鉆井平臺變頻驅動系統應用分析

朱躍

（中海油田服務股份有限公司裝備管理部，北京,101149）

0 引言

目前國內很多鉆井平臺仍然使用直流變頻驅動系統，此類變頻驅動占用空間較大，維修工作量大。而采用交流變頻控制體積小，便于安裝調試、降低鉆井平臺的載荷、降低設備維修成本和平臺員工的勞動強度，易于實現過程的自動化，且啟動電流低，對系統電網的沖擊小。較大程度上提高鉆井作業的可靠性和安全性。本文通過介紹鉆井平臺交流變頻驅動系統來分析變頻系統在鉆井平臺上的應用。

1 概述

1.1 平臺變頻驅動設備操作特點

鉆井平臺上可以使用交流變頻驅動系統的設備包括：鉆井絞車、頂驅、泥漿泵等大型裝備。鉆井絞車、頂驅等主要用于起下鉆具、防噴器等，屬于重載負荷，在選擇變頻器類型時應關注其低頻高扭矩特性，以實現對扭矩精確控制。且鉆井絞車在下放和快速降速和應急停止時都會產生再生電動勢，因此需要考慮處理再生能量問題。

1.2 平臺供電系統

鉆井變頻系統采用交流變頻驅動，主動力取自鉆井平臺主配電系統11KV/3PH/60HZ中壓母排，經過一臺4500KVA-11KV/0.69KV變壓器直接供給變頻驅動系統，為鉆井絞車電機、頂驅電機、泥漿泵電機提供動力。系統圖詳見圖1。

圖1 鉆井平臺鉆井變頻驅動系統圖

1.3 變頻器的選型和配置

鉆井平臺鉆井變頻系統采用西門子（SIEMENS）SINMICS S120系列變頻器，整個變頻系統分為3段，每段都由兩個整流單元把交流電源變成直流輸送到直流母排，每個設備單獨配備逆變柜給負載供電。整個系統采用了“公共直流母線”的技術，不但減少了整流單元的數量、降低了成本、節省了設備布置的空間，而且這種配置可以提高電能利用率，減少諧波。

表1 變頻驅動電機主要技術參數

2 鉆井平臺交流變頻控制系統的組成

鉆井平臺交流變頻控制系統是結合了PLC控制技術與變頻驅動技術的一個綜合系統，整個控制系統包含全數字矢量控制交流變頻器、PLC綜合控制柜（含觸摸式工控機）、泥漿泵本地操作柜、光纖通訊控制柜。

鉆井平臺交流變頻控制系統以PLC作為控制核心，現場各類傳感器采集數據后傳輸到控制箱，通過現場總線與PLC進行通訊，完成系統控制、數據采集、數據處理、實現對整個控制系統的保護、故障檢測、顯示與警報。采用現場總線技術作為控制系統的通訊網絡，減少了硬接線，提高了系統的靈活性。在VFD（變頻器）間安裝一臺工控機，實現對各部分的運行狀態的實時監控并對系統故障結合報警信息進行故障診斷。

鉆井平臺鉆井變頻系統采用水冷方式冷卻，頂驅變頻控制系統有一個備用的逆變柜MP1B，當主逆變器發生故障時，能夠切換到備用逆變柜進行工作。

3 配套設備設施

3.1 能耗制動電阻

鉆井絞車運行時由于游車及鉆具的慣性大，在減速、下降及應急停車的過程中會產生再生電動勢，沖擊直流母排使得母排電壓升高，對變頻柜內元器件造成損壞，因此需要對這部分能量進行處理。可以在變頻控制系統中通過串聯能耗制動電阻來將這部分能量消耗掉，通過在直流母線上增加制動單元和制動電阻來實現這一目的。制動單元通過傳感器實時監測變頻器回路的電壓，當電壓超過設定的閾值，制動單元以斬波的方式控制制動電阻接入直流回路中，通過制動電阻消耗掉能量，以達到鉆井絞車制動和降低母排直流電壓的目的。制動電阻一般會統一安裝在專用的制動電阻箱內，通過溫控方式并帶有信號輸出，溫度控制信號可傳輸到工控機上顯示。制動電阻在鉆井平臺上通常通過水冷方式進行冷卻。

圖2 鉆井平臺鉆井變頻控制系統網絡圖

3.2 直流母排接地檢測

鉆井平臺平臺鉆井變頻系統在直流母排上安裝了一個檢測直流母排絕緣狀況的檢測儀，當母排出現絕緣低的情況時會發出報警到HMI。該檢測儀可以設定2個報警值（H/HH），維修人員根據需要進行設定。

4 變頻系統的應用

4.1 鉆井絞車變頻控制

鉆井平臺的絞車一般由4-5臺電機共同驅動，經絞車齒輪箱減速后驅動絞車滾筒。絞車變頻器與電機為一一對應的配置關系, 鉆機在任何作業工況下, 絞車都能保持足夠的功率冗余量可以提供最大的提升功率。且在變頻器運行時，鉆井絞車具備在任意位置懸停的功能。

鉆井絞車的變頻器通常采用帶速度傳感器的矢量控制方案，能夠保證低頻時能產生高的啟動扭矩且能夠改善啟動及低速時扭矩的動態響應。PLC通過采集絞車主電機的運行數據和絞車滾筒轉數的信號，判斷游車的起下鉆工況，來計算出游車的速度和位置，并通過控制信號使絞車電機以給定的速度來驅動滾筒轉動。通過絞車速度的閉環控制和游車位置的數字閉環控制，二者有機結合，從而大幅提高了鉆井時效。

4.2 頂驅變頻控制

頂驅在鉆進時，PLC通過采集電機的電流、頻率、電壓等參數，計算電機扭矩，通過對電機運行參數的控制，將扭矩值控制在設定的閾值范圍內；當扭矩值超過設定值時，PLC發出指令關停電機，來實現電機扭矩保護。頂驅變頻系統可提供持續扭矩62250ft-lbs或上卸扣扭矩100000ft-lbs。頂驅轉速通過轉動司鉆椅上的轉輪進行調節，根據需要在操作椅界面選擇正轉和反轉。

4.3 泥漿泵變頻控制

平臺的泥漿泵一般由2臺變頻電機共同驅動，其轉速的控制是由司鉆房的司鉆控制椅或泥漿泵房本地的本地控制箱進行速度的給定。除了遙控的控制，泥漿泵本地的啟動、停止、調速等控制還可以通過泥漿泵房的本地控制箱來實現。

4.4 系統保護功能以及報警功能

鉆井平臺的交流變頻系統一般配有浪涌抑制、過流、過壓、過載、輸出電流限制、輸出功率限制以及自動診斷等安全保護功能。在發生故障時直接切斷設備輸出，最大程度上保護設備安全。PLC內部設定報警值，當有故障時，VFD房的HMI會有報警聲光顯示，對報警時間、故障位置、故障種類及常規故障解決故障方法給出提示。當故障恢復后，可在VFD房的HMI上對報警進行復位。

5 交流變頻系統優缺點

通過在海洋鉆井平臺上的作業實踐證明，平臺鉆機采用交流變頻驅動技術具備以下優點：

①交流電動機的工作效率較高，通常可達97%,而直流電動機功率在500-800千瓦的范圍時其工作效率最高只能達到95%。

②維護保養簡單、方便、工作量小。

③交流電動機符合設備本質安全的配置，由于電機本身沒有電刷, 因此在電機工作時不會產生火花,對于鉆探天然氣井及對防爆要求較高的探井來說,是非常安全的。

④交流變頻驅動具備鉆機零轉速時全扭矩的能力,雖然交流電機的主軸處于不轉動的狀態,但是仍然可以輸出全扭矩,這對于特殊的鉆井作業，如短起、倒劃眼、井下取芯等作業來講是能保證本質安全的,防止發生井下事故。

⑤交流變頻電機可靠性好、使用壽命長；且電機體積小、重量輕、占用空間少，且能適應海上鉆井環境的苛刻要求。

⑥交流變頻驅動技術不會出現諧波畸變的現象,因此對于海上鉆井平臺要求鉆機工作的轉速和輸出扭矩連續且穩定比較匹配。

⑦允許作業人員在全操作范圍精確地控制鉆桿的轉速和扭矩。

⑧交流變頻驅動可以精確調節工作轉速和輸出扭矩。

⑨交流變頻驅動系統的使用范圍較寬,可以實現在電動機正轉和反轉兩個方向的工作轉速0-100%，的精確和連續調節。

當然，交流變頻驅動系統也有缺點，主要表現在對使用環境要求較為嚴格，環境溫度在0-40℃，最好能夠控制在25℃左右，濕度不超過95%，且無凝結或水霧，室內要長期保持干燥狀態。

其次，交流變頻系統造價較高，且技術要求高。

6 結束語

鉆井平臺通過采用交流變頻驅動系統，可以大幅提高了平臺設備的自動化和智能化控制水平，減輕設備維保工作量，提高工作實效，具有廣泛的應用價值。