變頻器在國內(nèi)石油鉆機的應(yīng)用

分類：解決方案日期：2007-07-20 00:00:00

[摘要]
文章介紹了變頻器在石油鉆機的應(yīng)用。對鉆井工藝特點，控制方案，系統(tǒng)組成及注意事項做了簡要論述。
[關(guān)鍵詞]
石油鉆機變頻器系統(tǒng)
1 鉆井工藝簡介
鉆井過程分為起落井架，鉆進，泥漿循環(huán)，鉆具更換，下套管，測井等幾大工序。主要分為絞車，轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等。絞車由滾筒、齒輪箱、離合器、制動器、電機和控制設(shè)備組成，用來起落井架，提升和下方鉆桿、套管。隨著井深的增加，鉆具越來越長，重量迅速加大，絞車的負載也越來越大。我國目前已有7000m深的油井，其鉆具近600t重。由于每轉(zhuǎn)進約9m就要提升下放鉆桿1次，因此絞車作業(yè)時間也隨著井深的增加而占整個作業(yè)時間的比例越來越大。為降低成本，希望在野外或海上的作業(yè)時間越短越好，這不僅要求絞車寧高速運行，平穩(wěn)起停，以保證不損壞鉆井設(shè)備并提高井的質(zhì)量，還要求驅(qū)動設(shè)備具有良好的動態(tài)特性。如果在內(nèi)線井區(qū)作業(yè)，電源可與井區(qū)電網(wǎng)相連，下放鉆桿時電機工作在發(fā)電狀態(tài)，能量可回饋電網(wǎng)，節(jié)能效果顯著。
轉(zhuǎn)盤和絞車可共用同一套驅(qū)動系統(tǒng)和電機，鉆桿加長后，驅(qū)動部分切換到轉(zhuǎn)盤，由轉(zhuǎn)盤帶動鉆具旋轉(zhuǎn)，實施鉆進作業(yè)，司鉆工通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和壓力來改變鉆進速度。轉(zhuǎn)盤正常工作時為正轉(zhuǎn)，處理卡鉆時需反轉(zhuǎn)以收回鉆頭，為防止鉆桿正轉(zhuǎn)時折斷或反轉(zhuǎn)時脫扣，要求電機輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，調(diào)節(jié)靈活且設(shè)定限幅值，同時電機的剎車部件也是必不可少的。
泥漿泵相當(dāng)于整個鉆井設(shè)備的心臟，它所輸出的泥漿的作用類似于人體內(nèi)的血液。泥漿從鉆桿內(nèi)部自上而下注入，流過鉆頭后，再從鉆桿和井壁的縫隙自下而上流出，在這一過程中，泥漿協(xié)助鉆頭沖擊地殼，冷卻鉆頭，帶出碎屑，而更重要的是通過在泥漿中滲入重晶石粉等物質(zhì)可保持井下一定的壓力，以避免井噴，象血液在人體內(nèi)循環(huán)，運送營養(yǎng)，帶走廢物。泥漿泵的壓力和沖數(shù)分別與驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩和速度成正比。
絞車負載示意圖如圖1 所示。

2 系統(tǒng)配置
1998年我們?yōu)樾陆凸芾砭帚@井公司的可打3200m深度的一套鉆井設(shè)備配置了變頻器。所用產(chǎn)品為Siemens SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE71電壓源型變頻器柜。
動力系統(tǒng)由3×800kW柴油發(fā)電機組構(gòu)成，3臺機組并網(wǎng)于3相，600V/50Hz交流母線。
傳動部分由3×6SE7141整流柜（3×800kW）供電給公共直流母排，4×6SE7135逆變柜（4×400kW）和2×6SE7136逆變柜（2×450kW）共6臺逆變柜接到直流母排上，每臺逆變柜各驅(qū)動1臺400kW的電機。4臺電機2臺1組共驅(qū)動2臺泥漿泵，另2臺電機為絞車和轉(zhuǎn)盤共用，詳見圖2 。

1）電源采用柴油發(fā)電機供電，要求有足夠的電壓穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度。柴油發(fā)電機的額定容量一般小于傳動裝置容量的5 ~ 10倍，屬于“小電網(wǎng)”供電，換相缺口大。SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE71變頻器可保持2 ~ 3s的主回路電壓等待時間，以克服柴油機瞬時掉電和換相缺口。
2）根據(jù)多電機傳動情況，采用了公共直流母排方案，這樣如果有1個傳動裝置工作于發(fā)電狀態(tài)，可通過中間回路進行能量交換，僅使用1個總制動電阻。
3）在直流母排上配備自振蕩二極管，以免1臺逆變器上的直流側(cè)熔斷器斷開或回饋能量時在母排上產(chǎn)生過電壓而影響其它逆變器。此外，逆變器內(nèi)部軟件中還有Vdmax調(diào)節(jié)器以避免直流母排因過電壓跳閘。
4）同單臺變頻器傳動相比，安裝尺寸較小，因為網(wǎng)側(cè)元件，如熔斷器、接觸器、開關(guān)及網(wǎng)側(cè)進線電抗器等可以集中使用1次。并在機械結(jié)構(gòu)上采取了適應(yīng)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的措施。
5）所選逆變器功率相同并可設(shè)置4套給定數(shù)組和電機數(shù)組，在故障時可方便地互相切換，互為備用。隨著絞車/轉(zhuǎn)盤的切換，可實現(xiàn)電流限幅和整套控制數(shù)據(jù)的自動轉(zhuǎn)換。
6）同一設(shè)備的2個變頻器之間采用光纖快速（11Mbit/s）通訊和雙速度環(huán)方案。在無編碼器反饋條件下安全得到有力保證，又使驅(qū)動1臺設(shè)備的2臺電機的負載電流靜態(tài)偏差小于1%，遠遠優(yōu)于鉆機國家標(biāo)準規(guī)定的10%，控制方案詳見圖3 。

7）如鉆機可接入大電網(wǎng)，則可考慮經(jīng)電能回饋電網(wǎng)，但要事先確認電網(wǎng)的穩(wěn)定性，以免逆變橋在電網(wǎng)波動時過流。
鉆機采用絞車，轉(zhuǎn)盤聯(lián)合驅(qū)動，泥漿泵獨立驅(qū)動的形式。鉆機主機通過二檔分動直角箱，將動力分成兩路，一路通過鏈條驅(qū)動滾筒工作；另一路驅(qū)動轉(zhuǎn)盤工作。泥漿泵組由交流電機通過皮帶傳動驅(qū)動泥漿泵工作。絞車由滾筒軸，絞車架，機械剎車，電磁渦流輔助剎車，鏈條箱，轉(zhuǎn)盤驅(qū)動軸，二檔直角分動箱，交流電動機，潤滑系統(tǒng)等組成。鉆井平臺上配有司鉆臺，所有控制都可在司鉆臺完成，并設(shè)有麥克風(fēng)和故障警笛。
3 變頻器
6SE71變頻柜內(nèi)部配備SIEMENS全數(shù)字工程型變頻器，整流部分采用晶閘管，逆變器采用了IGBT功率元件，直流母排上由電容作為儲能元件。變頻各項功能可隨軟件靈活設(shè)置，實現(xiàn)對同步或異步電機的控制，控制方式也包括V/f，有無測速機的磁場定向控制等。根據(jù)工藝要求，選用無速度傳感器的矢量控制方案，拖動異步電機，精度可達到0.1f轉(zhuǎn)差，速度響應(yīng)時間20ms，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間可達到5ms，確保準確快速的調(diào)節(jié)，同時簡化系統(tǒng)，增加可靠性。
3.1 簡單工作機理
6SE71變頻柜采用的控制方案如圖4 所示。

勵磁電流Iu和轉(zhuǎn)矩電流Iw經(jīng)過電流調(diào)節(jié)后，再完成電流—電壓變換、直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換進入觸發(fā)裝置。具有矢量變換的電機模型功能塊主要由三相/二相變換器、矢量變化器、電機模型（電流模型和反電動勢模型）幾部分組成。電樞電流實際值和勵磁電流實際值由檢測出的三相電流經(jīng)三相/二相變換后，再與觸發(fā)裝置模塊過來的轉(zhuǎn)子磁鏈的空間相位角q1一起通過矢量變換產(chǎn)生。公式如下

輸出電流

輸出轉(zhuǎn)矩 Mact=KIWyR
轉(zhuǎn)子磁鏈yR由電流模型或反電動勢模型計算得到。在頻率小于fs時采用電流模型法，反之為反電動勢模型法, fs在參數(shù)辨識時確定。電流模型是根據(jù)異步電機的定子電流求yR，但隨著磁通飽和或電機繞組溫度的變化，要對模型中的參數(shù)進行調(diào)整，才能保證運算精度，因此只在低速時采用。而反電動勢模型是從電機端電壓中減掉繞組的電阻壓降，再將電機的反電動勢積分得出yR，反電動勢在電機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的10%以下時運算不準，一般在速度提高后使用。變頻器在運行時可自動轉(zhuǎn)換，這也確保了矢量控制的精度。
轉(zhuǎn)速實際值由定子電壓和電流檢測值經(jīng)電流模型和反電動勢模型計算得出。
電流模型計算出的滑差頻率fslip，與實際頻率fact組成同步頻率f，輸入觸發(fā)裝置。
3.2 PWM調(diào)制
6SE71變頻柜采用異步空間矢量調(diào)制。在一定的脈沖頻率下，通過此種方式可使電機的諧波電流減到最小，以減輕損耗和轉(zhuǎn)矩脈沖。在這種情況下IGBT通斷后電機三相繞組產(chǎn)生的電壓矢量在空間旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)“占空比”和相鄰矢量的值使電壓矢量的數(shù)值和電壓相角可調(diào)，這樣，輸出電壓可達到最大值的87%。
當(dāng)要求90%以上輸出電壓時，則采用“邊緣調(diào)制”在60 時的方波波形上設(shè)置1個或幾個槽口以消除電流峰值。逆變器中IGBT的通斷狀態(tài)如表1所示，相應(yīng)的電壓矢量圖如圖5 所示。
表1 逆變器中IGBT的通斷狀態(tài)表

開關(guān)狀態(tài)	L1	L2	L3
U₁	+	-	-
U₂	+	+	-
U₃	-	+	-
U₄	-	+	+
U₅	-	-	+
U₆	+	-	+
U₇	+	+	+
U₈	-	-	-

3.3 自檢測，自設(shè)定
由于全數(shù)字控制變頻器內(nèi)部軟件可靈活配置，利用其本身的硬件設(shè)備，通過執(zhí)行固定的子程序使變頻器輸出各種電壓、電流信號，再對采樣數(shù)據(jù)計算處理可完成內(nèi)部自動參數(shù)設(shè)置、靜態(tài)電機識別、空載試驗和調(diào)節(jié)器優(yōu)化，得出精度較高的電機參數(shù)。這是調(diào)速系統(tǒng)功能的一大擴充，既簡化了現(xiàn)場人員的工作，也為提高交流調(diào)速系統(tǒng)的性能提供有力保證。這些測試包括：接地測試可知所接電機（包括導(dǎo)線）是否有接地故障，以及逆變器中損壞的功率器件；還有脈沖測試，漏磁測試，空載測量以及根據(jù)負載特點完成的n/f調(diào)節(jié)器的優(yōu)化。
4 其它技術(shù)特點和注意事項
1）針對鉆井工藝特點，可利用變頻器內(nèi)部功能完成負載限制和動態(tài)功率限制功能。由外部操作隨意調(diào)節(jié)電流限幅和柴油機的輸出功率報警值，切實保證柴油機安全。
2）編制變頻器內(nèi)部軟件功能塊實現(xiàn)零位鎖定，確保打井過程中變頻器不因小故障而停機，杜絕因此類原因引起的卡鉆。
3）完成腳踏開關(guān)的快提鉆桿功能，并禁止其反向工作，縮短工作周期。
4）采用變頻器內(nèi)部控制軟件實現(xiàn)允許兩臺電機并聯(lián)驅(qū)動絞車，而轉(zhuǎn)盤僅允許單臺電機驅(qū)動，避免轉(zhuǎn)矩過大扭斷鉆具。
5）電流環(huán)的前饋控制保證快速動態(tài)響應(yīng)。
6）利用變頻器內(nèi)部的自由功能塊可完成泥漿泵電機的斷帶保護。
7）操作面板可作為手持終端，每個面板可存儲8套參數(shù)。
8）控制線纜可采用總線方式，大大減小線纜數(shù)量，提高設(shè)備可靠性。
9）模塊化的結(jié)構(gòu)，可采用水冷方式，適應(yīng)更加惡劣的環(huán)境。
10）免費的SIMOVIS調(diào)試、故障診斷軟件，適合進一步通訊和自動化。
此外，Siemens公司還可提供以IGBT元件作為整流功率部分的變頻器，徹底實現(xiàn)無諧波，功率因數(shù)可控，并可在5%額定輸入電壓下輸出額定轉(zhuǎn)矩。還應(yīng)注意以下幾點。
1）電氣柜內(nèi)的元件應(yīng)有足夠的強度，耐腐蝕，所有連接和緊固件應(yīng)有防松措施。
2）井場使用的電纜應(yīng)為耐熱，耐油，耐寒，柔軟且可承受較大機械外力的阻燃型電纜。電纜在防護性能較好的電纜橋架上，橋架應(yīng)為可折疊式。電纜和對應(yīng)的連接端應(yīng)有牢固的標(biāo)記，接頭做防護以免機械損傷和附著物引起接觸不良，并且要有良好的密封。
3）井場環(huán)境多屬“2”類危險區(qū)，司鉆臺和泥漿泵操作臺除了加熱去濕設(shè)備外還應(yīng)做正壓防爆處理，密封性好，選用防銹材料。以上的設(shè)備均應(yīng)有較高的防護等級。
5 結(jié)束語
在鉆機技術(shù)更新、改造過程中，采用先進的變頻器應(yīng)是優(yōu)先考慮，頗具推廣價值的方案。在實際應(yīng)用中，應(yīng)充分使用變頻器軟件功能，大大簡化外部線路，提高了控制水平和對設(shè)備的保護，因其性價比高、工藝先進、穩(wěn)定可靠、維護簡單而獲得用戶的高度評價。它將大大推動我國石油機械的技術(shù)進步。