摘要：海洋平臺修井機是一種排除油井生產(chǎn)故障，可以進行完井、修井及鉆井的系統(tǒng)，驅(qū)動絞車/轉(zhuǎn)盤、泥漿泵電機的驅(qū)動器在系統(tǒng)中起著關鍵作用，可靠的變頻驅(qū)動系統(tǒng)可以有效地降低設備故障率，優(yōu)化操作過程，提高生產(chǎn)效率。本文介紹了匯川技術交流矢量變頻系統(tǒng)在渤海旅大10-1平臺修井機中的應用，對修井機系統(tǒng)做了簡要說明，對變頻驅(qū)動系統(tǒng)作了詳細介紹。

關鍵詞：修井機、交流變頻、矢量控制、共直流母線、無級調(diào)速、扭矩限幅

一、工程描述

1、項目背景

修井機可根據(jù)要求在平臺上的每一口井中進行側(cè)鉆，完成井口裝置的安裝，還可以完成油氣井小修、檢泵、打撈、修套、封堵等作業(yè)。修井機主要由司鉆臺、絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、游吊系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、液路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、井架等組成。

旅大10-1（后稱LD10-1）為中海油在渤海的一個鉆井平臺，位于距離綏中碼頭70海里左右的海域。平臺原來配置的柴油機直接驅(qū)動絞車和泥漿泵，存在噪音大、速度控制不靈活、方向切換復雜、操作難度大、能源損耗大等問題，嚴重影響業(yè)主的生產(chǎn)效率和能效考核，為了解決以上問題，業(yè)主決定給外掛C平臺修井機的絞車、泥漿泵安裝交流矢量變頻器。

2、方案介紹

中海油LD10-1海洋平臺修井機絞車（和轉(zhuǎn)盤共用變頻器）、泥漿泵驅(qū)動系統(tǒng)采用匯川HE300多機傳動變頻產(chǎn)品，電壓等級690V，配置2臺1250A進線柜，2臺1200kW基本整流柜組成共直流母線結構，配置2臺1000KW逆變柜分別驅(qū)動絞車和泥漿泵，絞車電機800kW/600V，泥漿泵電機600kW/600V，配置了1200kW的內(nèi)置制動單元，實現(xiàn)絞車的快速啟停。通過Profibus總線聯(lián)接HE300變頻器與西門子S7-300 PLC，從而實現(xiàn)了鉆桿提升、下放，泥漿泵循環(huán)作業(yè)的遠程總線控制。下圖是修井機系統(tǒng)框圖。

圖1-1 修井機系統(tǒng)框圖

二、產(chǎn)品選型與配線

1、產(chǎn)品選型

依據(jù)中海油LD10-1海洋平臺修井機的電壓等級、電機功率并結合實際工況，選型如下：

2、電氣原理圖

以下接線圖中主要包含主回路、輔助電源回路、制動單元回路、編碼器的接線方式。

圖2-1 變頻器電氣接線圖

三、方案優(yōu)勢

1、現(xiàn)場總線控制技術

變頻器通過現(xiàn)場總線Profibus-DP 協(xié)議與PLC 監(jiān)控軟件通信，采用人機監(jiān)控組態(tài)軟件實現(xiàn)鉆、修機電控系統(tǒng)的參數(shù)設置、監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄、故障自診斷、故障報警等功能。在相關畫面上通過選擇數(shù)據(jù)庫按鈕，人機界面操作簡單可以進行工藝流程全過程監(jiān)視、顯示實時信息、歷史趨勢畫面等等。LD10-1油田綜合調(diào)整修井機在正常工作時，司鉆可以通過控制臺上的觸摸屏監(jiān)控與鉆井工作/工序狀態(tài)相關的鉆井參數(shù)和相關鉆井設備的主要運行參數(shù)，并可以實現(xiàn)鉆壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤力矩限制等參數(shù)和某些功能的設定。

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總線與變頻器實時通信，實時監(jiān)控多個運行參數(shù)，并方便切換參數(shù)；同時SOP-30友好詳細的中文注釋，使得用戶可以無說明書的情況下更改監(jiān)控參數(shù)、控制變頻器、故障分析等。

圖3-2 變頻器液晶操作器SOP-30

2、絞車驅(qū)動電制動及與泥漿泵驅(qū)動共直流母線

制動單元具有電子檢測和控制回路，可以實時檢測絞車變頻器直流回路的電壓，在下鉆作業(yè)中，游動系統(tǒng)通過滾筒拖動絞車驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，電機在矢量控制變頻器的作用下處于“發(fā)電”工況，當變頻器直流回路的電壓超過閾值后，制動單元以斬波的方式控制外部的制動電阻接入變頻器直流回路，并以能耗制動的方式將能量消耗在制動電阻上，這種能耗制動單元加外部制動電阻的制動方案稱為電制動，保證了絞車在最大鉤載下放時的制動特性，彌補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)動電機的能耗制動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，減少了前級柴油發(fā)電機的油耗，提高了電能的利用率。

3、轉(zhuǎn)盤的無級調(diào)速及快速正、反轉(zhuǎn)切換

轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)0～額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級調(diào)速，速根據(jù)鉆井工藝實際工況的需要（井深、泥漿性能、鉆頭類型、鉆頭直徑、地層巖性、鉆進或地質(zhì)需要等）設定轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，可有效的提高鉆進速度，提高鉆井時效，降低鉆井成本。

司鉆控制臺設置有一轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向指配開關，根據(jù)鉆井工藝和鉆井工況需要，把轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向開關設置為“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”（轉(zhuǎn)盤反轉(zhuǎn)時，設置有反轉(zhuǎn)口令和確認按鈕，以免誤操作而造成鉆井事故）。根據(jù)實際情況順時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤扭矩限制給定手輪，給定當前的工作所需扭矩限定值，然后順時針旋轉(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)動速度運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速給定手輪順時針旋轉(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，司鉆可以隨時改變轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。

采用閉環(huán)矢量變頻驅(qū)動方案就能完美的實現(xiàn)無級調(diào)速和快速正反轉(zhuǎn)切換。這也是直接柴油機驅(qū)動方案不可避免的缺點。

4、轉(zhuǎn)盤的扭矩限幅功能

轉(zhuǎn)盤變頻器的扭矩限制功能可以在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機最大輸出扭矩的0-100%之間任意調(diào)節(jié)設定。鉆進時，通過PLC采集變頻器（轉(zhuǎn)盤和絞車共用變頻器通過機械掛檔切換）的電壓、電流、頻率及實際轉(zhuǎn)矩并在觸摸屏上進行顯示。正常鉆井作業(yè)時，轉(zhuǎn)盤輸出扭矩應動態(tài)工作在扭矩限制設定的范圍內(nèi)，當出現(xiàn)井下異常情況、轉(zhuǎn)盤扭矩超過扭矩限制設定值時，變頻器維持扭矩限制設定值超過設定時間報故障變頻器停機，并與轉(zhuǎn)盤慣性剎車聯(lián)鎖動作，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤扭矩限制保護，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際情況，通過司鉆控制臺上的轉(zhuǎn)盤扭矩限制設定手輪，隨時調(diào)整轉(zhuǎn)盤扭矩限制值的設定。轉(zhuǎn)盤運行過程中，發(fā)生扭矩超限時變頻器具有扭矩緩釋功能。

早期修井機方案采用的液力變矩器，本身有較大的傳動損失，效率較低，配備必要的供油、冷卻等輔助系統(tǒng)，結構復雜，每年都需要進行檢修。采用匯川變頻器的扭矩限幅靈活、電子無級調(diào)速功能完全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

采用匯川變頻器，驅(qū)動絞車電機時的數(shù)據(jù)可使內(nèi)部進行高速、數(shù)字化，無錯誤的進行數(shù)據(jù)交換，抗干擾能力強，同步精度高。在低頻時能產(chǎn)生高的啟動轉(zhuǎn)矩并改善啟動及低速時轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應絞車采用單軸電機驅(qū)動，PLC 通過DP總線采集變頻器的運行數(shù)據(jù)和滾筒的轉(zhuǎn)數(shù)信號，判斷游車起下鉆工況，自動計算出游車的位置、速度，通過PLC 控制程序發(fā)出控制信號，使絞車驅(qū)動電機以給定的速度驅(qū)動滾筒，實現(xiàn)絞車起下鉆功率的合理利用和提高鉆井時效。利用交流變頻調(diào)速范圍寬的優(yōu)勢，游車速度為0-1.2m/s,滿足鉆井的工藝要求，絞車速度的閉環(huán)控制和游車高度位置閉環(huán)控制的有機結合，不僅可大幅度的提高鉆井時效，而且增強了設備運行的安全性和可靠性。

絞車驅(qū)動變頻器由于采用了矢量控制方案，使的絞車驅(qū)動電機在零轉(zhuǎn)速時也能輸出額定扭矩(懸停狀態(tài))，這是直流電驅(qū)動鉆機不能比擬的。

6、故障分級處理

系統(tǒng)出現(xiàn)警告類故障，四鉆臺遠程復位即可繼續(xù)使用；如出現(xiàn)嚴重故障，變頻器會斷開進線柜斷路器并提示故障。例如，在高速情況下緊急抱閘剎車，變頻器會檢測到電流瞬間很大輸出功率瞬間很大，發(fā)電機瞬間輸出電壓會降低當?shù)陀谇穳狐c時變頻器報欠壓故障緊急停車。

故障級別分為：

級別一:故障自由停車；

級別二:故障減速停車；

級別三:故障降額繼續(xù)運行；

級別四:繼續(xù)運行，限制上限頻率；

級別五:繼續(xù)運行，不可以再啟動；

級別六:繼續(xù)運行，可以在啟動；

級別七:屏蔽故障

7、維護便利

熔斷式隔離開關，隔離和保護一體，支持本組逆變柜在線維護，柜外操作，安全可靠。高分斷能力，快速熔斷器，可快速安全保護，提高產(chǎn)品可靠性。迅速切除故障部件并投入冗余備件，大大提高了維護的便利性，縮短了故障停機時間。

圖3-3 電控系統(tǒng)內(nèi)部圖

變頻器采用單管為單元的模塊化設計，使之在高振動場合機械應力得以分散。功率模塊自重小于25kg,單人即可維護兆瓦級別大功率逆變器。采用低漏感的busbar技術，使系統(tǒng)的驅(qū)動性能達到最佳。

四、總結

本系統(tǒng)選擇了業(yè)界知名品牌匯川技術生產(chǎn)的HE300工程型變頻器產(chǎn)品。通過我司和中海油通力合作，定制化開發(fā)，滿足了客戶現(xiàn)場高鹽霧、高濕氣等惡劣工況與特殊需求，至今運行穩(wěn)定可靠，已經(jīng)無故障完井、修井多口，深得業(yè)主及井隊的一致好評。

相較進口品牌，快速的交貨周期，客戶工程進度的有效配合，為建設節(jié)省了時間成本；更低的投資費用及運行備件費用，為建設節(jié)省了資金成本，提高客戶的經(jīng)濟效益30%以上；針對性的定制化開發(fā)，成套系統(tǒng)解決方案提供，為產(chǎn)品環(huán)境、工況適應性得到了滿足。使得系統(tǒng)可靠性、易用性、經(jīng)濟效益等大幅提高。

該系統(tǒng)項目的成功應用，將加快海洋石油鉆/修井平臺變頻驅(qū)動系統(tǒng)國產(chǎn)化的步伐，推動海洋平臺行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級。