高曉軍，王常亮，張新

(1.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西 西安 710000；2.大慶鉆探工程有限公司鉆井一公司，黑龍江 大慶 163000)

1 70LDB 鉆機(jī)變頻控制系統(tǒng)工藝介紹

目前，國內(nèi)油田使用的鉆機(jī)以柴油為燃料，用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，燃油成本占鉆井成本的比例逐年上升，而且居高不下；同時(shí)，在鉆井施工過程中，柴油機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的噪音和廢氣對(duì)環(huán)境造成污染。機(jī)械/機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)一般采用3～4 臺(tái)柴油機(jī)并車驅(qū)動(dòng)，柴油機(jī)在運(yùn)行中易出故障，維修量大，而且機(jī)械鉆機(jī)不能調(diào)速，故障率高，無法更好地滿足低泵沖、小排量、固井灌漿等鉆井工藝要求。

采用由網(wǎng)電改造變頻控制供電裝置，將直接從工業(yè)電網(wǎng)上獲取動(dòng)力，經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換，直接將高壓網(wǎng)電變換為滿足鉆機(jī)系統(tǒng)使用的動(dòng)力源。并且通過變頻電機(jī)可以調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)對(duì)鉆井設(shè)備運(yùn)行速度的調(diào)整，提高能源的利用率和鉆機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。降低了噪音污染，實(shí)現(xiàn)大氣污染零排放。使鉆井工作更加安全、高效和環(huán)保。節(jié)省大量的燃油和維護(hù)成本，明顯提高經(jīng)濟(jì)效益。

鉆機(jī)網(wǎng)電供電裝置的電源引自附近35kV 或者10kV 的工業(yè)電網(wǎng)，經(jīng)由高壓房4000kVA 35kV/0.6kV（或3150kVA 10kV/0.6kV）的變壓器，變壓器低壓側(cè)配電斷路器4000A(3200A)，輸出連接到井場控制核心設(shè)備變頻房，經(jīng)SVG 有源濾波柜，用變頻器拖動(dòng)變頻電機(jī)來驅(qū)動(dòng)鉆井機(jī)械如絞車，泥漿泵；同時(shí)，為固控MCC 部分和井場照明提供電源?；谧冾l電機(jī)的可調(diào)速特點(diǎn)，此控制裝置亦可以對(duì)現(xiàn)有的鉆井設(shè)備如絞車、泥漿泵等進(jìn)行速度可調(diào)的柔性控制。

原來的系統(tǒng)中有4 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)取走2 臺(tái)柴油機(jī)用2 臺(tái)變頻電機(jī)替代。變頻電機(jī)可單機(jī)運(yùn)行，也可2 臺(tái)并機(jī)運(yùn)行，一般情況下以變頻電機(jī)為動(dòng)力；留下的2 臺(tái)發(fā)電機(jī)作為備用，僅在網(wǎng)電斷電或者變頻系統(tǒng)故障時(shí)使用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1）工業(yè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電機(jī)的可靠性、增加鉆機(jī)的動(dòng)力穩(wěn)定性和可靠性。（2）減少柴油機(jī)的維護(hù)和柴油的運(yùn)輸使用費(fèi)用。（3）噪音低，無廢氣污染，實(shí)現(xiàn)零排放。（4）可對(duì)鉆井設(shè)備進(jìn)行調(diào)速等柔性控制。改造后泥漿泵排量大、泵壓高，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速高，扭矩大，可大大提高鉆進(jìn)速度。（5）鉆機(jī)網(wǎng)電供電裝置結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。（6）改善施工現(xiàn)場，減小周邊環(huán)境的影響。

1.1 西門子IDS 產(chǎn)品信息（表1）

1.2 現(xiàn)場照片(見圖1、2)

2 IDS 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)系為35kV(10kV)架空線通過35kV(10kV)高壓供電房(變壓至0.6kV)給變頻房(無功補(bǔ)償，供配電，變頻器)供電，控制變頻電機(jī)(替換柴油機(jī)) 驅(qū)動(dòng)鏈條拖動(dòng)井場設(shè)備。

高壓供電房主要是把工業(yè)網(wǎng)電轉(zhuǎn)化為井場控制/驅(qū)動(dòng)電源，網(wǎng)電由高壓進(jìn)線柜/計(jì)量柜接入，高壓出線柜然后經(jīng)過變壓器把高壓電網(wǎng)上的高壓電變?yōu)?00V 的低壓控制電，經(jīng)過低壓開關(guān)柜輸出給井場用電設(shè)備（主要為鉆機(jī)房或者變頻房）。

表1 主要西門子公司的設(shè)備清單

圖1 井場全貌

圖2 變頻電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)

變頻房由高壓房的低壓出線供600V 電源，進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波抑制，給1200kW 的G150 供電驅(qū)動(dòng)1100kW 的電機(jī)；本房體還有一臺(tái)1250kVar 的0.6kV/0.4kV 的變壓器，0.4kV 的電給原井場固控設(shè)備供電，同時(shí)，也為電機(jī)風(fēng)機(jī)提供電源。

系統(tǒng)設(shè)置初期，曾經(jīng)對(duì)司鉆房DCR 操作箱和變頻器的選擇分別做過2 個(gè)方案：

DCR 操作箱的兩個(gè)方案中一個(gè)有操作觸摸屏和操作按鈕；另一個(gè)方案沒有觸摸屏，只有操作按鈕和指示燈。最終考慮到現(xiàn)在空間及改造可行性，選用了沒有觸摸屏的方案，而在PLC 的控制柜上安裝了觸摸屏用以操作和監(jiān)控(解決了司鉆房空間小，無法安裝大體積設(shè)備問題，并且和原來的柴油發(fā)電機(jī)操作類似，因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)也是本地操作)。

變頻器最初的方案為西門子的高性能多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)SINAMICS S120，考慮和現(xiàn)場設(shè)備是液力耦合后鏈條拖動(dòng)，因此最終選用了SIEMENS 的更為經(jīng)濟(jì)型的G150 系列變頻器。關(guān)于變頻器的選型，咨詢了西門子的專家，確認(rèn)G150 在液力耦合、減速箱和傳動(dòng)箱鏈接電機(jī)，并且G150 獨(dú)有的速度跟隨能力，可以在大的負(fù)載突加至傳動(dòng)箱時(shí)，當(dāng)負(fù)載側(cè)速度跟傳動(dòng)箱有太大偏差時(shí)，瞬間降低自身輸出頻率，后逐步增加輸出電流和頻率，最終緩沖負(fù)載沖擊，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 系統(tǒng)單線圖

圖4 變頻房內(nèi)部

圖5 硬件配置圖

圖6 變頻電機(jī)銘牌

圖7 HMI 主界面

圖8 DCR 操作箱

3 IDS 系統(tǒng)完成的功能

ZJ70LDB 鉆機(jī)變頻控制系統(tǒng)主要是替代柴油機(jī)來為機(jī)械鉆機(jī)提供動(dòng)力源。系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)了單電機(jī)運(yùn)行，雙電機(jī)并車運(yùn)行以及柴油發(fā)電機(jī)和電機(jī)并車運(yùn)行：

3.1 單電機(jī)運(yùn)行

當(dāng)設(shè)定界面中的控制模式設(shè)置為“純VFD 控制模式”時(shí)，此時(shí)，可以單獨(dú)分別運(yùn)行兩臺(tái)電機(jī)來拖動(dòng)鏈條箱。

單機(jī)運(yùn)行的情況包括負(fù)載小的時(shí)候，只需要啟動(dòng)一臺(tái)電機(jī)；或者是鏈條箱分開時(shí)，兩臺(tái)電機(jī)分別拖動(dòng)絞車和泥漿泵。

單電機(jī)運(yùn)行比較簡單，DCR 操作箱上的電機(jī)“ON/OFF”轉(zhuǎn)換開關(guān)和速度給定手輪，和電機(jī)一一對(duì)應(yīng)，互不干涉。

3.2 雙電機(jī)并車運(yùn)行

當(dāng)設(shè)定界面中的控制模式設(shè)置為“純VFD 控制模式”時(shí)，此時(shí)，可以同時(shí)運(yùn)行兩臺(tái)電機(jī)來拖動(dòng)鏈條箱。并機(jī)模式下的兩臺(tái)電機(jī)控制和速度都通過電機(jī)2 來操作(電機(jī)2 運(yùn)行/停止，手輪2 給定速度)，電機(jī)1 和手輪1 的控制不起作用。

雙電機(jī)并車是負(fù)載比較大的情況下運(yùn)行。

雙電機(jī)并車控制和速度給定是同一個(gè)源，并且在PLC 中，對(duì)兩電機(jī)的速度反饋?zhàn)隽藢?duì)比，根據(jù)差異對(duì)電機(jī)的速度給定進(jìn)行微調(diào)。具體代碼如下：

并車模式雙電機(jī)運(yùn)行時(shí)，除了對(duì)速度的一致性控制，對(duì)兩電機(jī)的扭矩也進(jìn)行了比較，如果系統(tǒng)報(bào)警顯示扭矩/功率差過大，則需要檢查是否機(jī)械連接(摩擦離合器)有松動(dòng)或滑動(dòng)導(dǎo)致。

另外，在雙電機(jī)運(yùn)行時(shí)，對(duì)VFD 參數(shù)r1401.11 設(shè)置為1，對(duì)Droop 功能使能。軟化從動(dòng)電機(jī)的輸出力矩，來實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，避免機(jī)械損傷和電氣故障。

3.3 柴油機(jī)和電機(jī)并車運(yùn)行

當(dāng)設(shè)定界面中的控制模式設(shè)置為“電油并車模式”時(shí)，此時(shí)，可以同時(shí)運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)和電機(jī)來拖動(dòng)鏈條箱。

柴油機(jī)和電機(jī)并車是在負(fù)載特殊或者有單臺(tái)電機(jī)故障，另一臺(tái)電機(jī)無法滿足當(dāng)前鉆井作業(yè)時(shí)運(yùn)行。

圖9 VFD 速度給定

柴油機(jī)和電機(jī)并車模式下，只可以先投入柴油發(fā)電機(jī)，然后再投入電機(jī)，順序不可以相反；電油并車模式下，由于柴油機(jī)速度沒有反饋到控制系統(tǒng)，所以，柴油機(jī)速度不可以調(diào)節(jié)(柴油機(jī)速度1100rpm，實(shí)測出主軸速度，把此參數(shù)輸入到HMI，之后按固定此速度并車)。

在現(xiàn)場實(shí)際操作時(shí)，因?yàn)槭艿截?fù)載平衡限制，并系統(tǒng)沒有采集柴油發(fā)電機(jī)的速度，故很少采用此模式作業(yè)。

圖10 柴油發(fā)電機(jī)與電機(jī)并車控制界面

4 現(xiàn)場運(yùn)行

系統(tǒng)從2019 年6 月9 日帶載以來，一直運(yùn)行穩(wěn)定。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2019 年6 月9 日～8 月25 日預(yù)計(jì)共用柴油425 噸，每噸柴油按4800 元算，共204 萬元；網(wǎng)電實(shí)際使用1220340 度電，每度按1.25 元算，共152.5425 萬元；不到三個(gè)月，預(yù)計(jì)節(jié)省費(fèi)用為51 萬元。

5 應(yīng)用體會(huì)

該系統(tǒng)使用變頻器拖動(dòng)電機(jī)，完全實(shí)現(xiàn)了鏈條箱拖動(dòng)速度可調(diào)，使得老式的機(jī)械鉆機(jī)也能實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的柔性控制。比其他同類的產(chǎn)品有明顯的節(jié)能、易操作的優(yōu)勢。

SIEMENS PLC 和G150 通過Profibus 交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視控制目的。更能方便地集成到一個(gè)系統(tǒng)項(xiàng)目中。

AOP30 操作面板能實(shí)現(xiàn)基本的調(diào)試和參數(shù)設(shè)定，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)故障信息，使得項(xiàng)目實(shí)施快速高效。

SINAMICS G150 可靠的性能和質(zhì)量，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障。