海上平臺(tái)修井機(jī)是一種解決油井生產(chǎn)中存在的故障，可進(jìn)行完井、修井和鉆井的系統(tǒng)，其關(guān)鍵部件是驅(qū)動(dòng)絞車/轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，泥漿泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可靠的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能有效減少設(shè)備故障率，優(yōu)化作業(yè)流程，提高生產(chǎn)效率。該文介紹了匯川技術(shù)交流矢量變頻技術(shù)在渤海旅大10-1平臺(tái)修井機(jī)上的應(yīng)用，簡(jiǎn)述了該修井機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
一、工程描述
1、項(xiàng)目背景
修井設(shè)備可按平臺(tái)上每口井進(jìn)行側(cè)鉆，并可完成井口裝置的安裝，也可完成油氣井的小修、檢泵、撈、修套、封堵等作業(yè)。修井機(jī)械主要由司鉆臺(tái)、卷揚(yáng)機(jī)、轉(zhuǎn)盤機(jī)、泥漿泵、游吊系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液力輸送系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、井架等組成。
原本配置在鉆井平臺(tái)上的柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絞車和泥漿泵，存在噪音大、速度控制不靈活、轉(zhuǎn)向復(fù)雜、操作困難、能量損失大等問題。，嚴(yán)重影響業(yè)主的生產(chǎn)效率和能效考核。為了解決上述問題，業(yè)主決定在C平臺(tái)上為外部修井機(jī)的絞車和泥漿泵安裝交流矢量變頻器。
2、方案介紹
該平臺(tái)修井機(jī)的絞車(帶轉(zhuǎn)盤的共用變頻器)和泥漿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用690伏電壓等級(jí)的多機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻產(chǎn)品，并配有兩個(gè)1250A進(jìn)線柜和兩個(gè)1200千瓦基本整流柜，形成共同的DC總線結(jié)構(gòu)。兩臺(tái)1000千瓦變頻柜分別驅(qū)動(dòng)絞車和泥漿泵，絞車電機(jī)為800千瓦/600伏，泥漿泵電機(jī)為600千瓦/600伏，通過變頻器與Profibus總線連接，實(shí)現(xiàn)鉆桿升降和泥漿泵循環(huán)運(yùn)行的遠(yuǎn)程總線控制。
二、產(chǎn)品選型與配線
1、產(chǎn)品選型
依據(jù)該海洋平臺(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。
2、電氣原理
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。
三、方案優(yōu)勢(shì)
1、現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)
通過現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP協(xié)議，變頻器與 PLC監(jiān)控軟件進(jìn)行通信，利用人機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)和修機(jī)電控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，監(jiān)測(cè)，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。通過選擇相應(yīng)畫面的數(shù)據(jù)庫(kù)按鈕，人機(jī)界面操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)工藝流程全過程監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示信息，歷史動(dòng)態(tài)畫面等。在LD10-1油田綜合調(diào)修機(jī)正常工作時(shí)，司鉆可通過控制臺(tái)上的觸摸屏，對(duì)與鉆井工況有關(guān)的鉆井參數(shù)及相關(guān)鉆井設(shè)備的主要操作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤力矩等參數(shù)及某些功能進(jìn)行設(shè)定。
通過LCD操作變頻器，而CANLINK總線則與變頻器實(shí)時(shí)通信，對(duì)多個(gè)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便切換參數(shù)；同時(shí)，該變頻器具有友好的、詳細(xì)的中文界面，用戶不需指令就可改變監(jiān)測(cè)參數(shù)，控制變頻器，分析故障。
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
采用電子檢測(cè)和控制回路的制動(dòng)組，可實(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)通過拖曳絞車來驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，在矢量控制變頻器的作用下，電機(jī)處于“發(fā)電”狀態(tài)，當(dāng)變頻器直流回路的電壓超過閾值時(shí)，制動(dòng)組以斬波的方式控制外部制動(dòng)電阻進(jìn)入變頻器直流回路，以能耗制動(dòng)的方式消耗制動(dòng)電阻的能量，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)，保證了絞車在放大鉤鉤時(shí)的制動(dòng)特性，彌補(bǔ)了液壓盤式制動(dòng)的不足，提高了運(yùn)行的安全性和可靠性。而絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)能耗制動(dòng)具有與液壓盤式制動(dòng)連鎖控制功能。
泥漿泵變頻器和絞車變頻器共用DC母線的多傳動(dòng)方案，可以在絞車“發(fā)電”工況下為普通母線泥漿泵變頻器提供能量，降低系統(tǒng)損耗，降低原柴油發(fā)電機(jī)油耗，提高電能利用率。
3、轉(zhuǎn)盤的無級(jí)調(diào)速及快速正、反轉(zhuǎn)切換
轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速可以在0~額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速可以根據(jù)鉆井工藝實(shí)際工況的需要而確定(井深、泥漿性質(zhì)、鉆頭類型、鉆頭直徑、地層巖性、鉆進(jìn)或地質(zhì)要求等)，有效地提高鉆井速度，提高鉆井時(shí)效，降低鉆井成本。
司鉆控制臺(tái)設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向指配開關(guān)，根據(jù)鉆井工藝和鉆井情況需要，可將轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向開關(guān)設(shè)為“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”(如轉(zhuǎn)盤反轉(zhuǎn)，可設(shè)反轉(zhuǎn)口令和確認(rèn)按鈕，以免誤動(dòng)造成鉆井事故)。在給定當(dāng)前工作所需的扭矩限值的基礎(chǔ)上，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤中的轉(zhuǎn)輪，再將轉(zhuǎn)盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤中的手輪，就可以控制轉(zhuǎn)盤按選定的旋轉(zhuǎn)方向和給定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越大，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速就越高，司鉆可根據(jù)鉆井條件，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)盤變頻器的扭矩限制功能可以在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)zui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)盤的輸出扭矩應(yīng)在設(shè)定的扭矩極限范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)工作。當(dāng)井下出現(xiàn)異常情況，轉(zhuǎn)盤扭矩超過扭矩極限設(shè)定值時(shí)，變頻器應(yīng)保持扭矩極限設(shè)定值超過設(shè)定時(shí)間，并向故障變頻器報(bào)告停機(jī)，并與轉(zhuǎn)盤慣性制動(dòng)器聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤扭矩極限保護(hù)，避免鉆具事故。鉆井過程中，司鉆可以根據(jù)鉆井工藝和鉆具的實(shí)際情況，通過司鉆控制臺(tái)上的轉(zhuǎn)盤扭矩限值來設(shè)定手輪，并隨時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)盤扭矩限值的設(shè)定。在轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行過程中，當(dāng)扭矩超過極限時(shí)，變頻器具有扭矩釋放功能。
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靈活、電子無級(jí)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(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，無錯(cuò)誤的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，抗干擾能力強(qiáng)，同步精度高。動(dòng)態(tài)響應(yīng)絞車低頻時(shí)可產(chǎn)生高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提高起動(dòng)和低速時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，用單軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車， PLC通過 DP總線采集變頻器的工作數(shù)據(jù)和滾筒轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)，判斷滾筒的起鉆狀態(tài)，自動(dòng)計(jì)算出滾筒的位置、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)按給定的速度驅(qū)動(dòng)絞車滾筒，實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車起鉆功率的合理利用，提高鉆井時(shí)效。采用交流變頻調(diào)速范圍寬、速度為0-1.2 m/s的方式，既能滿足鉆井工藝要求，又能實(shí)現(xiàn)絞車速度閉環(huán)控制與絞車高度位置閉環(huán)控制的有機(jī)結(jié)合，大大提高鉆井時(shí)效，增強(qiáng)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，使的絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)在零轉(zhuǎn)速時(shí)也能輸出額定扭矩(懸停狀態(tài))，這是直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)不能比擬的。
6、故障分級(jí)處理
系統(tǒng)出現(xiàn)警告類故障，四鉆臺(tái)遠(yuǎn)程復(fù)位即可繼續(xù)使用;如出現(xiàn)嚴(yán)重故障，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)到電流瞬間很大輸出功率瞬間很大，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
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?，快速熔斷器，可快速安全保護(hù)，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(hù)的便利性，縮短了故障停機(jī)時(shí)間。
變頻器采用單管為單元的模塊化設(shè)計(jì)，使之在高振動(dòng)場(chǎng)合機(jī)械應(yīng)力得以分散。功率模塊自重小于25kg,單人即可維護(hù)兆瓦級(jí)別大功率逆變器。采用低漏感的busbar技術(shù)，使系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能達(dá)到zui佳。
四、總結(jié)
該系統(tǒng)選擇了工程型變頻器產(chǎn)品。該海洋平臺(tái)公司與變頻器制造商合作，定制開發(fā)，滿足客戶現(xiàn)場(chǎng)高鹽霧、高濕氣等惡劣情況和特殊需求，至今運(yùn)行穩(wěn)定可靠，已無故障，修井多口，深受業(yè)主和井隊(duì)好評(píng)。該系統(tǒng)項(xiàng)目的成功應(yīng)用將加速海洋石油鉆修井平臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，促進(jìn)海洋平臺(tái)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。
