西門子變頻器在石油鉆機中的應用

于雪梅， 劉坤

（大慶鉆探工程公司機械修理廠，黑龍江 大慶 163413）

0 引言

交流變頻調速電驅動石油鉆機在滿足石油鉆井工藝要求方面具有無可比擬的優越性能。為了更好地了解變頻器在石油鉆機中的應用,本文將以ZJ30DB鉆機為例,對西門子變頻器進行介紹。

ZJ30DB鉆機電控系統采用數字通訊傳輸方式,其操作回路的設計以高性能的西門子PLC為控制核心,利用PROFIBUS-DP現場總線和司鉆控制臺、變頻調速柜、觸摸操作屏組成網絡，由PLC進行邏輯處理及故障診斷，并集中顯示，性能達到當今國際水平。

1 鉆機設備及工況要求

ZJ30DB鉆機主要傳動部分包括絞車電機、轉盤電機、自動送鉆電機，傳動方式為變頻傳動，要求能實現平滑調速，具有良好的機械特性。其中絞車電機和轉盤電機功率為600 kW，自動送鉆電機功率為37 kW。泥漿泵不采用變頻傳動，它靠氣路控制其油門大小來調整泵速度的大小。

在對各個主電機控制方面，除了變頻器要具有的自我保護功能外，還要求通過PLC程序實現對主電機與風機、潤滑泵等重要輔助設備的電氣連鎖，避免在輔助設備出現故障的時候，主電機仍然運行，對設備帶來不良的影響。

變頻器要將各個主電機的運行參數反饋給PLC，通過PLC中轉，最后顯示在觸摸屏上，有利于操作人員掌握現場設備的運行情況。

2 變頻器的選擇

根據鉆井設備的工藝參數選擇合理的變頻器，以保證系統設計的先進性、可靠性、經濟性。

2.1 絞車控制系統

兩臺600 kW的絞車電機是絞車的動力源，變頻系統選擇西門子6SE70系列400 V/630 kW交流變頻控制柜為絞車電機提供動力，實現電機的無級調速。變頻控制柜由整流單元、中間回路、逆變單元和控制電路組成。整流單元與三相交流電源連接，產生脈動的直流電壓；中間回路將脈動的直流電壓換成穩定、平滑的直流電壓；逆變單元產生與電動機相匹配的電壓和頻率，并將固定的直流電壓變換成可調的交流電壓；控制電路將信號傳給上述3個裝置，同時接收它們的信息，以控制整個變頻器的正常工作。

絞車電機的輸入轉速設計為0～2600 r/min，滾筒對應的輸出轉速為0～314 r/min，絞車控制系統采用智能閉環控制，變頻器根據絞車編碼器獲取絞車的實時轉速，再通過變頻器內部的智能PID調節器計算出最優的輸出電壓、電流和頻率給絞車，使絞車的轉速穩定、快速且準確地跟蹤手柄的給定值。所以即使帶300t鉤載，手柄給定為零速，滾筒仍然能保持靜止不動。此外，當現場出現故障的時候，變頻器也會對自身和電機做一定的保護，比如直流母線電壓過高、電機堵轉、過電流等等，變頻器會診斷出故障，并將故障號顯示出來，同時停止主電機。

絞車還采用外部PLC程序保護。首先，當絞車電機風機、絞車潤滑泵、制動電阻風機等輔助設備故障時，絞車主電機自動停止。此外，在PLC程序中還設計了“上碰下砸”子程序，通過在觸摸屏上設置大鉤的上碰點和下砸點，PLC自動計算出絞車速度，使大鉤到達上碰點或者下砸點時接近于零速，大大減小了盤剎抱死時造成的機械振動。

絞車與盤剎之間也存在著互鎖，當絞車運行時，盤剎自動松開，絞車停止盤剎抱死。有效地避免了誤操作對設備造成的損害。此外當通訊出現故障的時候還能通過旁路對變頻器啟停、調速。

2.2 轉盤控制系統

轉盤由一臺600 kW電機驅動，盤面轉速與電機的轉速比為5.51。變頻系統采用西門子6SE70系列400V/315kW交流變頻柜為轉盤電機提供動力，實現電機的無級調速。與絞車變頻器一樣，變頻控制柜由整流單元、中間回路、逆變單元和控制電路組成，具有故障保護的功能。操作者可通過觸摸屏上的起停按鈕、方向按鈕啟動停止轉盤電機和改變運轉方向。

轉盤主電機與風機潤滑泵之間也有聯鎖。同時慣剎與轉盤電機之間也有互鎖，啟動轉盤慣剎自動打開，轉盤電機停止慣剎自動抱死。轉盤的最大轉矩可通過小手輪給定，當轉盤的轉矩大于設定值時，轉盤電機自動停止。

2.3 自動送鉆控制系統

自動送鉆變頻系統包括進線斷路器、熔斷器、進線電抗器、37 kW自動送鉆變頻裝置、控制單元、制動電阻。自動送鉆系統采用西門子6SE70系列全數字電壓源型變頻調速器，一對一驅動變頻電機，實現對速度的精確控制和快速響應。系統可以控制鉆機的鉆速和鉆壓，實現恒鉆速和恒鉆壓送鉆。可以對設定參數進行修改，實現手/自動轉換，監控鉆進過程中的鉆壓、鉆速、游車位置等參數，自動控制游車減速和軟啟，緊急故障剎車等功能，能有效防止溜鉆和卡鉆事故的發生，提高鉆速及鉆進質量，并具有應急提升功能。制動單元及控制電阻用于電機在發電狀態運行時，制動電阻將多余的能量轉換成熱能散發掉。

3 變頻器使用的注意事項

1）變頻器的運行溫度為0～40℃，所以變頻器運行時，應使用空調調節室內溫度。2）變頻器在工作時，斷開主開關會產生較大的電壓變化率，較大的電壓變化率容易損壞變頻器的輸出模塊和電機繞阻的絕緣，應避免這種誤操作。3）動力電纜和控制信號纜鋪設時要分開，盡量減少電磁干擾。4）變頻器在斷電5 min內仍有危險電壓，操作人員一定要注意安全。5）絕對禁止對變頻器進行絕緣測試。

4 結語

本文對西門子變頻器在石油鉆機中的應用作了簡單的介紹，鉆機采用變頻器后，絞車和轉盤可實現無級變速，調速范圍寬；能以極低的速度恒扭矩輸出，對井下鉆具的事故處理、側鉆、修井、小鉆井液排量作業、優選參數鉆井作業十分有利。實現了鉆機的自動化、智能化和對外界變化的自適應控制，是當代石油鉆機的發展趨勢。

［1］ 高成海.變頻器在國內石油鉆機的應用［J］.電氣傳動，2001（1）：56-59.

［2］ 滿永奎，韓安榮.通用變頻器及其應用［M］.3版.北京：機械工業出版社，2012.

［3］ 高成海.變頻器在石油鉆機的應用及分析［J］.變頻器世界，2005（3）：84-87，114.