西門子SINAMICS G150 變頻器在ZJ70LDB 鉆機上的應用

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 鉆機變頻控制系統工藝介紹

目前，國內油田使用的鉆機以柴油為燃料，用柴油發動機提供動力，燃油成本占鉆井成本的比例逐年上升，而且居高不下；同時，在鉆井施工過程中，柴油機運行產生的噪音和廢氣對環境造成污染。機械/機電復合驅動鉆機一般采用3～4 臺柴油機并車驅動，柴油機在運行中易出故障，維修量大，而且機械鉆機不能調速，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。

采用由網電改造變頻控制供電裝置，將直接從工業電網上獲取動力，經變壓器轉換，直接將高壓網電變換為滿足鉆機系統使用的動力源。并且通過變頻電機可以調速的優點對鉆井設備運行速度的調整，提高能源的利用率和鉆機系統的穩定性和可靠性。降低了噪音污染，實現大氣污染零排放。使鉆井工作更加安全、高效和環保。節省大量的燃油和維護成本，明顯提高經濟效益。

鉆機網電供電裝置的電源引自附近35kV 或者10kV 的工業電網，經由高壓房4000kVA 35kV/0.6kV（或3150kVA 10kV/0.6kV）的變壓器，變壓器低壓側配電斷路器4000A(3200A)，輸出連接到井場控制核心設備變頻房，經SVG 有源濾波柜，用變頻器拖動變頻電機來驅動鉆井機械如絞車，泥漿泵；同時，為固控MCC 部分和井場照明提供電源。基于變頻電機的可調速特點，此控制裝置亦可以對現有的鉆井設備如絞車、泥漿泵等進行速度可調的柔性控制。

原來的系統中有4 臺柴油發電機，設計取走2 臺柴油機用2 臺變頻電機替代。變頻電機可單機運行，也可2 臺并機運行，一般情況下以變頻電機為動力；留下的2 臺發電機作為備用，僅在網電斷電或者變頻系統故障時使用。

與現有技術相比，本系統的特點：（1）工業電網的穩定性和電機的可靠性、增加鉆機的動力穩定性和可靠性。（2）減少柴油機的維護和柴油的運輸使用費用。（3）噪音低，無廢氣污染，實現零排放。（4）可對鉆井設備進行調速等柔性控制。改造后泥漿泵排量大、泵壓高，轉盤轉速高，扭矩大，可大大提高鉆進速度。（5）鉆機網電供電裝置結構簡單，維護方便。（6）改善施工現場，減小周邊環境的影響。

1.1 西門子IDS 產品信息（表1）

1.2 現場照片(見圖1、2)

2 IDS 系統構成

整個系統的關系為35kV(10kV)架空線通過35kV(10kV)高壓供電房(變壓至0.6kV)給變頻房(無功補償，供配電，變頻器)供電，控制變頻電機(替換柴油機) 驅動鏈條拖動井場設備。

高壓供電房主要是把工業網電轉化為井場控制/驅動電源，網電由高壓進線柜/計量柜接入，高壓出線柜然后經過變壓器把高壓電網上的高壓電變為600V 的低壓控制電，經過低壓開關柜輸出給井場用電設備（主要為鉆機房或者變頻房）。

表1 主要西門子公司的設備清單

圖1 井場全貌

圖2 變頻電機與柴油發電機

變頻房由高壓房的低壓出線供600V 電源，進行無功補償和諧波抑制，給1200kW 的G150 供電驅動1100kW 的電機；本房體還有一臺1250kVar 的0.6kV/0.4kV 的變壓器，0.4kV 的電給原井場固控設備供電，同時，也為電機風機提供電源。

系統設置初期，曾經對司鉆房DCR 操作箱和變頻器的選擇分別做過2 個方案：

DCR 操作箱的兩個方案中一個有操作觸摸屏和操作按鈕；另一個方案沒有觸摸屏，只有操作按鈕和指示燈。最終考慮到現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控(解決了司鉆房空間小，無法安裝大體積設備問題，并且和原來的柴油發電機操作類似，因為柴油發電機也是本地操作)。

變頻器最初的方案為西門子的高性能多機傳動系統SINAMICS S120，考慮和現場設備是液力耦合后鏈條拖動，因此最終選用了SIEMENS 的更為經濟型的G150 系列變頻器。關于變頻器的選型，咨詢了西門子的專家，確認G150 在液力耦合、減速箱和傳動箱鏈接電機，并且G150 獨有的速度跟隨能力，可以在大的負載突加至傳動箱時，當負載側速度跟傳動箱有太大偏差時，瞬間降低自身輸出頻率，后逐步增加輸出電流和頻率，最終緩沖負載沖擊，實現穩定運行。

圖3 系統單線圖

圖4 變頻房內部

圖5 硬件配置圖

圖6 變頻電機銘牌

圖7 HMI 主界面

圖8 DCR 操作箱

3 IDS 系統完成的功能

ZJ70LDB 鉆機變頻控制系統主要是替代柴油機來為機械鉆機提供動力源。系統分別實現了單電機運行，雙電機并車運行以及柴油發電機和電機并車運行：

3.1 單電機運行

當設定界面中的控制模式設置為“純VFD 控制模式”時，此時，可以單獨分別運行兩臺電機來拖動鏈條箱。

單機運行的情況包括負載小的時候，只需要啟動一臺電機；或者是鏈條箱分開時，兩臺電機分別拖動絞車和泥漿泵。

單電機運行比較簡單，DCR 操作箱上的電機“ON/OFF”轉換開關和速度給定手輪，和電機一一對應，互不干涉。

3.2 雙電機并車運行

當設定界面中的控制模式設置為“純VFD 控制模式”時，此時，可以同時運行兩臺電機來拖動鏈條箱。并機模式下的兩臺電機控制和速度都通過電機2 來操作(電機2 運行/停止，手輪2 給定速度)，電機1 和手輪1 的控制不起作用。

雙電機并車是負載比較大的情況下運行。

雙電機并車控制和速度給定是同一個源，并且在PLC 中，對兩電機的速度反饋做了對比，根據差異對電機的速度給定進行微調。具體代碼如下：

并車模式雙電機運行時，除了對速度的一致性控制，對兩電機的扭矩也進行了比較，如果系統報警顯示扭矩/功率差過大，則需要檢查是否機械連接(摩擦離合器)有松動或滑動導致。

另外，在雙電機運行時，對VFD 參數r1401.11 設置為1，對Droop 功能使能。軟化從動電機的輸出力矩，來實現負載平衡，避免機械損傷和電氣故障。

3.3 柴油機和電機并車運行

當設定界面中的控制模式設置為“電油并車模式”時，此時，可以同時運行柴油發電機和電機來拖動鏈條箱。

柴油機和電機并車是在負載特殊或者有單臺電機故障，另一臺電機無法滿足當前鉆井作業時運行。

圖9 VFD 速度給定

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

在現場實際操作時，因為受到負載平衡限制，并系統沒有采集柴油發電機的速度，故很少采用此模式作業。

圖10 柴油發電機與電機并車控制界面

4 現場運行

系統從2019 年6 月9 日帶載以來，一直運行穩定。據統計，從2019 年6 月9 日～8 月25 日預計共用柴油425 噸，每噸柴油按4800 元算，共204 萬元；網電實際使用1220340 度電，每度按1.25 元算，共152.5425 萬元；不到三個月，預計節省費用為51 萬元。

5 應用體會

該系統使用變頻器拖動電機，完全實現了鏈條箱拖動速度可調，使得老式的機械鉆機也能實現鉆井作業的柔性控制。比其他同類的產品有明顯的節能、易操作的優勢。

SIEMENS PLC 和G150 通過Profibus 交互數據，實現監視控制目的。更能方便地集成到一個系統項目中。

AOP30 操作面板能實現基本的調試和參數設定，并能實時監控系統故障信息，使得項目實施快速高效。

SINAMICS G150 可靠的性能和質量，為系統的穩定運行提供了有力的保障。