石油鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)功能優(yōu)化研究

楊冬波，畢明明

（1.渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司；2.長城鉆探工程有限公司鉆井二公司，遼寧 盤錦 124010）

石油鉆機(jī)是一種功率較大的聯(lián)合裝置，主要由機(jī)、電、液、氣等設(shè)備組成。它是當(dāng)前各地油、氣田開采實踐中的一種專業(yè)設(shè)備，自身要持續(xù)改進(jìn)發(fā)展，只有這樣，才能讓更好地滿足鉆井現(xiàn)場作業(yè)要求。縱觀鉆井電氣控制系統(tǒng)數(shù)十年的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀，可以把該系統(tǒng)細(xì)化成不同分系統(tǒng)，借此方式使電氣控制系統(tǒng)綜合性能的規(guī)劃設(shè)計與生產(chǎn)制造更加規(guī)范化，確保使用的安全性、可靠性。既往絞車、泥漿泵變頻傳動方案運(yùn)用油氣開采活動中均表現(xiàn)出不同程度的缺點，理應(yīng)參照現(xiàn)場實際情況有針對性的改善部分功能，以提升各機(jī)構(gòu)的工作效率，進(jìn)而為我國石油工業(yè)發(fā)展創(chuàng)造更多的機(jī)遇。

1 石油鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 柴油發(fā)電機(jī)組分系統(tǒng)

結(jié)合調(diào)查資料，目前國內(nèi)5000m及其以上的深井現(xiàn)場作業(yè)時通常運(yùn)用多臺機(jī)組進(jìn)行，單臺機(jī)組容量1750KVA左右，其主要為鉆機(jī)提供達(dá)到600VAC，3，50Hz或60Hz電力支持，IT系統(tǒng)是600V電力實現(xiàn)安全供電的重要基礎(chǔ)。柴油發(fā)電機(jī)組的功能主要集中在以下幾點：（1）實現(xiàn)獨立機(jī)組的發(fā)電管理控制，實質(zhì)上就是控制運(yùn)轉(zhuǎn)速度、電壓水平；（2）輔助不同功率、型號的機(jī)組達(dá)到并網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，確保負(fù)荷調(diào)配的均衡性；（3）保護(hù)性功能，主要體現(xiàn)在欠頻、欠壓、功率限制及過載等諸多方面；（4）接入、呈現(xiàn)與計量外部電網(wǎng)供電；（5）配置600VAC電力資源。

1.2 主傳動控制分系統(tǒng)

該分系統(tǒng)實質(zhì)上就是絞車、泥漿泵與轉(zhuǎn)盤等構(gòu)造組合而成的電控系統(tǒng)。目前，國內(nèi)投產(chǎn)的大多數(shù)鉆機(jī)運(yùn)用的是直流或交流變頻式電機(jī)，為了使結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計、后續(xù)運(yùn)行維護(hù)等工作順利推進(jìn)，同套裝置的設(shè)計制造均應(yīng)用了同類型的電機(jī)設(shè)施，所以從這個角度分析，主傳動控制類型也有兩種，即直流與交流變頻控制。大部分絞車內(nèi)部安裝了兩臺電動機(jī)實現(xiàn)協(xié)調(diào)驅(qū)動，電機(jī)設(shè)備被叫作DWA與DWB，以上電機(jī)產(chǎn)品均是兩臺變流設(shè)備驅(qū)動運(yùn)作。直流電機(jī)驅(qū)動能實現(xiàn)的功能有：各臺電機(jī)均存在兩套整流裝置調(diào)控；各電機(jī)均能單獨運(yùn)作，也能共同工作；DWA電機(jī)具備正、反轉(zhuǎn)功能；DWA運(yùn)行期間能具備快速減速的功能。

1.3 電機(jī)控制中心（MCC）分系統(tǒng)

這種分系統(tǒng)的電制有兩種類型，其一是400VAC，3φ，50Hz，其二則為480VAC，3φ，60Hz，前者多被用在中國，后者在歐美部分發(fā)達(dá)國家表現(xiàn)出良好效能。鉆機(jī)中MCC分系統(tǒng)隸屬于二級電源的范疇，通常是變壓器轉(zhuǎn)換而得的。部分企業(yè)生產(chǎn)中還加裝了微小型發(fā)電機(jī)，主要發(fā)揮備用功能。實際設(shè)計時，在斷路器設(shè)備的協(xié)助下兩組電源協(xié)同為MCC分系統(tǒng)提供電能，斷路器自身以互鎖形式發(fā)揮一定維護(hù)功能，借此方式杜絕發(fā)生兩組電源同時上網(wǎng)的情況。

1.4 司鉆操作分系統(tǒng)

這種分系統(tǒng)等同于鉆機(jī)的人機(jī)界面，被公認(rèn)為司鉆控制系統(tǒng)的一個主要構(gòu)成部分。無論是基于哪類傳動模式構(gòu)建的司鉆操作臺，其使用功能是一致的，即顯現(xiàn)設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀況，運(yùn)用調(diào)控司鉆的形式達(dá)到控制目標(biāo)，其本質(zhì)是發(fā)生與傳送各種信號。在科學(xué)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步的背景下，電動化鉆機(jī)產(chǎn)品陸續(xù)開發(fā)和投產(chǎn)，電氣系統(tǒng)運(yùn)作時能外供一個簡易式人機(jī)界面，實質(zhì)上就是司鉆控制分系統(tǒng)，即司鉆臺。

2 鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)的功能優(yōu)化

2.1 絞車的變頻傳動系統(tǒng)

2.1.1 傳動系統(tǒng)

當(dāng)前絞車的變頻性能不斷改進(jìn)，已由傳統(tǒng)直流轉(zhuǎn)變?yōu)樽冾l驅(qū)動，其特點主要有2個：一是傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)更具簡潔性；二是司鉆操控形式和人體工程學(xué)的設(shè)計理念更加契合。

2.1.2 比較變頻傳動與直流傳動絞車的性能

兩者在實際應(yīng)用性能方面還表現(xiàn)出一定的差異性，變頻傳動的起下鉆工況下工作周期相對延長方面，既往有資料記載，直流、變頻傳動方案的帶鉆桿下放時間平均約為25s、40s，以致單口井的生產(chǎn)周期被拉長。不考慮現(xiàn)場工況、機(jī)具設(shè)備操作工人技能水平的差異，可以初步得出以下結(jié)論：和直流傳動形式相比較，變頻傳動起鉆、下鉆周期分別超出了20s、10s左右，超出的時間主要來源于大鉤的下放過程。

2.1.3 優(yōu)化

與直流傳動相比，交流變頻傳動下作業(yè)周期有所延長這是設(shè)計方案內(nèi)固有情況，成因主要有以下2點，一是傳動機(jī)構(gòu)的差異性，二是絞車控制措施由一定差別，后者是直接原因。因為電機(jī)最大運(yùn)行速率時絞車下放速度明顯慢于其自由下放的最大速度，與直流傳動作對比，變頻傳動在下放工況中暴露出更明顯的缺點，因此，很多用戶對變頻傳動性能改進(jìn)方面提出較高的要求。

對于傳動機(jī)構(gòu)的差異性，當(dāng)前尚無有效措施進(jìn)行優(yōu)化處理，但可以對控制方法進(jìn)行再設(shè)計，借此方式縮短絞車設(shè)備的實際下放周期，增強(qiáng)其響應(yīng)性能，這樣其也會相應(yīng)縮短直流傳動之間的差距，設(shè)計內(nèi)容主要包括如下幾點：（1）將輔助型裝置加裝在變頻傳統(tǒng)方案中，以強(qiáng)化其減速性能；（2）整改絞車下放的管控能力，循序漸進(jìn)達(dá)到下放的自由化，無需電機(jī)進(jìn)行拖動。

不管是哪種類型的傳動系統(tǒng)，盤剎是絞車常用的主剎車設(shè)備，基于變頻器控制電機(jī)達(dá)到絞車的輔助剎車及減速，可以借鑒直流傳動下的絞車輔助剎車及減速實施方案，即運(yùn)用電磁渦流以及伊頓剎車形式。

關(guān)于絞車控制方式的優(yōu)化問題，用西門子變頻器與變頻電機(jī)完成，可以嘗試從如下2個方面做出調(diào)整：一是調(diào)整下放控制方法，在傳送出下放信號后，變頻器不處于調(diào)速輸出態(tài)，自身于輸出封鎖模式下運(yùn)轉(zhuǎn)，在這樣的工況下電機(jī)不受控制；二是整改下放至停止?fàn)顟B(tài)的管控辦法。常規(guī)設(shè)計中，如果下放指令值降到“0”時，絞車隨之制動且會以減速形式進(jìn)到“懸停”狀態(tài)。實施完善措施后，通過投用輔助剎車設(shè)備去實現(xiàn)減速功能，變頻器延時一段時間投用自身會快速步入“懸停”狀態(tài)。

2.2 泥漿泵的變頻傳動系統(tǒng)

2.2.1 變頻驅(qū)動系統(tǒng)的傳動性能的缺點

盡管泥漿泵的變頻傳動系統(tǒng)在性能上存在著一些缺點，但在規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)時，通常會把性價比作為一個重要的考察指標(biāo)，因此，泥漿泵的傳動設(shè)計方面也存在較大的完善空間。變頻器的造價在鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)總造價中占比約為2/3，而用于控制泥漿泵的變頻器在總變頻器容量的1/2以上。總之，變頻器的成本造價和容量大小之間存在著對應(yīng)關(guān)系，要著重考慮性價比，減小變頻器的容量是未來功能優(yōu)化設(shè)計的一個重要方向。

2.2.2 雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

雙饋電機(jī)調(diào)速自身為一種新型調(diào)速系統(tǒng)，運(yùn)行模式有直驅(qū)式和雙饋式兩種。第一種運(yùn)行模式最大的特點是電機(jī)定子短路，轉(zhuǎn)子和變頻器相連接；第二種模式中，電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子分別連接電源、變頻器。調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 雙饋電機(jī)的新型調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示

藍(lán)線范疇中是普通型的雙饋電機(jī)變流器，主要由交直交變換器、濾波電感與電容、K1與K2開關(guān)構(gòu)成，前三者分別用于調(diào)控供電、并網(wǎng)控制系統(tǒng)及交直交變換器，K1為交直交變換器提供電能，形成母線電壓，與K2開關(guān)的功能主要集中在調(diào)控拖動電機(jī)的定子并網(wǎng)上。

紅線范圍為使用功能改進(jìn)后構(gòu)造出的新電機(jī)變流器。其內(nèi)安裝了雙饋變流器、開關(guān)K3以及短路銅排。K2、K3開關(guān)均控制著變流器的運(yùn)轉(zhuǎn)行為，K2合攏，K3開關(guān)斷離時，變流器以雙饋模式運(yùn)轉(zhuǎn)；斷開K2，閉合K3時，變流器則處于直驅(qū)運(yùn)行模式下。

針對泥漿泵設(shè)備的運(yùn)行工況改善其控制方式，主要采用如下辦法。

（1）調(diào)整轉(zhuǎn)子移相控制的方位：轉(zhuǎn)子實質(zhì)上就是同步控制，把電源電壓形成的相位角作為基準(zhǔn)，精準(zhǔn)探尋到轉(zhuǎn)子線圈的空間方位角，借此方式降低定子并網(wǎng)環(huán)節(jié)的沖擊電流。從理論上講，以上過程應(yīng)在直驅(qū)模式進(jìn)到雙饋運(yùn)行移相控制之前，但鑒于移相控制會耗用較長時間，以致該模式切換環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)速下降較快，對母線電壓提出更高的要求，也不利于降低系統(tǒng)容量。因此，在直驅(qū)模型之前執(zhí)行移相控制過程，基本會對用戶使用效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

（2）整改由從直驅(qū)進(jìn)入雙饋模式的控制方法：執(zhí)行初設(shè)計方案時，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)速度在切換轉(zhuǎn)速nt1以上，直接封鎖處置機(jī)側(cè)脈沖。基于仿真分析過程發(fā)現(xiàn)，雖然轉(zhuǎn)子電流值在極短時間內(nèi)降到零（5ms左右），定子電流衰減過程平緩進(jìn)行，其時間常數(shù)約1.5s，這也是模型切換環(huán)節(jié)中轉(zhuǎn)速下降很多的主要原因，造成系統(tǒng)容量很難顯著下降。為了扭轉(zhuǎn)以上現(xiàn)象，運(yùn)用矢量控制法把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩電流分量迅速降到零（100ms左右），且要確保勵磁分量值恒定，只有這樣才能快速斷離開關(guān)K3。

3 鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合ZJ70/4500DB 鉆機(jī)電氣控制在使用功能方面提出的要求，對系統(tǒng)的各分系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

3.1 柴油發(fā)電機(jī)組

該分系統(tǒng)由4臺發(fā)電機(jī)組控制柜與1臺輔助型控制柜構(gòu)成，主要被用在柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電、并網(wǎng)運(yùn)行的控制領(lǐng)域，并為600VAC，3φ，50Hz交流母排輸送電能，600V基于IT系統(tǒng)實現(xiàn)接地。系統(tǒng)運(yùn)行期間能同時實現(xiàn)交、直流接地檢測、功率約束、變壓器供電等諸多功能。動力接口還具備為外系統(tǒng)電網(wǎng)供電的性能。

3.2 主傳動控制

該系統(tǒng)運(yùn)用SIEMENS公司生產(chǎn)的S120系列交流變頻調(diào)速裝置實現(xiàn)控制目標(biāo)。因為優(yōu)化整改了泥漿泵的控制辦法，用于調(diào)控泥漿泵電機(jī)的逆變器容量是原設(shè)計方案的50%左右。因此，整流單元的容量也降低，本項目方案運(yùn)用3臺整流單元把600VAC 交流電轉(zhuǎn)變成810VDC直流電，將其安全輸送到直流母排以上。隨后逆變單元轉(zhuǎn)換直流電，用于驅(qū)動絞車、泥漿泵電動機(jī)的運(yùn)作過程。既往有生產(chǎn)實踐證實，系統(tǒng)具備的拖動能力符合各設(shè)備的傳動需求。

3.3 MCC

MCC是GCS與GGD型低壓配電柜組合而成，功能主要集中在幫助發(fā)電機(jī)與主變壓器完成電力進(jìn)線，TN-C系統(tǒng)是其達(dá)到可靠接地的基礎(chǔ)，還能給灌區(qū)電機(jī)、照明及生活用電類設(shè)備供電。MCC分系統(tǒng)內(nèi)配備2臺斷路器，均帶有LI 固態(tài)跳閘保護(hù)設(shè)施，分別執(zhí)行主變壓器副邊、柴油發(fā)電機(jī)組的進(jìn)線控制管理任務(wù)。各臺柜體均能外供模數(shù)達(dá)到11的空間單元，高于200A或30KW配電單位要占用2模數(shù)的空間單元，一般要為其配備56路回路。

3.4 司鉆操作

該分系統(tǒng)為現(xiàn)場司鉆職業(yè)提供一個相對較穩(wěn)定的操作平臺，基于司鉆臺司鉆能穩(wěn)定操作絞車等設(shè)施。功能優(yōu)化后的司鉆操作分析同配備了狀態(tài)燈指示盤、儀表指示盤、開關(guān)及按鈕控制盤、1套Z 型增壓防爆裝置等。

3.5 自動化監(jiān)控（PLC）

西門子 PLC（S7-300）是該分系統(tǒng)的核心部分，實現(xiàn)對以上四個分系統(tǒng)狀態(tài)信號的采集、傳遞。以司鉆臺作為基礎(chǔ)精準(zhǔn)操控電控氣、電控機(jī)，具備監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)故障報警等功能。PLC是PLC分系統(tǒng)的核心構(gòu)成，基于一用一備的“冷備份”設(shè)計方案，借此方式將PLC故障給系統(tǒng)運(yùn)行效率帶來的影響降到最低。

4 結(jié)語

本文把石油鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)功能優(yōu)化作為論點，分別探究絞車與泥漿泵變頻傳動系統(tǒng)的性能優(yōu)化策略，并規(guī)劃設(shè)計了一個相對較完善的電氣控制系統(tǒng)方案，其宗旨在于提升鉆機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)的綜合性能，確保其現(xiàn)場使用的安全性與可靠性，其能顯著提升變頻傳統(tǒng)的電控性能，經(jīng)濟(jì)性較高，確保設(shè)備的性價比處于較高水平，具有良好的發(fā)展前景。