靳　龍，張繼偉，田　斌，金志雄

（西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊830011）

具有能量管理與高功率因數(shù)的直流鉆機電控系統(tǒng)

靳龍，張繼偉，田斌，金志雄

（西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊830011）

摘要：直流鉆機價格低廉、性能穩(wěn)定、維護簡單，但運行時功率因數(shù)低、諧波大，機組功率搭配適應(yīng)各種工況的能力差，油耗高。針對這些缺陷，本文提出了各種治理措施。配置電能綜合管理系統(tǒng)，實時顯示各種參數(shù)并及時發(fā)出并網(wǎng)、解列提示以盡量節(jié)省燃油；控制輔機與主機并網(wǎng)運行，在最大范圍內(nèi)合理搭配功率，少開主機以降低油耗；配置無功補償和諧波治理系統(tǒng)，提高功率因數(shù)、釋放機組能力、提高負(fù)載率以達到少開機組節(jié)省燃油。關(guān)鍵詞：直流鉆機；固有缺陷；應(yīng)對策略；電能綜合管理系統(tǒng)；輔機并網(wǎng)；降耗節(jié)能

1　引言

直流鉆機為直流電驅(qū)動鉆機的簡稱，指鉆機的絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵等機械設(shè)備由直流電機及其控制系統(tǒng)來拖動，是目前石油天然氣鉆探行業(yè)的主流裝備之一。雖然其以價格低廉、性能穩(wěn)定、維護簡單等優(yōu)點得到了普遍使用推廣，但也存在運行功率搭配不盡合理、機組負(fù)載率低、電網(wǎng)功率因數(shù)小等許多缺陷，在5000m以上的深井鉆機運行中表現(xiàn)特別突出，會造成油耗高、效率低、使鉆井成本居高不下的后果。為了在新配套的鉆機上保持優(yōu)點、克服缺陷，使直流鉆機得到更好的應(yīng)用，西部鉆探工程公司設(shè)備處組織人力、物力進行深入調(diào)研、認(rèn)真分析、統(tǒng)籌規(guī)劃，提出了一套完整的應(yīng)對策略，即配置能量管理和無功、諧波治理系統(tǒng)。此方案已在新配套的ZJ70D鉆機上的具體實施，經(jīng)過現(xiàn)場使用和測試，達到了預(yù)期的目的。本文就其治理方案及實際使用情況做一介紹，以供同行參考。

2　常規(guī)配置和機組并法

直流鉆機電控系統(tǒng)主要包括動力（柴油發(fā)電機組）控制、鉆井機械電氣傳動（SCR變流調(diào)速）控制、輔助鉆井供配電（MCC）控制、操作協(xié)調(diào)（PLC）控制等功能模塊。一個典型的ZJ70D鉆機的電控系統(tǒng)常規(guī)配置單線圖如圖1所示。

圖1　典型的ZJ70D鉆機SCR常規(guī)配置單線圖

其中柴油發(fā)電機組根據(jù)工況需要，由1－4臺并網(wǎng)構(gòu)成鉆機的AC600V供電電源，電力電子調(diào)速裝置為晶閘管（SCR）變流調(diào)速控制系統(tǒng)，傳動電機大多數(shù)為直流串勵800kW，DW、RT、MP分別代表絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵鉆井機械，應(yīng)急柴油發(fā)電機組容量較小，一般約為400V、400kW。常規(guī)的機組并法，是根據(jù)鉆井工況，最少1臺，最多4臺，當(dāng)需用功率大于1臺而小于2臺的能力時，并2臺，其余依次類推；輔助鉆井的400V供電通過電力變壓器從主電源600V降壓獲得；應(yīng)急機組作為備用，只在不鉆井的間歇期間使用很短一段時間，它提供的400V與從變壓器獲得的400V不能同時存在，二者只能用一。

3　存在問題及原因

直流鉆機存在的問題主要為：①在一些鉆井工況運行時難以合理搭配功率、不能智能處理持續(xù)需用功率與短時沖擊需用功率的轉(zhuǎn)換；②電網(wǎng)的功率因數(shù)低導(dǎo)致機組的負(fù)載率小、效率低；③諧波大導(dǎo)致使用400V的電機增加了許多無謂的熱損耗，降低了鉆井效率。造成①項的原因是鉆井工況實際需要所致，無論是交流變頻還是其他新型鉆機都存在，對于需要大于1臺而小于2臺能力的工況（例如起下鉆沖擊瞬間等），只能選擇兩臺并網(wǎng)，這個問題比較難以克服；對于②、③項的原因是SCR內(nèi)部器件的非線性所致，根據(jù)鉆井工況所需的變速要求，電網(wǎng)的功率因數(shù)隨工況的變化在0.2－0.8之間變化，容量已經(jīng)固定的發(fā)電機為適應(yīng)這個變化，只能調(diào)整輸出電流，而電流的最大值在確定了發(fā)電機后也已固定，因而會造成柴油機的配置能力不能充分發(fā)揮，負(fù)載率很低。以CAT3512B＋SR4（柴油機功率1200kW、發(fā)電機容量1900kVA）為例，通過對許多井隊的實際統(tǒng)計，在生產(chǎn)運行期間，最大有功功率僅為700kW、無功在100kVAR－850kVAR之間，有功負(fù)載率僅為58%。根據(jù)其油耗率曲線，負(fù)載率58%的油耗率（245g／kWh）比100%（205g／kWh）時的高約19.5%，以1臺70電動鉆機油耗月均150噸、鉆機利用率0.7、到井柴油單價7000元／噸計算，這會帶來每年150×12×0.7×7000×19.5%＝172萬元、245噸的柴油油耗損失。

4　應(yīng)對策略及方案

根據(jù)以上原因的分析，針對這些缺陷，提出以下應(yīng)對策略：①配置機組的電能綜合管理系統(tǒng)，在線監(jiān)控柴油發(fā)電機組負(fù)荷及利用率，自動計算是否需要投切機組，同時配置燃油流量檢測和顯示系統(tǒng)，實時檢測燃油消耗，作為電能綜合管理的基礎(chǔ)；②使應(yīng)急機組工作于正常、并網(wǎng)兩種模式，正常模式下供電與常規(guī)相同；并網(wǎng)模式下允許400V輔機經(jīng)變壓器與600V主機并網(wǎng)，并網(wǎng)后按比例進行有、無功功率分配和均衡，作為鉆井工況功率搭配的補充方法以節(jié)省柴油；③配置無功補償和諧波治理系統(tǒng)，以提高功率因數(shù)、消除諧波，充分發(fā)揮機組能力以盡量減少并網(wǎng)數(shù)量，節(jié)省燃油。具體實施方案為：對策略①、②項，由于其與操作協(xié)調(diào)控制（PLC）功能結(jié)合緊密，因此與整個控制系統(tǒng)統(tǒng)一考慮；對③項，考慮要配置無功補償和諧波治理系統(tǒng)的靈活機動性（用于其它井隊），最佳方案為統(tǒng)一接口，單獨成套。

5　關(guān)鍵環(huán)節(jié)和要求

針對以上實施方案，有以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)需要注意：①應(yīng)急機組，無論是電啟動還是氣啟動，要求其調(diào)速、調(diào)壓特性與主機相同，對應(yīng)控制系統(tǒng)也需要與主機相同；②電能綜合管理系統(tǒng)，至少應(yīng)滿足實時顯示單機和并網(wǎng)機組的有功、無功、總功、負(fù)載率，對負(fù)載率超出正常范圍的設(shè)備提出警示；當(dāng)在網(wǎng)后備功率不足且時間超過系統(tǒng)設(shè)定的延時時間后，能自動減小在用負(fù)載，以保證機組不會跳閘；能夠設(shè)定負(fù)載特性和持續(xù)時間，具有智能判斷間歇性負(fù)載和持續(xù)性負(fù)載并有相應(yīng)的控制策略；具有聲光和文本提示功能，能提醒使用者啟動或停止某臺機組，按照要求輸出相應(yīng)報表；③對無功補償和諧波治理系統(tǒng)功能的最低要求為：柔性投切電容，切換閥值和時間窗口人工可調(diào)。

6　運行實際及測試結(jié)果

2013年1月至2014年10月，某鉆探工程有限公司設(shè)備處，在ZJ70D鉆機的電控系統(tǒng)制造時，按照以上設(shè)想提出了配套要求，該公司下屬鉆井隊ZJ70D鉆機組建完成后，在運行期間對相關(guān)數(shù)據(jù)進行了測量統(tǒng)計，經(jīng)過仔細(xì)分析數(shù)據(jù)并和實際對比，基本達到了預(yù)期目的，表1、表2年示為測試數(shù)據(jù)。

表1顯示出的是7月26日測試時，有無功補償投入，7月29日的測試無功補償沒有投入。由測試數(shù)據(jù)可見，主、輔機的有功基本是按3：1的比例關(guān)系進行分配的。在實驗的一個階段，對負(fù)荷大于1臺而又遠(yuǎn)小于2臺主機的工況，用輔發(fā)并網(wǎng)滿足了要求，達到了不開主機充分利用輔機達到節(jié)能的目的。

由表2可以看出，輔機并網(wǎng)時的油耗率下降明顯，較全主機模式減少了36.1g／kWh，節(jié)能率達15.2%；負(fù)載率上升明顯，較全主機模式提高了15.4%。

表1　主、輔機并網(wǎng)功率分配

表2　節(jié)能測試數(shù)據(jù)

7　結(jié)束語

按照充分利用優(yōu)點、盡量克服缺點的設(shè)想，西部鉆探工程有限公司設(shè)備處在新配套的7000m直流鉆機的電控系統(tǒng)上實現(xiàn)了這個目標(biāo)。通過實際運行證明，電能綜合管理系統(tǒng)顯示真實、實時性強，能有效化解沖擊性負(fù)載需求，及時提醒并網(wǎng)、解列操作，輔機并網(wǎng)運行方案切實可行，可有效降低燃油消耗，使輔機得到充分有效的利用；單獨成套的無功補償和諧波治理系統(tǒng)應(yīng)用靈活，補償效果明顯，提高了功率因數(shù)，充分發(fā)揮了主、輔機的能力，實現(xiàn)了少開機組、降低損耗、節(jié)能運行的設(shè)計目的。這些配套思路在今后構(gòu)建新的鉆機系統(tǒng)時具有很好的參考價值。

參考文獻：

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中圖分類號：TE922

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）06—0008—04

作者簡介：

靳龍（1962－），1983年畢業(yè)于石河子大學(xué)，一直從事設(shè)備管理工作，現(xiàn)任中石油西部鉆探工程有限公司設(shè)備處處長；

張繼偉（1974－），1999年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），一直從事設(shè)備和技術(shù)管理工作，中石油西部鉆探工程有限公司設(shè)備處高級工程師、副科長。

收稿日期：2015－10－09

Electric control system of DC drilling rig with energy management and high power factor

JIN Long，ZHANG Ji－wei，TIAN Bin，JIN Zhi－xiong

（Xibu Drilling Engineering Company Limited，Urumqi 830011，China）

Abstract：The DC rig has features of low cost，stable performance and easy maintenance，but it also has its inherent defects of low power factor，large harmonic，poor adaptive capacity，high fuel consumption，etc.Aiming at these defects，the different solutions such as equipping power management system to display various parameters，and real－time and promptly send online or offline signals to save fuel；online controlling the operation of the master and the auxiliary machines to achieve the maximum and reasonable power distribution as well as the energy－saving；equipping the reactive power compensation and harmonic control system to improve the power factor，increase the load ratio，and realize the energy－saving.

Key words：DC drilling rig；inherent defects；solutions；power management system；auxiliary machine grid connection；loss reducing and energy saving