直流鉆機系統在自升式鉆井船上的應用

黃 波 海油工程股份有限公司設計公司 300451

直流鉆機系統在自升式鉆井船上的應用

黃 波 海油工程股份有限公司設計公司 300451

介紹了直流電動鉆機在國產鉆井船上的應用情況，著重說明和分析直流電動鉆機的調速原理。通過工程實際，推薦最優運行工況，達到節能、提高系統電能質量的目的。

直流電動機；調速特性；無功功率；鉆井船

一、引言

200米自升式鉆井船較常規海洋石油平臺，電網容量有限，且電力負荷中存在大量的直流設備。它們的經濟運行直接影響到整個電力系統的電能質量，并關系到系統的節能降耗。本文以直流鉆機的應用為例，分析說明直流電動機在不同工況下的運行特點，選取最佳運行方式。為今后直流電機在有限容量電網中的經濟運行提供技術參考。

直流電動鉆機系統一般包括：泥漿泵、轉盤、絞車和控制臺等。鉆機系統的突出特點是對電機的調速性能要求較高。直流電機結構復雜（有換向器）、成本高、需要較多的維護和保養，應用不如交流電機廣泛。但是，直流電機具有良好的起動性能和調速性能，仍然廣泛地應用于對起動和調速要求高的生產機械中，特別是在陸地及海上鉆井平臺系統中。

二、自升式鉆井船直流鉆機系統的應用

下面以海洋石油工程股份有限公司為中海油服承建的4艘L780船型200米自升式鉆井船為例，介紹一下鉆井船直流鉆機系統：

1、傳動系統

整個可控硅整流系統有5個可控硅柜、1個電磁剎車柜。采用ACSCR-DC的電傳動方式。絞車為三拖一、轉盤為二拖一、泥漿泵為一拖一。但通過切換柜邏輯互鎖關系控制通路來保證每組可控硅只對應控制一套設備。通過對可控硅元件的控制，將恒壓，恒頻交流電源整流成連續可調的直流電源，從而實現無級調速，滿足傳動要求。為了保護整個系統，在進線的母排上安裝了電流互感器，并將檢測到的數據傳輸到6RA70直流調速器上，這樣確保了傳動柜的結構緊湊，保護措施嚴密，安全性能高，工作效率高。具體請見圖1。

2、控制柜

電磁剎車柜：

電磁剎車柜配備Siemens /6RA70系列直流調速器一臺，為電磁剎車裝置提供調節的直流電源。電磁剎車在下鉆、打鉆時使用，原理是通過克服懸重力，使大鉤以一定速度向下運動，達到下鉆和打鉆的目的。

圖1 鉆機系統主電路圖

圖2 串勵電機等效電路圖

切換柜：

柜內安裝了16個直流接觸器，可利用柜內設定的邏輯關系實現可控硅對直流電機的一對一控制。此外，還可用直流接觸器改變直流電機電樞的電流方向，實現轉盤及絞車的正反轉功能。

3、高壓泥漿泵

兩臺泥漿泵采用兩套西門子SCR直流調速器驅動，其速度控制可通過現場總線在司鉆控制臺上由司鉆進行速度調節和設定。在泥漿泵房裝有泥漿泵現場控制臺，可以實現本地操作（啟動、停止、調速、測試等）。

泥漿泵采用全數字直流調速控制系統，在轉速較低時可以持續運轉，且能提供連續轉矩，啟動轉矩高。在恒功率時有較大的調速范圍，體積小、可靠性高。利用此系統驅動泥漿泵可方便的調節泥漿泵的排量，減少泥漿泵缸套的更換次數。

4、 絞車控制

采用西門子SCR直流調速器驅動，其速度控制可通過現場總線在司鉆控制臺上由司鉆進行速度調節和設定。

絞車采用全數字直流調速控制系統，在轉速較低時可以持續運轉，且能提供連續轉矩，啟動轉矩高。在恒功率時有較大的調速范圍，體積小、可靠性高。利用此系統驅動絞車可方便的調節絞車的速度或轉矩。

5、 轉盤控制

采用兩套西門子SCR直流調速器驅動，其速度控制可通過現場總線在司鉆控制臺上由司鉆進行速度調節和設定。

全數字直流調速控制系統，在轉速較低時可以持續運轉，且能提供連續轉矩，啟動轉矩高、扭矩限制等。在恒功率時有較大的調速范圍，體積小、可靠性高。

三、探討直流鉆機的經濟運行

首先，使柴油機盡可能運行在或者接近持續功率點，降低耗油率。

其次，盡量提高電網功率因數，降低電流，充分利用發電機組的容量，盡量減少發電機組使用臺數，降低油耗，減少機械磨損。

再次，減少直流電機、發電機發熱，提高電磁效率。

鉆井船使用的直流電機均為串勵電機，串勵電機等效電路圖如圖2所示。

通過分析串勵電機電磁特性可知：

直流鉆機經濟運行的方法就是降低直流電機所需的輸出轉矩，提高轉速，降低電流，提高直流電壓，從而降低系統發熱，提高發電機與電動機的效率，提高發電機的功率因數，使柴油機能以較大的輸出功率在低耗油區工作，并盡量減少發電機的運行臺數，達到提高經濟效益的目的。

在工程實際中可采取如下操作實現經濟運行：

首先，在鉆井過程中，根據需要選定一定的泥漿泵泵壓和排量及轉盤轉速后，讓泥漿泵在允許的較高泵沖下工作；選擇盡量低的絞車檔位，讓驅動絞車電機在較高轉速下運轉。

其次，在起鉆的過程中，根據井下復雜情況，選定一定的起鉆速度后，應盡量選擇絞車低速擋位，以達到電機低輸出轉矩，高轉速的目的。

此外，中海油服選用直流鉆機系統作為鉆井船鉆井系統還有一個考慮，即中海油服現有鉆井操作單元（包括鉆井船及鉆機模塊等），大部分都是直流系統。目前海洋石油處于快速發展階段，人員及設備都處于滿負荷運轉狀態。若是新建鉆井船采用直流系統，可省下寶貴的人員培訓時間及費用?，F有直流鉆井單元與新建直流鉆井單元原理及設備都基本相同，現有直流鉆井單元上的人員經過短時間熟悉后，即可熟練的投入到實際生產當中。此外，直流系統內功率相近的元器件如可控硅、直流接觸器等也可互換，在某些特定時候可節約維修費用及成本。

[1]李先允.電力電子技術.中國電力出版社.2006-09

[2]楊中華.直流調速技術.中國勞動社會保障出版社.2006-05

Drilling rig used in homemade drilling unit

Huang Bo Offshore Oil Engineering Co, Ltd Engineering Company 300451

The article description how the drilling rig used in drilling unit, and introduce the principle of selfvacuum device, and introduce how it adjust the speed function. It’s a good reference for the similar design.

drilling rig；the function of adjust speed;drilling unit

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.021

黃波 男 工程師，1976年生，1999年參加工作，電氣工程師。