變頻器在國內石油鉆機的應用
[摘 要]
文章介紹了變頻器在石油鉆機的應用。對鉆井工藝特點，控制方案，系統(tǒng)組成及注意事項做了簡要論述。
[關鍵詞]
石油鉆機 變頻器 系統(tǒng)
1 鉆井工藝簡介
鉆井過程分為起落井架，鉆進，泥漿循環(huán)，鉆具更換，下套管，測井等幾大工序。主要分為絞車，轉盤和泥漿泵等。絞車由滾筒、齒輪箱、離合器、制動器、電機和控制設備組成，用來起落井架，提升和下方鉆桿、套管。隨著井深的增加，鉆具越來越長，重量迅速加大，絞車的負載也越來越大。我國目前已有7000m深的油井，其鉆具近600t重。由于每轉進約9m就要提升下放鉆桿1次，因此絞車作業(yè)時間也隨著井深的增加而占整個作業(yè)時間的比例越來越大。為降低成本，希望在野外或海上的作業(yè)時間越短越好，這不僅要求絞車寧高速運行，平穩(wěn)起停，以保證不損壞鉆井設備并提高井的質量，還要求驅動設備具有良好的動態(tài)特性。如果在內線井區(qū)作業(yè)，電源可與井區(qū)電網相連，下放鉆桿時電機工作在發(fā)電狀態(tài)，能量可回饋電網，節(jié)能效果顯著。
轉盤和絞車可共用同一套驅動系統(tǒng)和電機，鉆桿加長后，驅動部分切換到轉盤，由轉盤帶動鉆具旋轉，實施鉆進作業(yè)，司鉆工通過調節(jié)轉盤轉速和壓力來改變鉆進速度。轉盤正常工作時為正轉，處理卡鉆時需反轉以收回鉆頭，為防止鉆桿正轉時折斷或反轉時脫扣，要求電機輸出轉矩平穩(wěn)，調節(jié)靈活且設定限幅值，同時電機的剎車部件也是必不可少的。
泥漿泵相當于整個鉆井設備的心臟，它所輸出的泥漿的作用類似于人體內的血液。泥漿從鉆桿內部自上而下注入，流過鉆頭后，再從鉆桿和井壁的縫隙自下而上流出，在這一過程中，泥漿協(xié)助鉆頭沖擊地殼，冷卻鉆頭，帶出碎屑，而更重要的是通過在泥漿中滲入重晶石粉等物質可保持井下一定的壓力，以避免井噴，象血液在人體內循環(huán)，運送營養(yǎng)，帶走廢物。泥漿泵的壓力和沖數分別與驅動電機的輸出轉矩和速度成正比。
絞車負載示意圖如圖1 所示。
2 系統(tǒng)配置
1998年我們?yōu)樾陆凸芾砭帚@井公司的可打3200m深度的一套鉆井設備配置了變頻器。所用產品為Siemens SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE71電壓源型變頻器柜。
動力系統(tǒng)由3×800kW柴油發(fā)電機組構成，3臺機組并網于3相，600V/50Hz交流母線。
傳動部分由3×6SE7141整流柜（3×800kW）供電給公共直流母排，4×6SE7135逆變柜（4×400kW）和2×6SE7136逆變柜（2×450kW）共6臺逆變柜接到直流母排上，每臺逆變柜各驅動1臺400kW的電機。4臺電機2臺1組共驅動2臺泥漿泵，另2臺電機為絞車和轉盤共用，詳見圖2 。
1）電源采用柴油發(fā)電機供電，要求有足夠的電壓穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度。柴油發(fā)電機的額定容量一般小于傳動裝置容量的5 ~ 10倍，屬于“小電網”供電，換相缺口大。SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE71變頻器可保持2 ~ 3s的主回路電壓等待時間，以克服柴油機瞬時掉電和換相缺口。
2）根據多電機傳動情況，采用了公共直流母排方案，這樣如果有1個傳動裝置工作于發(fā)電狀態(tài)，可通過中間回路進行能量交換，僅使用1個總制動電阻。
3）在直流母排上配備自振蕩二極管，以免1臺逆變器上的直流側熔斷器斷開或回饋能量時在母排上產生過電壓而影響其它逆變器。此外，逆變器內部軟件中還有Vdmax調節(jié)器以避免直流母排因過電壓跳閘。
4）同單臺變頻器傳動相比，安裝尺寸較小，因為網側元件，如熔斷器、接觸器、開關及網側進線電抗器等可以集中使用1次。并在機械結構上采取了適應現場惡劣環(huán)境的措施。
5）所選逆變器功率相同并可設置4套給定數組和電機數組，在故障時可方便地互相切換，互為備用。隨著絞車/轉盤的切換，可實現電流限幅和整套控制數據的自動轉換。
6）同一設備的2個變頻器之間采用光纖快速（11Mbit/s）通訊和雙速度環(huán)方案。在無編碼器反饋條件下安全得到有力保證，又使驅動1臺設備的2臺電機的負載電流靜態(tài)偏差小于1%，遠遠優(yōu)于鉆機國家標準規(guī)定的10%，控制方案詳見圖3 。
7）如鉆機可接入大電網，則可考慮經電能回饋電網，但要事先確認電網的穩(wěn)定性，以免逆變橋在電網波動時過流。
鉆機采用絞車，轉盤聯(lián)合驅動，泥漿泵獨立驅動的形式。鉆機主機通過二檔分動直角箱，將動力分成兩路，一路通過鏈條驅動滾筒工作；另一路驅動轉盤工作。泥漿泵組由交流電機通過皮帶傳動驅動泥漿泵工作。絞車由滾筒軸，絞車架，機械剎車，電磁渦流輔助剎車，鏈條箱，轉盤驅動軸，二檔直角分動箱，交流電動機，潤滑系統(tǒng)等組成。鉆井平臺上配有司鉆臺，所有控制都可在司鉆臺完成，并設有麥克風和故障警笛。
3 變頻器
6SE71變頻柜內部配備SIEMENS全數字工程型變頻器，整流部分采用晶閘管，逆變器采用了IGBT功率元件，直流母排上由電容作為儲能元件。變頻各項功能可隨軟件靈活設置，實現對同步或異步電機的控制，控制方式也包括V/f，有無測速機的磁場定向控制等。根據工藝要求，選用無速度傳感器的矢量控制方案，拖動異步電機，精度可達到0.1f轉差，速度響應時間20ms，轉矩響應時間可達到5ms，確保準確快速的調節(jié)，同時簡化系統(tǒng)，增加可靠性。
3.1 簡單工作機理
6SE71變頻柜采用的控制方案如圖4 所示。
勵磁電流Iu和轉矩電流Iw經過電流調節(jié)后，再完成電流—電壓變換、直角坐標/極坐標變換進入觸發(fā)裝置。具有矢量變換的電機模型功能塊主要由三相/二相變換器、矢量變化器、電機模型（電流模型和反電動勢模型）幾部分組成。電樞電流實際值和勵磁電流實際值由檢測出的三相電流經三相/二相變換后，再與觸發(fā)裝置模塊過來的轉子磁鏈的空間相位角q1一起通過矢量變換產生。公式如下
輸出電流
輸出轉矩 Mact=KIWyR
轉子磁鏈yR由電流模型或反電動勢模型計算得到。在頻率小于fs時采用電流模型法，反之為反電動勢模型法, fs在參數辨識時確定。電流模型是根據異步電機的定子電流求yR，但隨著磁通飽和或電機繞組溫度的變化，要對模型中的參數進行調整，才能保證運算精度，因此只在低速時采用。而反電動勢模型是從電機端電壓中減掉繞組的電阻壓降，再將電機的反電動勢積分得出yR，反電動勢在電機轉速為額定轉速的10%以下時運算不準，一般在速度提高后使用。變頻器在運行時可自動轉換，這也確保了矢量控制的精度。
轉速實際值由定子電壓和電流檢測值經電流模型和反電動勢模型計算得出。
電流模型計算出的滑差頻率fslip，與實際頻率fact組成同步頻率f，輸入觸發(fā)裝置。
3.2 PWM調制
6SE71變頻柜采用異步空間矢量調制。在一定的脈沖頻率下，通過此種方式可使電機的諧波電流減到最小，以減輕損耗和轉矩脈沖。在這種情況下IGBT通斷后電機三相繞組產生的電壓矢量在空間旋轉，通過調節(jié)“占空比”和相鄰矢量的值使電壓矢量的數值和電壓相角可調，這樣，輸出電壓可達到最大值的87%。
當要求90%以上輸出電壓時，則采用“邊緣調制”在60 時的方波波形上設置1個或幾個槽口以消除電流峰值。逆變器中IGBT的通斷狀態(tài)如表1所示，相應的電壓矢量圖如圖5 所示。
表1 逆變器中IGBT的通斷狀態(tài)表
開關狀態(tài)
L1
L2
L3
U1
+
-
-
U2
+
+
-
U3
-
+
-
U4
-
+
+
U5
-
-
+
U6
+
-
+
U7
+
+
+
U8
-
-
-
3.3 自檢測，自設定
由于全數字控制變頻器內部軟件可靈活配置，利用其本身的硬件設備，通過執(zhí)行固定的子程序使變頻器輸出各種電壓、電流信號，再對采樣數據計算處理可完成內部自動參數設置、靜態(tài)電機識別、空載試驗和調節(jié)器優(yōu)化，得出精度較高的電機參數。這是調速系統(tǒng)功能的一大擴充，既簡化了現場人員的工作，也為提高交流調速系統(tǒng)的性能提供有力保證。這些測試包括：接地測試可知所接電機（包括導線）是否有接地故障，以及逆變器中損壞的功率器件；還有脈沖測試，漏磁測試，空載測量以及根據負載特點完成的n/f調節(jié)器的優(yōu)化。
4 其它技術特點和注意事項
1）針對鉆井工藝特點，可利用變頻器內部功能完成負載限制和動態(tài)功率限制功能。由外部操作隨意調節(jié)電流限幅和柴油機的輸出功率報警值，切實保證柴油機安全。
2）編制變頻器內部軟件功能塊實現零位鎖定，確保打井過程中變頻器不因小故障而停機，杜絕因此類原因引起的卡鉆。
3）完成腳踏開關的快提鉆桿功能，并禁止其反向工作，縮短工作周期。
4）采用變頻器內部控制軟件實現允許兩臺電機并聯(lián)驅動絞車，而轉盤僅允許單臺電機驅動，避免轉矩過大扭斷鉆具。
5）電流環(huán)的前饋控制保證快速動態(tài)響應。
6）利用變頻器內部的自由功能塊可完成泥漿泵電機的斷帶保護。
7）操作面板可作為手持終端，每個面板可存儲8套參數。
8）控制線纜可采用總線方式，大大減小線纜數量，提高設備可靠性。
9）模塊化的結構，可采用水冷方式，適應更加惡劣的環(huán)境。
10）免費的SIMOVIS調試、故障診斷軟件，適合進一步通訊和自動化。
此外，Siemens公司還可提供以IGBT元件作為整流功率部分的變頻器，徹底實現無諧波，功率因數可控，并可在5%額定輸入電壓下輸出額定轉矩。還應注意以下幾點。
1）電氣柜內的元件應有足夠的強度，耐腐蝕，所有連接和緊固件應有防松措施。
2）井場使用的電纜應為耐熱，耐油，耐寒，柔軟且可承受較大機械外力的阻燃型電纜。電纜在防護性能較好的電纜橋架上，橋架應為可折疊式。電纜和對應的連接端應有牢固的標記，接頭做防護以免機械損傷和附著物引起接觸不良，并且要有良好的密封。
3）井場環(huán)境多屬“2”類危險區(qū)，司鉆臺和泥漿泵操作臺除了加熱去濕設備外還應做正壓防爆處理，密封性好，選用防銹材料。以上的設備均應有較高的防護等級。
5 結束語
在鉆機技術更新、改造過程中，采用先進的變頻器應是優(yōu)先考慮，頗具推廣價值的方案。在實際應用中，應充分使用變頻器軟件功能，大大簡化外部線路，提高了控制水平和對設備的保護，因其性價比高、工藝先進、穩(wěn)定可靠、維護簡單而獲得用戶的高度評價。它將大大推動我國石油機械的技術進步。
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