石油钻机的变频改造技术分析

发布时间：2009-09-25 来源:www.cechina.cn

        引言：随着现代电力电子技术及微电子技术的飞速发展，变频器作为一种现代工业革命的产物，已越来越多地应用到工业生产的各个领域。从低压到高压，从普通到特殊，变频器在调速和节能等方面都发挥着无可替代的作用，并正在逐步地向纵深拓展。现在我们应大庆油田石油管理局井下作业分公司的要求，对其钻井设备—石油钻机又进行了变频改造，并收到了较好的效果。
        一、石油钻机的系统简介
        石油钻机是油田生产的关键设备之一，随着生产效率的不断提高，对钻井系统的要求也越来越高。钻井过程中钻杆需要频繁的提放，由于钻具重，要求提放要稳，到位准确，这是对钻机控制系统的总体要求。
        现场的动力系统是有两台 500KW 的发电机组并网发电，供一台钻机及其他几台 37KW 的电机使用，用来驱动钻井用钻盘和提放钻杆及起放井架的绞车。打井深度为 3000m （称 30 钻机）。所配置的电机，型号为 Y423-6-500BPR ，其主要参数如下表：

        其工作过程为变频电机通过变速箱和转盘同滚筒相连接，来驱动转盘和绞车，采用气动离合器，以保证可靠性和安全性。且绞车刹车系统为盘式刹车，减少了原系统带来的不稳定性。并且整套系统配有紧急制动刹车，紧急情况下使用增强了安全性和可靠性。
        二、变频器的配置情况
        根据现场的特殊情况，我们选用了本公司生产的 JD-BP32-500 型 500KW/380V 的变频器。
        其基本的参数为：
        输入：三相， 380V ， 50HZ
        输出：三相， 0-380V ， 0-50HZ
        频率范围： 0-50HZ
        最高频率： 33.5—50HZ 任意设定
        基本频率： 0—33.5HZ 之间任意设定
        启动频率 : 0—5HZ
        转矩提升：根据负载转矩调整到最佳
        根据现场的特殊要求，经常用在低频 2—5HZ ，并且提升量大，所以变频器在额定频率 0—33.5HZ 采用恒转矩输出， 33.5HZ 以上采用恒功率输出。为适应大功率输出，以及负载根据地质情况的频繁波动，并且电流变化大，而且有频繁的周期性波动，以及现场安装空间的限制，使变频器体积尽量的小。我们采用两单元并联输出，每个单元四个功率模块直接并联的特殊结构，模块并联中产生的均流问题，我们采用均流电抗和强制均流两种方式，使每个模块都能正常工作。由于变频器输出电流大（接近 2KA ），为防止强电流磁场造成的干扰，传输信号采用光纤通讯，并且控制电路也增加相应的抗干扰措施，从而增加了变频器工作的安全性，收到了较好的效果。
        由于在工作过程中负载波动频繁，电流变化大，电机有时处于发电状态，为处理好这部分能量，保证变频器的安全，增加了能耗制动单元。这类负载周期性变化大，我们采用较大余量的功率器件，主电路采用电流传感器取样及 IGBT 结压降保护和负载过流保护三级措施，来确保变频器及电机能够长期的无故障运行。其主回路电路如图示：

        图一、变频器主电路原理图

        图二、制动单元图

        三、应用效果
        经过两个月的试运行，该系统呈现出明显的效果：
        1、没有使用变频器前，起放井架是在工频 50HZ 通过变速箱直接加上负载，速度不易控制，井架自身约为 40 吨，大的钻机还要重，起放很不平稳，冲击大，不易于控制。安放二成平台时十分烦琐，费时、费力。使用变频器后可以在低频 2—5HZ 启动，速度慢，很容易操作控制起放位置，并且低频起重量大，安全可靠。
        2、打井时原来就有四个档位，没有其他速度选择。工频 50HZ 时，合转盘离合，这样对钻杆及电机、变速箱都有很大的机械冲击。特别是在打到岩层时，地下的地质情况复杂多变，负载有时轻，有时重，这样使得发电机要丢频丢压，转盘转速时快时慢。在打定向井时就会偏离设计倾斜度。使用变频后，转盘转速在设定范围内连续可调，减少了频繁换档，根据地形可以灵活掌握其速度，转盘带动转杆时可以零频启动，对转盘的扭力就大大减少了，变频器还采用了较大的储能元件，以保证复杂多变的地质情况下负载的变化。
        3、随着大量的石油开采，钻井深度越来越深，这样的情况下每 9 米就要提放一次转具，频凡的提升和下放，提升的重量越来越重原来提升要频繁的换档，才能适应越来越重的钻具，由于 提升速度不可控制，井卡钻具时对其冲击很大，有可能把钻杆拉断，造成事故。使用变频器可以低速提升，并且提重量大，对于钻具冲击力小，易于控制提放位置、速度，适于频繁的提放钻具。
        4、使用变频器后对于整个系统的的机械损耗也减少了，原来经常损坏的变速箱及刹车系统能够减少维修次数，减少大量的维修费用。在钻井情况下电机可以处于停止状态，而原来在工频运行时直接启动电机，启动电流大容易损坏发电机，运行后电机一直在运行状态，耗费大量能源。而变频器可以实现连续软启动，启动电流小，对发电机组没有冲击，原来每天用油 3 吨以上，而现在用油在 2 吨左右，所以也大大节约了能源。并且我们还配有电力变压器一套，以便有条件时直接接入高压网电运行。
        四、结语 
        石油钻机采用变频控制，是新兴的变频高科技技术在油田上的又一次成功应用。通过这一实践，证明了变频器的应用是十分广泛的。我们应该抓住这一机遇，努力完善这一类产品的工艺及性能，使之更能适应现场的要求，为变频器更新领域的拓展付出更大的努力。
        参考文献：
        1、高成海 变频器在石油钻机的应用及分析 变频器世界 2005、3
        2、王鹏飞 变频器的谐波干扰及防止对策 变频器世界 2005、4
        作者简介：
        吴海涛（ 1976- ） 男 工程师 1996 毕业于曲阜大学，现在山东新风光电子有限公司从事变频器的研发工作。