國(guó)產(chǎn)化變頻電控系統(tǒng)在中海油旅大10-1平臺(tái)修井機(jī)的應(yīng)用

一、工程描述 1、項(xiàng)目背景 修井機(jī)可根據(jù)要求在海洋平臺(tái)上的每一口井中進(jìn)行側(cè)鉆井，完成側(cè)鉆井井口裝置的安裝，還可完成油氣井小修、檢泵、打撈、修套、封堵等作業(yè)。修井機(jī)主要由司鉆臺(tái)、絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、游吊系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、井架等組成。

旅大10-1（后稱LD10-1）為我司在渤海區(qū)域的一個(gè)井口平臺(tái)，位于渤海距離綏中碼頭70海里左右的海域?，F(xiàn)新增一四腿井口平臺(tái)旅大10-1 WHPC平臺(tái)，外掛在原旅大10-1WHPA平臺(tái)南側(cè)，設(shè)有井口、修井機(jī)，井槽排列為4×6。

WHPA平臺(tái)現(xiàn)有一個(gè)柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的絞車、泥漿泵修井機(jī)系統(tǒng)，由于噪音大、速度控制不靈活、方向切換過程復(fù)雜、設(shè)備操作難度大、系統(tǒng)損耗大等原因；在WHPC平臺(tái)新配置一臺(tái)修井機(jī)，兼顧2個(gè)平臺(tái)的鉆修井作業(yè)，我們?cè)谕鈷霤平臺(tái)上修井機(jī)系統(tǒng)時(shí)，選擇了交流矢量變頻器驅(qū)動(dòng)的絞車、泥漿泵系統(tǒng)。

由于海洋鉆/修井平臺(tái)環(huán)境惡劣，可靠性要求高，一直以來(lái)，只選用國(guó)外ABB、西門子兩個(gè)品牌的變頻器產(chǎn)品。隨著近年國(guó)產(chǎn)品牌變頻器技術(shù)的迅速提升，我司已經(jīng)掌握了相應(yīng)的技術(shù)能力。

通過我司與客戶的緊密配合，專門定制了針對(duì)海洋鉆/修井平臺(tái)環(huán)境的變頻驅(qū)動(dòng)修井機(jī)電控系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)簡(jiǎn)介 LD10-1海洋平臺(tái)修井機(jī)系統(tǒng)采用我司HE300工程型變頻器傳動(dòng)方案。變頻系統(tǒng)電壓等級(jí)為690V，由2臺(tái)1250A進(jìn)線柜，2臺(tái)1200kW基本整流柜經(jīng)整流后組成共直流母線架構(gòu)，逆變側(cè)配置2臺(tái)1000KW逆變柜分別驅(qū)動(dòng)絞車/轉(zhuǎn)盤和泥漿泵，其中絞車/轉(zhuǎn)盤電機(jī)額定功率800kW/600V，泥漿泵電機(jī)600kW/600V。為了實(shí)現(xiàn)絞車的快速啟停，配置了1200kW的內(nèi)置制動(dòng)單元。整套驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)通過Profibus-DP總線連接HE300工程型變頻器、西門子S7-300 PLC以及司鉆臺(tái)等設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)了絞車對(duì)鉆桿的提升、下放作業(yè)，泥漿泵對(duì)泥漿的循環(huán)作業(yè)。下圖是修井機(jī)系統(tǒng)控制框圖。 圖1-1 修井機(jī)系統(tǒng)框圖

二、產(chǎn)品選型與配線 1、產(chǎn)品選型 依據(jù)LD10-1海洋平臺(tái)修井機(jī)的電壓等級(jí)、電機(jī)功率并結(jié)合實(shí)際工況，作如下選型：

2、電氣接線圖 以下接線圖中主要包含主回路、輔助電源回路、制動(dòng)單元回路、編碼器的接線方式。

圖2-1 變頻器電氣接線圖

三、現(xiàn)場(chǎng)使用情況

1、現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)與人機(jī)界面交互監(jiān)視與顯示 綜合控制柜中的西門子工業(yè)計(jì)算機(jī)掛接到SIEMENS-300-PLC 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與PLC 主站的數(shù)據(jù)通訊。變頻器通過現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP 協(xié)議與PLC 監(jiān)控軟件通信，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備的狀態(tài)和主要參數(shù)的監(jiān)控；主要鉆井參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)LD10-1 油田綜合調(diào)整修井機(jī)服務(wù)項(xiàng)目的保護(hù)、故障檢測(cè)與報(bào)警顯示；實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)故障記錄、系統(tǒng)故障自診斷、變量記錄，實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析及打印，數(shù)據(jù)瀏覽查詢與打?。辉谙嚓P(guān)畫面上通過選擇數(shù)據(jù)庫(kù)按鈕，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的瀏覽與打印。 鉆/修井機(jī)電控系統(tǒng)由人機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件、控制程序軟件、變頻程序軟件組成。人機(jī)界面操作簡(jiǎn)單，工藝流程全過程監(jiān)視、顯示實(shí)時(shí)信息、歷史趨勢(shì)畫面等等。 自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成由綜合控制柜中的PLC S7-315 作為主站，司鉆控制臺(tái)內(nèi)安裝的ET200M、觸摸屏、司泵控制臺(tái)內(nèi)的ET200M、絞車變頻器、自動(dòng)送鉆變頻器、轉(zhuǎn)盤變頻器、泥漿泵變頻器等作為從站，司鉆控制臺(tái)中安裝的觸摸屏、綜合控制柜面板上安裝的PC 機(jī)通過各自的DP 接口連接到Profibus—DP 總線上，實(shí)現(xiàn)鉆/修井機(jī)電控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄、故障自診斷、故障報(bào)警等功能。 LD10-1 油田綜合調(diào)整修井機(jī)服務(wù)項(xiàng)目在正常工作時(shí)，司鉆可以通過司鉆控制臺(tái)上的觸摸屏監(jiān)控與鉆井工作/工序狀態(tài)相關(guān)的鉆井參數(shù)和相關(guān)鉆井設(shè)備的主要運(yùn)行參數(shù)，并可以實(shí)現(xiàn)鉆壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤扭矩限幅等參數(shù)和功能的設(shè)定。 圖3-1 數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面

變頻器配置有液晶操作器SOP-30，SOP-30通過CANLINK總線與變頻器實(shí)時(shí)通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)運(yùn)行參數(shù)，并方便切換參數(shù)；同時(shí)SOP-30友好詳細(xì)的中文注釋，使得用戶可以在無(wú)說明書的情況下進(jìn)行監(jiān)控參數(shù)更改、控制變頻器、進(jìn)行故障分析等。

圖3-2 變頻器液晶操作器

2、絞車驅(qū)動(dòng)電制動(dòng)及與泥漿泵驅(qū)動(dòng)共直流母線 制動(dòng)單元具有電子檢測(cè)和控制回路，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)絞車變頻器直流回路的電壓，在下鉆作業(yè)中，游動(dòng)系統(tǒng)通過滾筒拖動(dòng)絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，電機(jī)在矢量控制變頻器的作用下處于“發(fā)電”工況，當(dāng)變頻器直流回路的電壓超過閾值后，制動(dòng)單元以斬波的方式控制外部的制動(dòng)電阻接入變頻器直流回路，并以能耗制動(dòng)的方式將能量消耗在制動(dòng)電阻上，這種能耗制動(dòng)單元加外部制動(dòng)電阻的制動(dòng)方案稱為電制動(dòng)，保證了絞車在最大鉤載下放時(shí)的制動(dòng)特性，彌補(bǔ)了液壓盤式剎車的不足，提高了操作的安全性和可靠性。而且絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能耗制動(dòng)具有與液壓盤式剎車的連鎖控制功能。

泥漿泵變頻器和絞車變頻器共直流母線的多傳方案，在絞車“發(fā)電”工況下，可以為共母線的泥漿泵變頻器提供能量，降低了系統(tǒng)的損耗，減少了前級(jí)柴油發(fā)電機(jī)的油耗，提高了電能的利用率。

3、轉(zhuǎn)盤的無(wú)級(jí)調(diào)速及正、反轉(zhuǎn)切換 轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)0～額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，根據(jù)鉆井工藝實(shí)際工況的需要（井深、泥漿性能、鉆頭類型、鉆頭直徑、地層巖性、鉆進(jìn)或地質(zhì)需要等）設(shè)定轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，可有效地提高鉆進(jìn)速度，提高鉆井時(shí)效，降低鉆井成本。

司鉆控制臺(tái)設(shè)置有一轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向指配開關(guān)，根據(jù)鉆井工藝和鉆井工況需要，把轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向開關(guān)設(shè)置為“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”（轉(zhuǎn)盤反轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)置有反轉(zhuǎn)口令和確認(rèn)按鈕，以免誤操作而造成鉆井事故）。根據(jù)實(shí)際情況順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，再通過手輪設(shè)定扭矩限幅，給定當(dāng)前的工作所需扭矩限定值，然后旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速給定手輪，就可以控制轉(zhuǎn)盤按選擇的旋轉(zhuǎn)方向和給定轉(zhuǎn)動(dòng)速度運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速給定手輪旋轉(zhuǎn)的角度越大，則轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速越高，根據(jù)鉆井工況的需要，司鉆可以隨時(shí)改變轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。

采用閉環(huán)矢量變頻驅(qū)動(dòng)方案就能完美的實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和快速正反轉(zhuǎn)切換。這也是直接柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)方案不可避免的缺點(diǎn)。

4、轉(zhuǎn)盤的扭矩限幅功能 轉(zhuǎn)盤變頻器的扭矩限幅功能可以在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出扭矩的0-100%之間任意調(diào)節(jié)設(shè)定。鉆進(jìn)時(shí)，通過PLC采集變頻器（轉(zhuǎn)盤和絞車共用變頻器通過機(jī)械掛檔切換）的電壓、電流、頻率及實(shí)際轉(zhuǎn)矩并在觸摸屏上進(jìn)行顯示。正常鉆井作業(yè)時(shí)，轉(zhuǎn)盤輸出扭矩動(dòng)態(tài)工作在扭矩限幅設(shè)定的范圍內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)井下異常情況、轉(zhuǎn)盤扭矩超過扭矩限幅設(shè)定值時(shí)，變頻器維持扭矩限幅設(shè)定值，超過設(shè)定時(shí)間時(shí)，變頻器報(bào)故障、停機(jī)，并與轉(zhuǎn)盤慣性剎車聯(lián)鎖動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤扭矩限幅保護(hù)，避免發(fā)生鉆具事故。鉆井工作過程中，司鉆可根據(jù)鉆井工藝及鉆具的實(shí)際情況，通過司鉆控制臺(tái)上的轉(zhuǎn)盤扭矩限幅設(shè)定手輪，隨時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)盤扭矩限幅值的設(shè)定。轉(zhuǎn)盤運(yùn)行過程中，發(fā)生扭矩超限時(shí)變頻器具有扭矩緩釋功能。

早期修井機(jī)方案采用的液力變矩器，本身有較大的傳動(dòng)損失，效率較低，配備必要的供油、冷卻等輔助系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每年都需要進(jìn)行檢修。采用變頻器的扭矩限幅功能，以及無(wú)級(jí)調(diào)速功能，可以省去液力變矩器，從而提高能源利用率，降低系統(tǒng)故障率，減少維修成本。

5、閉環(huán)矢量控制優(yōu)勢(shì) 采用變頻器，驅(qū)動(dòng)絞車電機(jī)時(shí)的數(shù)據(jù)可使內(nèi)部進(jìn)行高速、數(shù)字化、無(wú)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)交換，抗干擾能力強(qiáng)，同步精度高。在低頻時(shí)能產(chǎn)生高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并改善啟動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

絞車采用單軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)，PLC 通過采集主電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和滾筒的轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)，判斷游車起下鉆工況，自動(dòng)計(jì)算出游車的位置、速度，通過PLC 控制程序發(fā)出控制信號(hào)，使絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)以給定的速度驅(qū)動(dòng)滾筒，實(shí)現(xiàn)絞車起下鉆功率的合理利用和提高鉆井時(shí)效。

利用交流變頻調(diào)速范圍寬的優(yōu)勢(shì)，游車速度為0-1.2m/s，滿足鉆井的工藝要求，實(shí)現(xiàn)絞車速度的閉環(huán)控制和游車高度位置閉環(huán)控制的有機(jī)結(jié)合,不僅可大幅度地提高鉆井時(shí)效，而且增強(qiáng)了設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

絞車驅(qū)動(dòng)變頻器由于采用了矢量控制方案，使得絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)在零轉(zhuǎn)速時(shí)也能輸出額定轉(zhuǎn)矩(懸停狀態(tài))，這是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)所不能比擬的。

6、故障分級(jí)處理 系統(tǒng)出現(xiàn)警告類故障時(shí)，司鉆臺(tái)遠(yuǎn)程復(fù)位即可繼續(xù)使用；出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，變頻器會(huì)斷開進(jìn)線柜斷路器并提示故障。例如，在高速情況下緊急抱閘剎車，變頻器會(huì)檢測(cè)到瞬時(shí)電流以及瞬間輸出功率很大，發(fā)電機(jī)瞬間輸出電壓會(huì)降低，當(dāng)?shù)陀谇穳狐c(diǎn)時(shí)變頻器報(bào)欠壓故障，緊急停車。

故障級(jí)別分為： 級(jí)別一 故障自由停車； 級(jí)別二 故障減速停車； 級(jí)別三 故障降額繼續(xù)運(yùn)行； 級(jí)別四 繼續(xù)運(yùn)行，限制上限頻率； 級(jí)別五 繼續(xù)運(yùn)行，不可以再啟動(dòng)； 級(jí)別六 繼續(xù)運(yùn)行，可以在啟動(dòng)； 級(jí)別七 屏蔽故障

7、維護(hù)便利 系統(tǒng)配置有熔斷式隔離開關(guān)，隔離和保護(hù)一體，支持本組逆變柜在線維護(hù)，柜外操作，安全可靠。高分?jǐn)嗄芰焖偃蹟嗥?，可?shí)現(xiàn)快速安全保護(hù)，提高產(chǎn)品可靠性，迅速分離故障部件并投入冗余備件，大大提高了維護(hù)的便利性，縮短了故障停機(jī)時(shí)間。

圖3-3 平臺(tái)實(shí)景&電控系統(tǒng)內(nèi)部圖

四、總結(jié) 該系統(tǒng)選擇了我司生產(chǎn)的HE300工程型變頻器產(chǎn)品。通過與客戶的通力合作，定制化開發(fā)，滿足了海洋石油現(xiàn)場(chǎng)高鹽霧、高濕氣等惡劣工況與特殊需求，至今運(yùn)行穩(wěn)定可靠，已經(jīng)無(wú)故障完井、修井多口，深得業(yè)主及井隊(duì)的一致好評(píng)。

相較進(jìn)口品牌：國(guó)產(chǎn)品牌快速的交貨周期，客戶工程進(jìn)度的有效配合，為建設(shè)節(jié)省了時(shí)間成本，更低的投資費(fèi)用及運(yùn)行備件費(fèi)用，為建設(shè)節(jié)省了資金成本，提高客戶的經(jīng)濟(jì)效益30%以上；針對(duì)性的定制化開發(fā)，成套系統(tǒng)解決方案提供，為產(chǎn)品環(huán)境、工況適應(yīng)性得到了滿足。使得系統(tǒng)可靠性、易用性、經(jīng)濟(jì)效益等大幅提高。尤其我司設(shè)計(jì)的IGBT單元式封裝結(jié)構(gòu)，大大減小了變頻系統(tǒng)的體積，并且在兆瓦級(jí)功率等級(jí)變頻器創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了單人現(xiàn)場(chǎng)拆裝維護(hù)。

該系統(tǒng)項(xiàng)目的成功應(yīng)用，將加快海洋石油鉆/修井平臺(tái)關(guān)鍵電控部件系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的步伐，推動(dòng)海洋平臺(tái)行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，也提高了設(shè)備的綜合運(yùn)營(yíng)效益。