員掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況。

2 變頻器的選擇

根據(jù)鉆井設(shè)備的工藝參數(shù)選擇合理的變頻器，以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

2.1 絞車控制系統(tǒng)

兩臺(tái)600 kW的絞車電機(jī)是絞車的動(dòng)力源，變頻系統(tǒng)選擇西門子6SE70系列400 V/630 kW交流變頻控制柜為絞車電機(jī)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。變頻控制柜由整流單元、中間回路、逆變單元和控制電路組成。整流單元與三相交流電源連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電壓；中間回路將脈動(dòng)的直流電壓換成穩(wěn)定、平滑的直流電壓；逆變單元產(chǎn)生與電動(dòng)機(jī)相匹配的電壓和頻率，并將固定的直流電壓變換成可調(diào)的交流電壓；控制電路將信號(hào)傳給上述3個(gè)裝置，同時(shí)接收它們的信息，以控制整個(gè)變頻器的正常工作。

絞車電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為0～2600 r/min，滾筒對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)速為0～314 r/min，絞車控制系統(tǒng)采用智能閉環(huán)控制，變頻器根據(jù)絞車編碼器獲取絞車的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，再通過變頻器內(nèi)部的智能PID調(diào)節(jié)器計(jì)算出最優(yōu)的輸出電壓、電流和頻率給絞車，使絞車的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、快速且準(zhǔn)確地跟蹤手柄的給定值。所以即使帶300t鉤載，手柄給定為零速，滾筒仍然能保持靜止不動(dòng)。此外，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，變頻器也會(huì)對(duì)自身和電機(jī)做一定的保護(hù)，比如直流母線電壓過高、電機(jī)堵轉(zhuǎn)、過電流等等，變頻器會(huì)診斷出故障，并將故障號(hào)顯示出來，同時(shí)停止主電機(jī)。

絞車還采用外部PLC程序保護(hù)。首先，當(dāng)絞車電機(jī)風(fēng)機(jī)、絞車潤(rùn)滑泵、制動(dòng)電阻風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備故障時(shí)，絞車主電機(jī)自動(dòng)停止。此外，在PLC程序中還設(shè)計(jì)了“上碰下砸”子程序，通過在觸摸屏上設(shè)置大鉤的上碰點(diǎn)和下砸點(diǎn)，PLC自動(dòng)計(jì)算出絞車速度，使大鉤到達(dá)上碰點(diǎn)或者下砸點(diǎn)時(shí)接近于零速，大大減小了盤剎抱死時(shí)造成的機(jī)械振動(dòng)。

絞車與盤剎之間也存在著互鎖，當(dāng)絞車運(yùn)行時(shí)，盤剎自動(dòng)松開，絞車停止盤剎抱死。有效地避免了誤操作對(duì)設(shè)備造成的損害。此外當(dāng)通訊出現(xiàn)故障的時(shí)候還能通過旁路對(duì)變頻器啟停、調(diào)速。

2.2 轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)盤由一臺(tái)600 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，盤面轉(zhuǎn)速與電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為5.51。變頻系統(tǒng)采用西門子6SE70系列400V/315kW交流變頻柜為轉(zhuǎn)盤電機(jī)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。與絞車變頻器一樣，變頻控制柜由整流單元、中間回路、逆變單元和控制電路組成，具有故障保護(hù)的功能。操作者可通過觸摸屏上的起停按鈕、方向按鈕啟動(dòng)停止轉(zhuǎn)盤電機(jī)和改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向。

轉(zhuǎn)盤主電機(jī)與風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑泵之間也有聯(lián)鎖。同時(shí)慣剎與轉(zhuǎn)盤電機(jī)之間也有互鎖，啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤慣剎自動(dòng)打開，轉(zhuǎn)盤電機(jī)停止慣剎自動(dòng)抱死。轉(zhuǎn)盤的最大轉(zhuǎn)矩可通過小手輪給定，當(dāng)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定值時(shí)，轉(zhuǎn)盤電機(jī)自動(dòng)停止。

2.3 自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)

自動(dòng)送鉆變頻系統(tǒng)包括進(jìn)線斷路器、熔斷器、進(jìn)線電抗器、37 kW自動(dòng)送鉆變頻裝置、控制單元、制動(dòng)電阻。自動(dòng)送鉆系統(tǒng)采用西門子6SE70系列全數(shù)字電壓源型變頻調(diào)速器，一對(duì)一驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的精確控制和快速響應(yīng)。系統(tǒng)可以控制鉆機(jī)的鉆速和鉆壓，實(shí)現(xiàn)恒鉆速和恒鉆壓送鉆。可以對(duì)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換，監(jiān)控鉆進(jìn)過程中的鉆壓、鉆速、游車位置等參數(shù)，自動(dòng)控制游車減速和軟啟，緊急故障剎車等功能，能有效防止溜鉆和卡鉆事故的發(fā)生，提高鉆速及鉆進(jìn)質(zhì)量，并具有應(yīng)急提升功能。制動(dòng)單元及控制電阻用于電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)電阻將多余的能量轉(zhuǎn)換成熱能散發(fā)掉。

3 變頻器使用的注意事項(xiàng)

1）變頻器的運(yùn)行溫度為0～40℃，所以變頻器運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使用空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。2）變頻器在工作時(shí)，斷開主開關(guān)會(huì)產(chǎn)生較大的電壓變化率，較大的電壓變化率容易損壞變頻器的輸出模塊和電機(jī)繞阻的絕緣，應(yīng)避免這種誤操作。3）動(dòng)力電纜和控制信號(hào)纜鋪設(shè)時(shí)要分開，盡量減少電磁干擾。4）變頻器在斷電5 min內(nèi)仍有危險(xiǎn)電壓，操作人員一定要注意安全。5）絕對(duì)禁止對(duì)變頻器進(jìn)行絕緣測(cè)試。

4 結(jié)語

本文對(duì)西門子變頻器在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用作了簡(jiǎn)單的介紹，鉆機(jī)采用變頻器后，絞車和轉(zhuǎn)盤可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，調(diào)速范圍寬；能以極低的速度恒扭矩輸出，對(duì)井下鉆具的事故處理、側(cè)鉆、修井、小鉆井液排量作業(yè)、優(yōu)選參數(shù)鉆井作業(yè)十分有利。實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的自動(dòng)化、智能化和對(duì)外界變化的自適應(yīng)控制，是當(dāng)代石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］ 高成海.變頻器在國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)的應(yīng)用［J］.電氣傳動(dòng)，2001（1）：56-59.

［2］ 滿永奎，韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］ 高成海.變頻器在石油鉆機(jī)的應(yīng)用及分析［J］.變頻器世界，2005（3）：84-87，114.