朱躍

（中海油田服務(wù)股份有限公司裝備管理部，北京,101149）

0 引言

目前國內(nèi)很多鉆井平臺仍然使用直流變頻驅(qū)動系統(tǒng)，此類變頻驅(qū)動占用空間較大，維修工作量大。而采用交流變頻控制體積小，便于安裝調(diào)試、降低鉆井平臺的載荷、降低設(shè)備維修成本和平臺員工的勞動強(qiáng)度，易于實現(xiàn)過程的自動化，且啟動電流低，對系統(tǒng)電網(wǎng)的沖擊小。較大程度上提高鉆井作業(yè)的可靠性和安全性。本文通過介紹鉆井平臺交流變頻驅(qū)動系統(tǒng)來分析變頻系統(tǒng)在鉆井平臺上的應(yīng)用。

1 概述

1.1 平臺變頻驅(qū)動設(shè)備操作特點(diǎn)

鉆井平臺上可以使用交流變頻驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)備包括：鉆井絞車、頂驅(qū)、泥漿泵等大型裝備。鉆井絞車、頂驅(qū)等主要用于起下鉆具、防噴器等，屬于重載負(fù)荷，在選擇變頻器類型時應(yīng)關(guān)注其低頻高扭矩特性，以實現(xiàn)對扭矩精確控制。且鉆井絞車在下放和快速降速和應(yīng)急停止時都會產(chǎn)生再生電動勢，因此需要考慮處理再生能量問題。

1.2 平臺供電系統(tǒng)

鉆井變頻系統(tǒng)采用交流變頻驅(qū)動，主動力取自鉆井平臺主配電系統(tǒng)11KV/3PH/60HZ中壓母排，經(jīng)過一臺4500KVA-11KV/0.69KV變壓器直接供給變頻驅(qū)動系統(tǒng)，為鉆井絞車電機(jī)、頂驅(qū)電機(jī)、泥漿泵電機(jī)提供動力。系統(tǒng)圖詳見圖1。

圖1 鉆井平臺鉆井變頻驅(qū)動系統(tǒng)圖

1.3 變頻器的選型和配置

鉆井平臺鉆井變頻系統(tǒng)采用西門子（SIEMENS）SINMICS S120系列變頻器，整個變頻系統(tǒng)分為3段，每段都由兩個整流單元把交流電源變成直流輸送到直流母排，每個設(shè)備單獨(dú)配備逆變柜給負(fù)載供電。整個系統(tǒng)采用了“公共直流母線”的技術(shù)，不但減少了整流單元的數(shù)量、降低了成本、節(jié)省了設(shè)備布置的空間，而且這種配置可以提高電能利用率，減少諧波。

表1 變頻驅(qū)動電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 鉆井平臺交流變頻控制系統(tǒng)的組成

鉆井平臺交流變頻控制系統(tǒng)是結(jié)合了PLC控制技術(shù)與變頻驅(qū)動技術(shù)的一個綜合系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)包含全數(shù)字矢量控制交流變頻器、PLC綜合控制柜（含觸摸式工控機(jī)）、泥漿泵本地操作柜、光纖通訊控制柜。

鉆井平臺交流變頻控制系統(tǒng)以PLC作為控制核心，現(xiàn)場各類傳感器采集數(shù)據(jù)后傳輸?shù)娇刂葡?，通過現(xiàn)場總線與PLC進(jìn)行通訊，完成系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的保護(hù)、故障檢測、顯示與警報。采用現(xiàn)場總線技術(shù)作為控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，減少了硬接線，提高了系統(tǒng)的靈活性。在VFD（變頻器）間安裝一臺工控機(jī)，實現(xiàn)對各部分的運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)控并對系統(tǒng)故障結(jié)合報警信息進(jìn)行故障診斷。

鉆井平臺鉆井變頻系統(tǒng)采用水冷方式冷卻，頂驅(qū)變頻控制系統(tǒng)有一個備用的逆變柜MP1B，當(dāng)主逆變器發(fā)生故障時，能夠切換到備用逆變柜進(jìn)行工作。

3 配套設(shè)備設(shè)施

3.1 能耗制動電阻

鉆井絞車運(yùn)行時由于游車及鉆具的慣性大，在減速、下降及應(yīng)急停車的過程中會產(chǎn)生再生電動勢，沖擊直流母排使得母排電壓升高，對變頻柜內(nèi)元器件造成損壞，因此需要對這部分能量進(jìn)行處理?？梢栽谧冾l控制系統(tǒng)中通過串聯(lián)能耗制動電阻來將這部分能量消耗掉，通過在直流母線上增加制動單元和制動電阻來實現(xiàn)這一目的。制動單元通過傳感器實時監(jiān)測變頻器回路的電壓，當(dāng)電壓超過設(shè)定的閾值，制動單元以斬波的方式控制制動電阻接入直流回路中，通過制動電阻消耗掉能量，以達(dá)到鉆井絞車制動和降低母排直流電壓的目的。制動電阻一般會統(tǒng)一安裝在專用的制動電阻箱內(nèi)，通過溫控方式并帶有信號輸出，溫度控制信號可傳輸?shù)焦た貦C(jī)上顯示。制動電阻在鉆井平臺上通常通過水冷方式進(jìn)行冷卻。

圖2 鉆井平臺鉆井變頻控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

3.2 直流母排接地檢測

鉆井平臺平臺鉆井變頻系統(tǒng)在直流母排上安裝了一個檢測直流母排絕緣狀況的檢測儀，當(dāng)母排出現(xiàn)絕緣低的情況時會發(fā)出報警到HMI。該檢測儀可以設(shè)定2個報警值（H/HH），維修人員根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。

4 變頻系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 鉆井絞車變頻控制

鉆井平臺的絞車一般由4-5臺電機(jī)共同驅(qū)動，經(jīng)絞車齒輪箱減速后驅(qū)動絞車滾筒。絞車變頻器與電機(jī)為一一對應(yīng)的配置關(guān)系, 鉆機(jī)在任何作業(yè)工況下, 絞車都能保持足夠的功率冗余量可以提供最大的提升功率。且在變頻器運(yùn)行時，鉆井絞車具備在任意位置懸停的功能。

鉆井絞車的變頻器通常采用帶速度傳感器的矢量控制方案，能夠保證低頻時能產(chǎn)生高的啟動扭矩且能夠改善啟動及低速時扭矩的動態(tài)響應(yīng)。PLC通過采集絞車主電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和絞車滾筒轉(zhuǎn)數(shù)的信號，判斷游車的起下鉆工況，來計算出游車的速度和位置，并通過控制信號使絞車電機(jī)以給定的速度來驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動。通過絞車速度的閉環(huán)控制和游車位置的數(shù)字閉環(huán)控制，二者有機(jī)結(jié)合，從而大幅提高了鉆井時效。

4.2 頂驅(qū)變頻控制

頂驅(qū)在鉆進(jìn)時，PLC通過采集電機(jī)的電流、頻率、電壓等參數(shù)，計算電機(jī)扭矩，通過對電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的控制，將扭矩值控制在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)；當(dāng)扭矩值超過設(shè)定值時，PLC發(fā)出指令關(guān)停電機(jī)，來實現(xiàn)電機(jī)扭矩保護(hù)。頂驅(qū)變頻系統(tǒng)可提供持續(xù)扭矩62250ft-lbs或上卸扣扭矩100000ft-lbs。頂驅(qū)轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)動司鉆椅上的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)需要在操作椅界面選擇正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

4.3 泥漿泵變頻控制

平臺的泥漿泵一般由2臺變頻電機(jī)共同驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速的控制是由司鉆房的司鉆控制椅或泥漿泵房本地的本地控制箱進(jìn)行速度的給定。除了遙控的控制，泥漿泵本地的啟動、停止、調(diào)速等控制還可以通過泥漿泵房的本地控制箱來實現(xiàn)。

4.4 系統(tǒng)保護(hù)功能以及報警功能

鉆井平臺的交流變頻系統(tǒng)一般配有浪涌抑制、過流、過壓、過載、輸出電流限制、輸出功率限制以及自動診斷等安全保護(hù)功能。在發(fā)生故障時直接切斷設(shè)備輸出，最大程度上保護(hù)設(shè)備安全。PLC內(nèi)部設(shè)定報警值，當(dāng)有故障時，VFD房的HMI會有報警聲光顯示，對報警時間、故障位置、故障種類及常規(guī)故障解決故障方法給出提示。當(dāng)故障恢復(fù)后，可在VFD房的HMI上對報警進(jìn)行復(fù)位。

5 交流變頻系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

通過在海洋鉆井平臺上的作業(yè)實踐證明，平臺鉆機(jī)采用交流變頻驅(qū)動技術(shù)具備以下優(yōu)點(diǎn)：

①交流電動機(jī)的工作效率較高，通?？蛇_(dá)97%,而直流電動機(jī)功率在500-800千瓦的范圍時其工作效率最高只能達(dá)到95%。

②維護(hù)保養(yǎng)簡單、方便、工作量小。

③交流電動機(jī)符合設(shè)備本質(zhì)安全的配置，由于電機(jī)本身沒有電刷, 因此在電機(jī)工作時不會產(chǎn)生火花,對于鉆探天然氣井及對防爆要求較高的探井來說,是非常安全的。

④交流變頻驅(qū)動具備鉆機(jī)零轉(zhuǎn)速時全扭矩的能力,雖然交流電機(jī)的主軸處于不轉(zhuǎn)動的狀態(tài),但是仍然可以輸出全扭矩,這對于特殊的鉆井作業(yè)，如短起、倒劃眼、井下取芯等作業(yè)來講是能保證本質(zhì)安全的,防止發(fā)生井下事故。

⑤交流變頻電機(jī)可靠性好、使用壽命長；且電機(jī)體積小、重量輕、占用空間少，且能適應(yīng)海上鉆井環(huán)境的苛刻要求。

⑥交流變頻驅(qū)動技術(shù)不會出現(xiàn)諧波畸變的現(xiàn)象,因此對于海上鉆井平臺要求鉆機(jī)工作的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩連續(xù)且穩(wěn)定比較匹配。

⑦允許作業(yè)人員在全操作范圍精確地控制鉆桿的轉(zhuǎn)速和扭矩。

⑧交流變頻驅(qū)動可以精確調(diào)節(jié)工作轉(zhuǎn)速和輸出扭矩。

⑨交流變頻驅(qū)動系統(tǒng)的使用范圍較寬,可以實現(xiàn)在電動機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個方向的工作轉(zhuǎn)速0-100%，的精確和連續(xù)調(diào)節(jié)。

當(dāng)然，交流變頻驅(qū)動系統(tǒng)也有缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在對使用環(huán)境要求較為嚴(yán)格，環(huán)境溫度在0-40℃，最好能夠控制在25℃左右，濕度不超過95%，且無凝結(jié)或水霧，室內(nèi)要長期保持干燥狀態(tài)。

其次，交流變頻系統(tǒng)造價較高，且技術(shù)要求高。

6 結(jié)束語

鉆井平臺通過采用交流變頻驅(qū)動系統(tǒng)，可以大幅提高了平臺設(shè)備的自動化和智能化控制水平，減輕設(shè)備維保工作量，提高工作實效，具有廣泛的應(yīng)用價值。