胡月雙

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

變頻技術(shù)在平臺鉆機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡月雙

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

變頻技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在多個領(lǐng)域，在海洋平臺和船舶制造工業(yè)中，變頻調(diào)速技術(shù)也被廣泛應(yīng)用。本文首先對變頻技術(shù)的原理及特點進(jìn)行介紹，并以項目為例，詳細(xì)介紹變頻技術(shù)在海洋石油平臺鉆機(jī)上的應(yīng)用。另外，通過對比各種驅(qū)動方式，總結(jié)了交流變頻電動機(jī)驅(qū)動方式的優(yōu)點并對其在海洋石油平臺鉆機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了全面的介紹。本文以項目實例為主線，在介紹變頻技術(shù)原理及應(yīng)用的同時，也對海洋石油鉆機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了介紹并對變頻器散熱等關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析。最后，本文還介紹了變頻技術(shù)的發(fā)展方向及在鉆機(jī)控制系統(tǒng)中的改進(jìn)趨勢。

變頻技術(shù)；鉆機(jī)；應(yīng)用

傳統(tǒng)的鉆機(jī)采用機(jī)械傳動的驅(qū)動方式，這種驅(qū)動方式具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能差、可操作性差、效率低、機(jī)械維護(hù)費用高等弊端，因此逐漸退出了歷史舞臺。近年，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，通過矢量控制的全數(shù)字變頻調(diào)速鉆機(jī)逐漸占據(jù)市場，這類驅(qū)動方式具備運(yùn)行可靠、參數(shù)穩(wěn)定、調(diào)試簡便、維護(hù)方便、動態(tài)性能好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點，并具有強(qiáng)大的通訊接口和擴(kuò)展開發(fā)能力，可實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、自動化。本文依托某油田開發(fā)項目的鉆機(jī)控制系統(tǒng)，對變頻技術(shù)的使用進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，希望對相關(guān)企業(yè)的變頻技術(shù)的使用有所幫助。

1 變頻技術(shù)的概況及原理

變頻技術(shù)是一種把頻率固定的電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換為電壓和頻率均可變的交流電能的交流電路，用它組成的交流裝置稱為變頻器。變頻電路現(xiàn)在已經(jīng)廣泛采用于交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中。調(diào)速又指在一定的負(fù)載下，根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的需要人為的改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速。電動機(jī)調(diào)速的好壞都會影響到機(jī)械的工作效率。我們從電動機(jī)轉(zhuǎn)速的定義知道，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速為：

n=60f1/ (1-S)

式中：n——轉(zhuǎn)速；60——常數(shù)；f1——頻率；P——級對數(shù) ；(1-S)——轉(zhuǎn)差率。

由此不難看出異步電動機(jī)調(diào)速具有三種方法：

(1)改變電源頻率f1；

(2)改變電機(jī)磁極對數(shù)P；

(3)改變轉(zhuǎn)差率(1-S)。

這三種調(diào)速具有如下特點：

(1)改變電源頻率調(diào)速可以得到平滑而具范圍廣的調(diào)速，實現(xiàn)無級調(diào)速、恒轉(zhuǎn)矩、高效率。

(2)改變電機(jī)磁極對數(shù)調(diào)速，是有級調(diào)速，調(diào)速范圍窄。

(3)改變轉(zhuǎn)差率進(jìn)行調(diào)速能耗大，調(diào)節(jié)范圍小。

上述各種調(diào)速具有的特點對比中，改變電機(jī)磁極對數(shù)和改變轉(zhuǎn)差率這兩種調(diào)速方法只能在額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行調(diào)速，使其在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍變得比較狹小。而變頻調(diào)速的方法在調(diào)速過程中，從高速到低速都可以保持有很小的、有限的轉(zhuǎn)差率，并且有高效率、寬范圍、高精度的調(diào)速性能，所以改變電機(jī)供電頻率進(jìn)行調(diào)速是電動機(jī)的一種比較理想、合理的調(diào)速方法。變頻技術(shù)的主電路多采用交-直-交電路，將三相380V(220V)/50HZ交流電通過整流橋整流變成脈動直流電，通過電解電容濾波后變成平滑的直流電，控制板對IPM、IGBT或模塊的控制后將平滑的直流電變成三相頻率可變的交流電。

變頻器的構(gòu)成如下：

(1)鍵盤：作用是設(shè)置參數(shù)、監(jiān)視各參數(shù)值(如：電流、電壓、頻率、溫度、轉(zhuǎn)速等)、調(diào)速。

(2)電源板：作用是提供各部分電路的工作電壓，保證各電路的正工作。

(3)控制主板：作用是產(chǎn)生六路驅(qū)動信號來控制逆變模塊，同時也對各保護(hù)信號和各接口信號的處理。

(4)整流橋：作用是將輸入交流電變成直流電。

(5)電解電容：作用是將整流后的脈動直流電變成平滑的直流電。

(6)充電電阻：作用是上電瞬間對主電解電容限流，以防止充電電流過大損壞整流橋和主電解電容。

(7)繼電器或接觸器：作用是當(dāng)主電解電容充電完成以后短接充電電阻而承受主電流。

(8)逆變模塊：作用是將平滑的直流電變成接近正弦波的三相交流電。

(9)保險管：作用是保護(hù)逆變模塊和整流橋。

2 應(yīng)用項目電氣系統(tǒng)概述

電氣傳動控制系統(tǒng)由1座司鉆控制房，液壓站、各種傳感器、氣控閥、液控閥等構(gòu)成。本套系統(tǒng)傳動部分采用的是ABB的ACS800-07柜式整流逆變單元(包含斬波制動單元)，及PQFI系列有源濾波器，低壓電器主要采用的是施耐德的MT框架型斷路器、NS系列塑殼斷路器、C65系列斷路器、LC1系列接觸器、LRD系列熱繼電器。系統(tǒng)內(nèi)，兩套PLC的CPU互為冷備冗余控制，主CPU位于DES VFD房的PLC柜內(nèi)，DSM VFD房、泥漿泵本地操作箱、送鉆柜和司鉆房均有從站。對發(fā)電系統(tǒng)及MCC各抽屜狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。且在DES VFD房和 DSM VFD房各有一個工控機(jī)參數(shù)進(jìn)行顯示。司鉆人員能在司鉆房通過觸摸屏對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

3 變頻技術(shù)在鉆機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于海上平臺鉆機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，這就要求變頻元件具備比陸地鉆機(jī)更高的防護(hù)性能。下面以某油田項目鉆機(jī)控制系統(tǒng)為例，對變頻技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

3.1 DES VFD控制房

DES VFD控制房內(nèi)包含：三套ABB變頻裝置和一臺自動送鉆柜。前者作用：兩臺絞車變頻裝置、一臺轉(zhuǎn)盤變頻裝置為相應(yīng)的交流變頻電機(jī)提供電源，進(jìn)行鉆井作業(yè)。絞車變頻裝置還包含制動柜及匹配的制動電阻，用于消耗絞車變頻逆變裝置的回饋能量，完成能耗制動功能；后者作用：配備ABB/ ACS-800單傳一臺，為自動送鉆電機(jī)提供變頻電源；制動電阻用于消耗自動送鉆電機(jī)在游車下放過程中的能量反饋。

3.1.1 變頻柜的組成以及功能3.1.11 逆變分柜

整個系統(tǒng)中包含有5組逆變分柜，分別屬于絞車變頻柜、泥漿泵變頻柜、轉(zhuǎn)盤變頻柜，分別為2個絞車電機(jī)，2個泥漿泵電機(jī)，1個轉(zhuǎn)盤電機(jī)供電。每個逆變分柜可以放置1～4個R8i逆變模塊，如圖1所示。

圖1 逆變分柜

R8i模塊的特點：

書架式結(jié)構(gòu)，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝、維護(hù)；

插接式連接，帶輪子，安裝、檢修時十分方便；

可并聯(lián)模塊，滿足不同容量的需求；

冗余式結(jié)構(gòu)，就算一個模塊損壞時，抽出 損壞模塊，不影響其他模塊的正常使用。

3.1.1．2 制動斬波分柜

系統(tǒng)中共有2個制動斬波分柜，分屬于絞車A變頻柜和絞車B變頻柜。它們與制動電阻一起組成能耗制動裝置，用于消耗絞車運(yùn)行時逆變器的回饋能量，完成能耗制動功能。

3.2 DES 主電氣房

3.2.1 DES PLC柜的作用

PLC系統(tǒng)選用西門子S7-300系列器件，模塊化、無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于分布，使得非常適合于石油鉆機(jī)井場環(huán)境。通過集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口連接到PROFIBUS網(wǎng)上，可以實現(xiàn)CPU與網(wǎng)絡(luò)上的各分布式站點直接的高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。通過對數(shù)字量和模擬量的采集，經(jīng)CPU的邏輯運(yùn)算和處理，能分別對各部件進(jìn)行綜合控制。采用西門子MP370觸摸屏，友好的操作界面，可靠的數(shù)據(jù)通訊，能夠很好的滿足井場的各種鉆井作業(yè)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分布圖如圖2所示。

整個系統(tǒng)采用冷備冗余系統(tǒng)，由2套PLC控制系統(tǒng)組成，分別為1#通道和2#通道。在司鉆房內(nèi)設(shè)置一個"通道切換"旋鈕，當(dāng)一個通道出線網(wǎng)絡(luò)故障的時候，需要停止一切鉆井作業(yè)后，然后切換到另外一個通道，繼續(xù)使用，不會由于網(wǎng)絡(luò)的故障而影響到鉆井作業(yè)。

圖2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分布圖

3.2.2 DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)站點的組成

主站：CPU-317

從站：

(1)絞車A變頻器從站(NPBA-12)

(2)絞車B變頻器從站(NPBA-12)

(3)轉(zhuǎn)盤變頻器從站(NPBA-12)

(4)泥漿泵A變頻器從站(NPBA-12)

(5)泥漿泵B變頻器從站(NPBA-12)

(6)DES VFD房內(nèi)工控一體機(jī)

(7)DES VFD房ET200從站

(8)DSM VFD房內(nèi)工控一體機(jī)

(9)DSM VFD房ET200從站

(10)自動送鉆變頻器從站(NPBA-12)

(11)司鉆房ET200從站

(12)HMI 人機(jī)界面

(13)泥漿泵本地操作箱ET200從站

3.3 DSM 主電氣房

房內(nèi)包含：兩套泥漿泵變頻柜。作用：兩臺泥漿泵變頻裝置為三臺泥漿泵交流變頻電機(jī)提供電源，通過泥漿泵切換柜切換泥漿泵運(yùn)行組合模式，進(jìn)行鉆井作業(yè)。

1臺PLC柜。DSM PLC柜作用：采集數(shù)字量和模擬量，經(jīng)ET200從站，通過DP網(wǎng)絡(luò)送入DES PLC柜內(nèi)的CPU，進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理并綜合控制，1臺泥漿泵切換柜。作用：對泥漿泵的工作模式進(jìn)行控制切換。鉆井工作時，三臺泥漿泵電機(jī)A、B、C只需有兩臺同時工作即可，即分為AB工作模式、 BC工作模式、 AC工作模式。由PLC輸出控制兩臺變頻裝置切換輸出，分別給不同工作模式下的兩臺電機(jī)供電。

在司鉆房內(nèi)的交流電機(jī)操作臺上也有三位切換開關(guān)，可以對上述三種工作模式進(jìn)行切換，并且有電位器及其轉(zhuǎn)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)送給定。

3.4 運(yùn)行環(huán)境及故障維護(hù)

在各個柜子里均裝有加熱器，以防在高濕度的海上運(yùn)行時因VFD房內(nèi)濕度過大而無法正常運(yùn)行。由于海上的潮濕度較大，位于房內(nèi)的濕度傳感器將對VFD房內(nèi)的濕度進(jìn)行檢測，并將檢測到的濕度信號，通過濕度傳感器轉(zhuǎn)變成電流信號傳給PLC。若濕度大于85%的時，PLC自動輸出報警信號或跳閘命令。

設(shè)備在低于海拔1000m高度內(nèi)，可達(dá)額定輸出。若海拔超過1000m，輸出電流將減小，修正系數(shù)為：每增加1000m，降低8%。

周圍環(huán)境中不應(yīng)有過量的酸、堿、鹽、腐蝕性氣體和爆炸性氣體。

環(huán)境溫度+20℃時，相對濕度應(yīng)不大于90%。

3.4 交流變頻電動機(jī)驅(qū)動方式的優(yōu)點

(1)具有對過電壓、欠電壓、過電流、輸出短路等多項自動保護(hù)措施；

(2)具有扭矩和轉(zhuǎn)速限制功能，實現(xiàn)過載保護(hù)，避免損壞鉆具及鉆機(jī)；

(3)能實現(xiàn)無級調(diào)速，低速性能好，能實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速滿扭矩要求，既可實現(xiàn)橫扭矩?zé)o級調(diào)速，也可實現(xiàn)橫功率無級調(diào)速，特別適合處理各種鉆井事故；

(4)交流變頻電傳動系統(tǒng)負(fù)載功率因數(shù)高、能耗低、傳動效率高、可靠性高。

(5)在帶負(fù)載的情況下，可實現(xiàn)帶載荷平衡啟動、制動和調(diào)速、具有軟啟動功能，可降低供電電源容量，增減速時間短。

(6)可根據(jù)電動機(jī)負(fù)荷情況，通過對電動機(jī)電流頻率及電流監(jiān)測，實現(xiàn)實時監(jiān)測鉆井參數(shù)。采用計算機(jī)遠(yuǎn)程通訊技術(shù)，對鉆機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程故障監(jiān)測。

(7)自動化程度高，能大幅減輕司鉆勞動強(qiáng)度，提高安全生產(chǎn)可靠性。

4 變頻柜的技術(shù)難點

在變頻技術(shù)日趨成熟的今天，集成化、一體化的產(chǎn)品已經(jīng)逐步占據(jù)了市場，散熱的好壞也逐步成為評判變頻柜的標(biāo)準(zhǔn)。

如果要正確的使用變頻器, 必須認(rèn)真地考慮散熱的問題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數(shù)的上升。使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)的下降。環(huán)境溫度升高10℃，變頻器使用壽命減半。因此，我們要重視散熱問題！在變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產(chǎn)生的熱量也是非常大的，不能忽視其發(fā)熱所產(chǎn)生的影響。

通常，變頻器安裝在控制柜中。變頻器散熱設(shè)計中都是以垂直安裝為基礎(chǔ)的，橫著放散熱會變差的! 關(guān)于冷卻風(fēng)扇一般功率稍微大一點的變頻器， 都帶有冷卻風(fēng)扇。同時，也建議在控制柜上出風(fēng)口安裝冷卻風(fēng)扇。進(jìn)風(fēng)口要加濾網(wǎng)以防止灰塵進(jìn)入控制柜。 注意控制柜和變頻器上的風(fēng)扇都是要的，不能誰替代誰。

開關(guān)頻率：變頻器的發(fā)熱主要來自于IGBT，IGBT的發(fā)熱有集中在開和關(guān)的瞬間。 因此開關(guān)頻率高時自然變頻器的發(fā)熱量就變大了。

5 小結(jié)

變頻技術(shù)為海上平臺事業(yè)的發(fā)展提供令人必要的技術(shù)儲備，通過運(yùn)用數(shù)字變頻矢量控制技術(shù)，海上平臺鉆機(jī)具有以下顯著特點：鉆機(jī)具有恒鉆壓、恒轉(zhuǎn)速、恒泵壓降、自動送鉆，轉(zhuǎn)盤扭矩限制與調(diào)控，泵壓限制與調(diào)控，數(shù)字化多參數(shù)觸摸屏調(diào)控、顯示、打印、儲存與遠(yuǎn)程通訊，鉆井設(shè)備的監(jiān)視與管理，實現(xiàn)一些自動化必備的專用功能。同時提高了鉆機(jī)的智能化水平，提高作業(yè)質(zhì)量，降低作業(yè)成本，減輕工人勞動強(qiáng)度，減輕振動，降低噪聲，工作更安全，作業(yè)效率大大提高，采用自動送鉆，減少旋轉(zhuǎn)時間，同時維護(hù)保養(yǎng)工作效率大大提高。

(本文文獻(xiàn)格式：胡月雙.變頻技術(shù)在平臺鉆機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].山東化工，2017，46(12)：130-132.)

2017-04-12

胡月雙(1983—)，本科，工程師，主要從事海洋石油平臺電氣專業(yè)設(shè)計工作。

TE922

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1008-021X(2017)12-0130-03