采用國產變頻器的ZJ90DB石油鉆機電傳動系統

安建鈞，李西方，2，張鵬飛，2，郭振東，李云龍，段繼國，解曉勇，張恒敬

（1．寶石電氣設備有限責任公司，北京 100192；2．寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；3．蘇州匯川技術有限公司，江蘇 蘇州 215000）

變頻調速在石油鉆機中廣泛應用，采用變頻調速的石油鉆機在滿足石油鉆井工藝要求方面具有控制性能好、維護簡單、配置靈活、節能降耗等優越性。目前國產化大功率高性能變頻器技術已經成熟，其核心技術均已掌握在國內領先的變頻器廠家。國產化變頻器亟待在石油鉆機中推廣應用，更需要在7000米以上深井鉆機中進行性能驗證。

1 國產化大功率MD880系列變頻器

MD880變頻器屬于高端變頻調速產品，分為單機傳動和多機傳動兩種拓撲形態，是一款定位于高端傳動應用、高性能調速及轉矩控制、高可靠性、靈活的系統集成能力、便捷的調試維護、高功率密度覆蓋的驅動產品。無論是模塊結構、功率密度、響應和精度，還是產品的適用范圍，均達到了國產化行業標準，已經大量應用于冶金、造紙、港機、起重設備、船舶、風電、礦山等行業。

在石油鉆機行業，MD880多傳動變頻器在海洋鉆機上得到了多年的應用。單傳動變頻器也大量使用于泥漿泵變頻控制房、機械鉆機電代油改造項目中，運行狀況較好，取得了國產化改造的較大效益。下面簡要說明一下MD880多傳動變頻器的產品特點。

（1）高度靈活的模塊化設計：軟件硬件模塊自由組合；自由編程；開放的數據流圖，靈活調試；擴展模塊靈活配置。如圖1所示。

圖1 可編程的數據流圖

（2）性能穩定可靠：現場故障快速處理；遠程實時診斷；總線軟件冗余設計；黑匣子故障記錄；故障等級自診斷。

（3）兼容的適配能力：兼容各類上位機；內置電機仿真模型；選配結構安裝支架；逆變器采用全電容結構。

（4）多傳動結構：公共直流母線方式，統一的進線結構與整流模塊；整流器、逆變器功能、功率可以方便地組合為功率并聯方式或者多機傳動模式；功率等級齊全、控制功能豐富、滿足絕大部分傳動控制場合使用；便捷、簡單的調試軟件，容易掌握；配置快速調試智能操作面板。

（5）變頻器標配輸入輸出電抗器，降低了網側諧波電流與電機端的諧波。

（6）標準的V／f控制模式、無編碼器矢量控制、有編碼器矢量控制功能。多機傳動控制功能、多環控制功能、多模塊并聯技術，能夠匹配多傳動方式。

（7）針對于直接接入電網項目，整流單元可以采用IGBT脈沖整流形式，電網側諧波指標滿足國家標準，功率因數接近于1。

（8）密閉金屬結構設計、光纖信號傳輸，解決了控制系統的抗干擾問題。

MD880變頻器在電機控制策略上使用矢量控制模式。結構上采用模塊化組合，尤其是整流模塊、逆變模塊均設計為標準化的三相模塊，可通過并聯模塊、并聯柜體等多種方式擴大功率、節省體積，比較適合于鉆機電控房內布置。

MD880另一個較大優勢是制動單元選用三相制動模塊，功率以持續功率標定，很適合于接近持續下放（100s左右）的絞車類負載。在轉盤或者頂驅等不需要持續制動的場合，也可選用單相制動單元降低成本。

2 ZJ90DB電控系統方案配置

ZJ90DB電傳動系統如圖3所示。動力系統為5臺柴油發電機組，單機額定功率1200kW，輔助柴油發電機組額定功率550kW，交流主動力為600V，MCC為400V。系統預留5000A網電接口柜，以2×2500A雙斷路器引入。

鉆機主電機配置：絞車2×1100kW，轉盤1×800kW，3臺2200hp泥漿泵均為2×900kW，自動送鉆為2×45kW。

變頻系統全部選用MD880系列多傳動變頻系統。進線柜2×3200A，整流柜2×3456kW，絞車逆變柜2×1400kW，轉盤變頻柜1×800kW，3臺2200hp泥漿泵變頻柜均為2×900kW，頂驅逆變柜為2×710kW柜體。絞車、轉盤、頂驅、自動送鉆的傳動采用有編碼器矢量控制，同時為轉盤設置了無編碼器矢量控制操作模式，泥漿泵傳動采用無編碼器矢量控制。

在公共直流母線上配置了2套三相制動單元模塊，其持續制動功率均為870kW，相應的制動電阻為800kW。

系統采用S7－1500 PLC和Profinet現場總線，VFDII設置一臺工控機并采用WINCC組織監控畫面，司鉆房設置3臺15＂MP377觸摸屏做顯示、操作、一體化儀表使用，取消了儀表廠家的獨立儀表顯示器。PLC與總線控制系統實時采集、監測、顯示全部電傳動系統的操作與運行數據。MCC系統中30kW以上電機配置了軟啟動器，設置了遠控、本柜控制、軟起、直起的組合功能。司鉆臺內分站配置了SM551位控模塊，游車高度編碼器為絕對位置型，可使編程簡單并有位置記憶功能。

采用三相制動單元，持續功率充足，運行可靠。為了實現節能，開發了能量回饋電路（節能柜），在直流母線上并聯了200kW節能模塊，設置在節能柜內。節能模塊輸出并接于主變壓器400V端。當有能量回饋時，節能模塊將直流母線上，由MCC回路即時吸收。節能模塊監視直流母線電壓與400V母線電壓，采用柔性算法，將絞車下放多余能量逆變至400V母線，保證400V母線不過壓。ZJ90DB電傳動系統的基本控制功能如下：

（1）采用矢量控制的絞車電機四象限運行、機械檔位監控、游車位置閉環的綜合防碰、脫檔防跌落功能（預留井口自動化設備集成操作控制接口）。

（2）恒鉆壓自動送鉆技術、恒泵壓送鉆技術、恒扭矩送鉆技術，可提供軟泵控制技術。

（3）PLC和Profinet雙總線控制，交換機技術、遠程診斷技術。

（4）頂驅控制集成，提高自動化程度及安全聯鎖保護，節約成本，減少運輸單元。

（5）一體化布局司鉆臺，一體化儀表系統，取消獨立儀表，提高系統集成度，信息共享，內嵌式連鎖保護功能。

（6）全數字化的柴油發電機組控制，柴油機運行與報警數據的通信讀取及顯示；發電機運行與報警數據的通信讀取及顯示，電控房集成一體化報警。

（7）所有主電機測溫及部分重要輔助設備監控。

（8）操作和鉆井參數實時顯示、電氣系統運行監控與顯示、故障顯示、報警與安全停車的齊備功能，為鉆井工藝創建一個數字化、信息化、智能化的管理平臺和友好的人機界面；人機界面的友好性：任何報警與故障，同時給出原因解釋及解決措施，使司鉆工與電氣工程師對設備問題及時了解清楚，不存在操作障礙。

（9）絞車四段速度控制，定義為四擋電氣檔位，與機械2擋檔位結合使用，司鉆工根據實際負載自主選擇檔位，操作簡單，同時設置有檔位選擇錯誤自動保護及掛擋、鎖檔反饋保護，保證了絞車安全運行，避免發生操作事故。不設置電氣檔位自動變檔，那樣容易使操作者誤以為速度失控。

（10）系統運行的節能要求：設置節能柜回收部分能量。系統設置了冷備份的雙PLC雙總線，對于現場用戶能夠起到備份支持功能。為了總線控制的穩定性，系統設計了許多抗干擾措施，保證系統抗干擾性能過關。

系統主網絡設計如圖2所示。

圖2 ZJ90DB電傳動系統的網絡控制結構

通過交換機將大量現場設備接入Profinet總線系統，各網絡設備不會互相影響，網絡斷線影響范圍縮小，提高了系統的可靠性。頂驅控制設置獨立CPU與主站CPU通信，提高了頂驅調試與運行的靈活性。

一體化儀表系統主要顯示監控以下參數：柴油機數據、發電機組數據、傳動系統數據、鉆臺儀表數據、罐區儀表數據、電氣設備運行狀況等。

在鉆臺區域設置一個儀表傳感器采集箱，進入司鉆房PLC分站；罐區設置一個儀表傳感器采集箱，直接進入VFDI房PLC分站。這樣減少了電纜路徑，安裝方便。

各個設備連鎖保護功能：例如絞車主電機與送鉆電機的運行連鎖、絞車運行對減速箱的狀態連鎖、絞車與頂驅運行連鎖、頂驅與泥漿泵運行連鎖、柴油機功率保護連鎖（包括突加負載）、柴油機發電機故障監控報警、電機參數監控保護、一體化儀表信息連鎖保護。

系統設置了遠程網絡接口，網絡條件下，可以在工廠連接現場設備，直接進入PLC程序進行監控，幫助用戶快速診斷故障。

根據以上思路，ZJ90DB設計布局為2個電控房，如圖3所示。

圖3 ZJ90DB電傳動系統房體布局圖

2臺整流柜布局于1號房，1號房給2號房只傳輸直流，不需要同時傳輸交流600V，簡化了主電源接線。1號房房端設置了5只聲光報警器，對應于5臺柴油發電機組，可以編程不同的聲音與顏色進行機組報警。

3 鉆機運行效果、國產化評價及整體設計的一些問題

該ZJ90DB鉆機已在現場開鉆運行半年以上，井深8764米。運行過程中電傳動系統情況良好，設備操控簡單，布局合理，尤其是絞車運行平穩，完全能夠滿足用戶的起下鉆速度和安全要求。系統開鉆以后獲得了用戶的好評。

具備鉆柱懸重條件后進行了節能柜的現場調試，采用步進算法，投入運行后，節能柜節能回饋平穩安全，投入運行不到四天即節電計量500kWh。鉆深至8229米，節能柜節電計量26686kWh。根據實際試驗，以后可以配置300kW節能柜。

在節能柜運行期間，減少了制動單元與制動電阻的投入時間和次數，減小了噪音和發熱量，又減少了制動電阻風機（4×4kW）的電耗，這部分沒有計入節能計量，預計其年節電量為10000kWh。

ZJ90DB陸地鉆機上使用MD880國產化變頻器，在國內是5000米以上鉆機的首次。隨后有90DB、70DB等7套項目，均采用MD880變頻器，陸續在鉆井現場開鉆，有的已經完成鉆井2口，電控系統均運行穩定。

MD880變頻器在控制上采用通用的矢量控制，控制技術指標與國際通用品牌一致。同時實現了多模塊并聯、多機同步、多環控制、網絡化控制等復雜功能，應用于高性能控制系統上不存在短版。結構上開發了模塊化結構模式，相比較大功率變頻器傳統結構具有明顯優勢，與ACS880模塊化結構類似。單個模塊最大功率達到了710kW，2×710kW模塊并機可裝于600mm（寬）×2200 mm（高）×600 mm（深）柜體內，可以實現單柜控制2×710kW雙電機，也可以并聯為1×1300kW單柜，驅動1×1300kW。最大可以做到10個逆變模塊的多模塊并聯。

國產化大功率變頻器目前只有微處理器芯片與大功率IGBT為進口產品，其控制模塊制造、器件選型、功率模塊均為自制。小功率變頻器采用了國產IGBT。

在ZJ90DB鉆機電控系統中，PLC及Profinet總線系統仍然使用了國外高端產品。國內公司已經有相關的PLC產品布局，很快將有國產系列化高端PLC及總線產品，我們會予以積極推進并早日應用于鉆機電控，實現高性能控制系統的徹底國產化。

根據長期的實踐與現場經驗及首次使用國產化大功率變頻器應用于90DB鉆機電控相同的情況，我們做了一些思考，供后續設計參考。

（1）鉆機整體設計的標準化、模塊化、系列化問題：目前國內鉆機及其電控系統的生產廠家較多，各自的產品差異較大。這給廠家的設計制造和用戶的使用、維護、組織備件都造成很大困難。執行強制性的行業標準使鉆機及其電控系統的設計制造達到標準化、模塊化、系列化，會對廠家與用戶極為有利。

（2）司鉆房設計的機電配合：司鉆房為電氣設備與線路的集中之地，要盡量減少或避免液路、氣路進入司鉆房。隨著司鉆操作自動化程度的要求越來越高，電氣系統的主導作用也越來越強，它將井口自動化工具全部集成，形成了司鉆集成操控系統。電控系統廠家在此具有天然的優勢，并負有優化設計的責任。

（3）鉆機整體設計對環境的適應性：無論是機械還是電氣設計，都要考慮防塵、防雨、防潮措施，考慮安裝拆卸與維護的方便性。現場維護有諸多不便因素，應考慮一定的冗余設計和可靠性驗證。環境因素要考慮溫度、濕度、海拔、塵土或沙漠地帶等等，真正做到適應相應的環境。對環境的適應性也包括對電磁環境的適應性，即系統抗干擾與電磁兼容。

（4）總線與網絡的方案及其兼容性問題：總線與網絡系統及軟件要選用主流產品并利于系統擴展與技術發展。要考慮與各種系統的接口功能，以低成本的方式采集大量非實時數據。

（5）技術發展的國產化推進問題：對于成熟的國產化設備或系統要大力推廣，同時兼顧技術發展問題，創造真正的國產化品牌。

（6）根據電控系統全部在線數據，采集盡量多的機電運行數據，開發新的計算模型，計算某些數據從而取代部分傳感器；預測系統運行狀態，及早發現故障并排除，實現系統智能化。

4 結論

ZJ70DB鉆機電傳動系統的現場運行情況表明，國產化大功率高性能變頻器完全滿足鉆機電傳動系統的需求，應用于石油鉆機上是成功的，國產化變頻器必將在其他行業中得到廣泛應用。