500KW/380V國產(chǎn)鉆機(jī)專用變頻器的研制與應(yīng)用

　　一、引言
　　油田鉆機(jī)是油井生產(chǎn)的最主要的設(shè)備之一，它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作效率直接關(guān)系到油井的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和成井率。由于其鉆井工藝的特殊性，對鉆機(jī)電控設(shè)備要求特別苛刻，特別在變頻器選用上非常謹(jǐn)慎，一直是國外產(chǎn)品的天下。由于國外變頻器存在價(jià)格昂貴，調(diào)試周期長，維修周期長的缺點(diǎn)，油田上因變頻器故障卻得不到及時(shí)維修造成質(zhì)量事故的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。并且國外變頻器在結(jié)構(gòu)上采用變頻器并聯(lián)的形式，占地面積大，給井隊(duì)搬家?guī)聿槐匾穆闊Ｔ谶@種形式下，我們針對鉆機(jī)的特殊工況，自主研發(fā)了可替代進(jìn)口機(jī)的高性能國產(chǎn)鉆機(jī)專用變頻器。該變頻器采用單元并聯(lián)，體積小，重量輕，便于安裝、維護(hù)，調(diào)試容易，效率高，性能穩(wěn)定。
　　變頻驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)較傳統(tǒng)鉆機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能，操作簡單，無級(jí)調(diào)速，控制精度高，工作效率高。變頻技術(shù)在油田鉆機(jī)上的開發(fā)應(yīng)用，不僅提高了鉆機(jī)的水平，改善了鉆機(jī)的操作性能，更重要的是加強(qiáng)了鉆機(jī)的作業(yè)能力，提高了鉆井效率和質(zhì)量。
　　二、原油田鉆機(jī)系統(tǒng)存在的問題
　　大慶市石油管理局井下鉆井公司原有一套可打3000米深度的鉆井設(shè)備。該設(shè)備控制系統(tǒng)主?發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，2臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)于3相，380V/50Hz交流母線）；泥漿循環(huán)系統(tǒng)；鉆井傳動(dòng)系統(tǒng)（包括1套500KW電機(jī)轉(zhuǎn)盤和絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、4臺(tái)45KW電機(jī)如液壓泵等）。該控制系統(tǒng)存在以下問題：（1）司鉆工只有通過不斷更換五個(gè)檔位，才能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鉆進(jìn)壓力，進(jìn)而改變鉆進(jìn)速度，工作效率低。（2）每次換檔時(shí),電動(dòng)機(jī)要反復(fù)啟停幾次,在起動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生過大的啟動(dòng)電流，對電網(wǎng)和其他設(shè)備造成沖擊,常因電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大而引起發(fā)電機(jī)組電壓下降，其他設(shè)備無法正常工作。（3）低速提升時(shí),只有更換低檔位才能達(dá)到低速控制要求,而電動(dòng)機(jī)在鉆井過程中處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，浪費(fèi)了大量的電能。針對原控制系統(tǒng)存在工作效率低，操作復(fù)雜等諸多問題，我們配合大慶市石油管理局井下鉆井公司對該油田鉆機(jī)進(jìn)行了變頻改造。
　　三、技術(shù)改造方案
　　鉆井傳動(dòng)系統(tǒng)是油田鉆機(jī)系統(tǒng)中必備的組成部分，一旦傳動(dòng)系統(tǒng)不能運(yùn)行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失（如卡鉆），還有可能威脅到現(xiàn)場生產(chǎn)人員的人身安全（如井噴），所以對傳動(dòng)系統(tǒng)要求具有極高的可靠性。我公司是國內(nèi)最早研制變頻器的公司之一，具有低壓大功率變頻器多年成功運(yùn)行的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，且性價(jià)比高。根據(jù)“經(jīng)濟(jì)、高效、可靠”的原則，大慶市石油管理局井下鉆井公司選擇了我公司生產(chǎn)的JD-BP32-500型(500KW/380V)鉆機(jī)專用變頻器，該鉆機(jī)專用變頻器配備了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上一級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，液晶觸摸操作，可對各種運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，具備完善的保護(hù)功能和定位監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高。
　　1．鉆機(jī)專用變頻器系統(tǒng)組成框圖該系統(tǒng)組成框圖如圖1示。
　　K萬能斷路器C交流接觸器M絞車電機(jī)2．鉆機(jī)專用變頻器系統(tǒng)介紹該系統(tǒng)包括四部分∶（1）進(jìn)線開關(guān)柜∶開關(guān)柜的主要功能是負(fù)責(zé)設(shè)備供電、變頻器外圍設(shè)備的過電流保護(hù)以及變頻器控制電源的濾波。主要由萬能斷路器、交流接觸器和控制電源的濾波組成。（2）變頻柜∶變頻器由兩個(gè)交-直-交逆變單元組成，采用單元并聯(lián)技術(shù)，增大了變頻器容量；采用公共直流母排方案，共用電容器組，增大了電容器容量；采用獨(dú)特的吸收電路(如圖2所示)，減小了di/dt,保護(hù)了功率模塊，增大了安全系數(shù)。因鉆機(jī)工況的特殊性，當(dāng)鉆機(jī)遇到巖石等硬質(zhì)層時(shí)，電流會(huì)在瞬間升高很大，產(chǎn)生對模塊的直接沖擊，長此工作之后，會(huì)造成模塊應(yīng)力的下降，為提高模塊的使用壽命，采用了傳感器取樣和IGBT結(jié)壓降保護(hù)相結(jié)合的雙重保護(hù)，從而減少了特殊情況下對模塊的極限沖擊，即使輸出間直接短路模塊也能在10us內(nèi)及時(shí)封鎖輸出,保護(hù)了變頻器,提高了整機(jī)的安全性和使用壽命。吸收電路如圖2所示。U+：正母線U-：負(fù)母線IGBT：功率模塊R：電阻D：快恢復(fù)二極管C：電容（3）制動(dòng)單元∶該部分主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)快速停機(jī)時(shí)，耗掉系統(tǒng)的慣性能量，內(nèi)含剎車電阻和剎車控制系統(tǒng)，采用芯片自處理技術(shù)控制剎車界限,安全可靠。（4）遠(yuǎn)程系統(tǒng)：該部分主要??行數(shù)據(jù)交換的接口。3．系統(tǒng)主要控制功能(1)電機(jī)啟動(dòng)/停止(2)電機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)(3)變頻系統(tǒng)復(fù)位(4)頻率調(diào)節(jié)(5)電機(jī)電流電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示(6)變頻器運(yùn)行指示(7)變頻器故障指示以上7點(diǎn)功能在工控機(jī)觸摸屏上均能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)能提供對外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，留有16路數(shù)字輸入接口，10路數(shù)字輸出接口，同時(shí)留有一路RS232通訊接口，方便與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交換。4．變頻系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo):5．系統(tǒng)特殊性能：石油鉆機(jī)專用變頻器與一般變頻器相比較，性能主要有以下不同點(diǎn)：（1）變頻器能夠從“零”開始調(diào)速，方便變速箱換檔，從而避免掛換檔時(shí)反復(fù)啟停電機(jī)的情況，即當(dāng)變頻器頻率低于2Hz時(shí)，此時(shí)電機(jī)無扭矩，處于自由狀態(tài)。（2）當(dāng)鉆井堵鉆時(shí)，變頻器能及時(shí)斷開電機(jī)，保護(hù)動(dòng)力設(shè)備，避免轉(zhuǎn)矩過大扭斷鉆具，因此變頻器設(shè)置了負(fù)載限制功能。（3）在低速提升時(shí)，變頻器能最大限度的發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，提供220%轉(zhuǎn)矩輸出。
　　四、應(yīng)用舉例：
　　在取心井上的應(yīng)用取心井，顧名思義是把巖心從井下取出，目的為研究地質(zhì)構(gòu)造和原油分布層次。由我公司生產(chǎn)的JD-BP32-500變頻器于2004年6月在大慶市井下鉆井大隊(duì)30102隊(duì)一口取心井安裝調(diào)試。此井設(shè)計(jì)井深2130米，自1542米到1605米下限為取心段，共取心8筒，收獲率均達(dá)99%以上。在正常打井時(shí)用二檔，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速280轉(zhuǎn)/分，變頻輸出電流在200—800A之間。提升時(shí)頻率為7Hz左右，最大提升電流不超過1000A。整個(gè)鉆井過程中電流變化如下表1：鉆井過程中，減少了換檔次數(shù)，減少了大的啟動(dòng)電流對電機(jī)的沖擊，同時(shí)也減輕了司鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了整個(gè)井隊(duì)的工作效率。且低頻取心提升時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速只有120轉(zhuǎn)/分，據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，采用變頻改造后，打一口井節(jié)省柴油15t。
　　五、改造效果系統(tǒng)
　　變頻運(yùn)行，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)、軟停車。鉆機(jī)起停平穩(wěn)，延長了電機(jī)的使用壽命和維修周期，避免了電機(jī)燒毀等經(jīng)濟(jì)損失，減少了維修費(fèi)用。系統(tǒng)采用過流、過壓、欠壓、短路、缺相、溫升、失速等多種保護(hù)，更加安全可靠。
　　通過改造，減少了鉆機(jī)的作業(yè)時(shí)間，提高了鉆機(jī)的工作效率。本系統(tǒng)良好的驅(qū)動(dòng)性能，保護(hù)了鉆井設(shè)備并提高鉆井的質(zhì)量，用戶給予了很高的評價(jià)，經(jīng)過近一年的生產(chǎn)運(yùn)行，該系統(tǒng)性能好，可靠性高，操作方便，達(dá)到了改造的預(yù)期效果。
　　六、結(jié)束語
　　鉆機(jī)的更新改造中，就其控制系統(tǒng)方案而言，采用交流變頻驅(qū)動(dòng)，代表著鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。而變頻器具有的諸多優(yōu)點(diǎn)可大大提高油田鉆機(jī)的裝備水平。變頻器在油田鉆機(jī)上的應(yīng)用，有著廣闊的市場前景和發(fā)展?jié)摿Α?/FONT>