500KW／380V 国产大功率变频器在石油钻机上的应用

　　摘 要：针对国外变频器价格昂贵、调试周期和维修周期长等特点，我公司自主研发了可替代进口机的高性能钻机国产专用变频器。该变频器能够从零开始调速，当钻井卡钻时，能及时断开电动机，在低速提升时，能最大限度地发挥电动机的动力特性，提供 220% 的转矩输出。变频器易安装、调试 、 维护，性能稳定，在油田钻井变频领域填补了国内空白。

　　关键词： 钻机 变频器 传动系统 控制系统

　　Abstract: In consideration of the disadvantage of high price, long periods of debugging and maintenance of foreign inverters, a special inverter is developed for the high quality domestic drill rig, which can be used to replace the imported rigs. The inverter can start from zero to the modulate velocity, when low speed increases, power performance of the motor will be brought into full plays and 220% torque input is provided. The inverter is easy to be installed and debugged, repaired and with high stability ， has filled the domestic gaps in the field of well drilling frequency conversion of oil field.

　　Key words: Drill rig Inverter Actuating system Control system

　　1 引言

　　油田钻机是油井生产的最主要的设备之一，它的正常运转和工作效率直接关系到油井的经济建设和成井率 。 由于其钻井工艺的特殊性，对钻机电控设备要求特别苛刻，特别在变频器选用上非常谨慎，长期以来一直是国外产品的天下。由于国外变频器存在价格昂贵，调试周期长，维修周期长的特点，油田上因变频器故障得不到及时维修 , 造成质量事故的现象时有发生。在这种形式下，我公司针对钻机的特殊工况，自主研发了可替代进口机的钻机国产专用变频器。该变频器体积小，重量轻，便于安装、调试 、 维护 , 效率高，性能稳定。

　　变频驱动钻机较传统钻机有以下优点：节能，操作简单，无级调速，控制精度高，工作效率高。变频技术在油田钻机上的开发应用，不仅提高了钻机的水平，改善了钻机的操作性能，更重要的是加强了钻机的作业能力，提高了钻井效率和质量。

　　2 原油田钻机系统存在的问题

　　大庆市石油管理局井下钻井公司原有一套可打 3000m 深度的钻井设备。该设备控制系统主要包括三大部分：动力系统（由 2 × 500KW 柴油发电机组构成， 2 台机组并网于 3 相， 380V/50Hz 交流母线）；泥浆循环系统；钻井传动系统（包括 1 套 500KW 电机转盘和绞车驱动系统、 4 台 45KW 液压泵等）。现场设备图如下图 1 示。针对原控制系统存在工作效率低，操作复杂等诸多问题，我们配合大庆市石油管理局井下钻井公司对该油田钻机进行了变频改造。具体来说该控制系统存在以下问题：

　　（ 1 ） 司钻工只有通过不断更换五个档位，才能调节转盘转速和钻进压力，进而改变钻进速度，工作效率低。

　　（ 2） 每次 换档时 , 电动机要反复启停几次 ,在起动过程中会产生过大的启动电流， 对电网和其他设备造成冲击 ,常因 电动机启动电流大而引起发电机组电压下降，其他设备无法正常工作。

　　（ 3 ） 低速提升时 , 只有更换低档位才能达到低速控制要求 ,而 电动机在钻井过程中处于工频运行状态，浪费了大量的电能。

　　

　　图 1 现场设备图

　　3 技术改造方案

　　钻井传动系统是油田钻机系统中必备的组成部分，一旦传动系统不能运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失（如卡钻），还有可能威胁到现场生产人员的人身安全（如井喷），所以对传动系统要求具有极高的可靠性 。 我公司是国内最早研制变频器的公司之一，具有低压大功率变频器多年成功运行的生产经验，且性价比高。根据 “经济、高效、可靠”的原则， 大庆市石油管理局井下钻井公司选择了我公司生产的风光牌 JD - BP32 - 500Z （ 500KW/380V ）钻机专用 变频器，该 钻机专用 变频器配备了工业控制计算机作为上一级监控系统，液晶触摸操作，可对各种运行数据进行监控，具备完善的保护功能和定位监控系统，自动化程度高。

　　3 . 1 钻机专用 变频器系统组成框图

　　该系统组成框图如图 2 示。

　　

　　图 2钻机专用 变频器系统组成框图

　　K 万能断路器

　　C 交流接触器

　　M 绞车电机

　　3 . 2 钻机专用 变频器系统介绍

　　该系统包括四部分 ∶

　　1 ）进线开关柜

　　开关柜的主要功能是负责设备供电、变频器外围设备的过电流保护以及变频器控制电源的滤波。主要由万能断路器、交流接触器和控制电源的滤波组成。

　　2） 变频柜

　　变频器由两个交 - 直 - 交逆变单元组成，采用单元并联技术，增大了变频器容量；采用公共直流母排方案 ; 采用独特的吸收电路 （ 如图 3 所示 ） ，减小了 di/dt, 保护了功率模块，增大了安全系数。

　　因钻机工况的特殊性，当钻机遇到岩石等硬质层时，电流会在瞬间升高很大，产生对模块的直接冲击，长此工作之后，会造成模块应力的下降，为提高模块的使用寿命，采用了传感器取样和 IGBT 结压降保护相结合的双重保护，从而减少了特殊情况下对模块的极限冲击，即使输出相间直接短路 , 模块也能在 10us 内及时封锁输出 , 保护了变频器 , 提高了整机的安全性和可靠性。

　　

　　图 3 吸收电路图

　　U+ 正母线

　　U- 负母线

　　IGBT 功率模块

　　R 电阻

　　D 快恢复二极管

　　C 电容

　　3） 制动单元

　　该部分主要负责系统快速停机时，耗掉系统的惯性能量，内含刹车电阻和刹车控制系统，采用芯片自处理技术控制刹车界限 , 安全可靠。 因为钻具提升下放中，电动机有发电状态，造成变频器母线电压升高，对主电路器件安全造成威胁，所以需要外加能耗制动单元，将母线电压保持在安全范围以内。当母线电压高于设定值时，刹车控制芯片输出占空比随母线电压成线性变化的 PWM信号，这就使刹车比较平稳，传动系统没有冲击，延长了设备寿命。 刹车电路如图 4 示。

　　

　　图 4 刹车电路图

　　U+ 正母线

　　U- 负母线

　　IGBT 功率模块

　　R 刹车电阻

　　4） 远程系统

　　该部分主要实现变频系统的远控操作和监控以及提供对外部进行数据交换的接口。

　　3 . 3 系统主要控制功能

　　a ：电机启动 / 停止

　　b ：电机正转 / 反转

　　c ：变频系统复位

　　d ：频率调节

　　e : 多段速控制

　　f ：电机电流和转速显示

　　g ：变频器运行指示

　　h ：变频器故障指示

　　以上 8 点功能在工控机触摸屏上均能实现，同时能提供对外部设备进行数据交换的接口，留有 16 路数字输入接口， 10 路数字输出接口，同时留有一路 RS232 通讯接口。

　　3.4 变频系统主要技术指标

　　1 .） 额定功率 500KW

　　2 .） 额定输入电压 380VAC 3 相

　　3 .） 允许电压波动 ±20%

　　4 .） 额定输入频率 50Hz

　　5.）允许 频率波动 ±5%

　　6.） 额定输出电压 380VAC 3 相

　　7.） 额定输出频率 33 . 5Hz

　　8.） 额定输出电流 940A

　　9.）过载 能力 1 . 5 倍电流 1 分钟

　　10.） 短路保护 2 . 0 倍电流立即保护

　　11.）工作方式 连续

　　12.） 最高输出频率 50Hz

　　13.） 操作键盘 中文液晶触摸屏

　　14.）界面语言 简体中文

　　3.5 系统特殊性能

　　石油钻机专用变频器与一般变频器相比较，性能主要有以下不同点：

　　（ 1 ）变频器能够从 “零”开始调速，方便变速箱换档，从而避免挂换档时反复启停 电机的情况，即当变频器频率低于 2 Hz时，此时电机无扭矩，处于自由状态。

　　（ 2）当 钻井堵钻时，变频器能及时断开电机，保护动力设备，避免转矩过大扭断钻具，因此变频器设置了负载限制功能。

　　（ 3 ）在低速提升时，变频器能最大限度的发挥电动机的动力性能，提供 220% 转 矩 输出。

　　3 . 6 其它注意事项

　　（ 1）载波频率的选择

　　提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，可是载波频率提高，会使开关损耗增加，散热负担加重，所以选择时必须权衡利弊，本设备中载波频率选择为2kHz。

　　（ 2）低频补偿功能

　　在深层钻进中，因为负载较重，起钻时需要较大的力矩，低频往往提不动。设置低频补偿后，启动电压可设定，很好的解决了这一问题。

　　（ 3）控制信号的传输

　　在变频器功率特别大的情况下，强烈的电磁干扰很容易造成控制信号错乱。为了从根本上解决这个问题，我们用光纤来传输控制信号，并让非光纤部分尽量短，主电路引线电感尽量低，很好的解决了干扰问题。

　　4 变频器现场情况

　　（ 1）变频器结构紧凑，安装简单。

　　我山东新风光电子科技发展有限公司生产的 JD-BP32-500Z变频器所有部分装在配电柜内，不需要另外的电抗器、滤波器等设备装置。体积小，结构紧凑，安装简单，现场配线少，调试周期短，投入生产快。

　　（ 2）电机运行平稳，温升正常。

　　变频器拖动电机为大连天元电机有限公司生产的石油钻机专用电动机 YP2-355L-6BJ,电机运行平稳，启动时无冲击电流，无机械冲击，噪音较小。

　　（ 3）变频器运行稳定，性能可靠。

　　JD-BP32-500Z自投产运行以来，转速调节平滑，电压和电流稳定，变频器功率因数达0.95以上，效率高于98%，不逊于进口产品。

　　（ 4）操作界面简单，易于掌握。

　　变频器采用 WINDOWS界面，运行过程中，各种参数在界面上直接显示，也可以通过触摸屏进行操作,容易掌握。故障发生时，变频器进行保护，同时提供故障信息，便于设备的维护。

　　（ 5 ）应用举例：在取心井上的应用

　　取心井，顾名思义是把岩心从井下取出，目的为研究地质构造和原油分布层次。由我公司生产的风光牌 JD-BP32-500Z 变频器于 2004 年 6 月，在大庆市井下钻井大队 30102 队一口取心井安装调试。此井设计井深 2130m ，自 1542m 到 1605m 下限为取心段，共取心 8 筒，收获率均达 99% 以上。在正常打井时用二档，转盘转速 280rpm ，变频输出电流在 200 — 800A 之间。提升时频率为 7Hz 左右，最大提升电流不超过 1000A 。整个钻井过程中电流变化如下表：

　　

　　钻井过程中，减少了换档次数，减少了大的启动电流对电机的冲击，同时也减轻了司钻工的劳动强度，提高了整个井队的工作效率。且低频取心提升时，电机转速只有 120rpm 。

　　5 系统改造效果

　　系统变频运行，电机实现了软启动、软停车。钻机起停平稳，延长了电机的使用寿命，避免了电机烧毁等经济损失，减少了设备维修费用。系统具有过流、过压、欠压、短路、缺相、温升、失速等多种保护。本变频器良好的驱动性能，保护了钻井设备并提高钻井的质量，用户给予了很高的评价。经过近一年的生产运行表明，该变频器性能好，可靠性高，操作 方便，用户达到了 改造的 预期效果。

　　6 结束语

　　在钻机的更新改造中，就其控制系统方案而言，采用交流变频驱动，代表着钻机驱动技术的发展方向。而变频器具有的诸多优点可大大提高油田钻机的装备水平。我山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP32-500Z大功率变频器在油田钻机上的成功应用，为国产变频器又开辟出一个全新的市场，在油田钻井变频领域填补了国内空白。如今数十台钻机变频器已经投入运行，钻机变频器经受住了恶劣条件的考验， 运行效果良好，有着广阔的市场前景和发展潜力。

　　参考文献

　　[1]山东新风光电子使用手册[Z]. 山东新风光电子科技发展有限公司.

　　[2]山东新风光电子钻机专用变频器大庆石油钻机运行报告.

　　[3]山东新风光电子钻机专用变频器鉴定材料.

　　[4]徐卫龙 . 品质与服务，国产品牌成长的基石 .第四届变频器行业企业家论坛会论文集（2005年）.

　　作者简介：

　　刘德田（1981-），工程师，现在山东新风光电子科技发展有限公司从事变频器的调试和技术支持工作。

　　地 址：（272500）山东汶上广场路2号。

　　工作单位：山东新风光电子科技发展有限公司

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