公共直流母線變頻技術在石油鉆機中的運用

朱延杰

摘? ?要：模塊鉆機在運行過程中存在絞車與泥漿泵變頻系統占地面積過大、變頻器母線電壓升高時耗能高的缺點，這會明顯降低鉆機運行效率，影響石油產品的開采質量。為了有效解決以上現實問題，該文以泥漿泵和絞車變頻系統為基礎設計了公共直流母線變頻技術，其保證了絞車回饋能量利用的有效率，在降低能耗的同時保證了設備的高效運行，較明顯地提升系統運行的可靠性。

關鍵詞：公共直流母線;變頻技術;石油鉆機;應用實踐

中圖分類號：TM464? ? ? ? 文獻標志碼：A

在海上油氣田開發領域中，不管是新的勘探、項目研發，還是老油田鉆調井提升采收率等諸多項目中，均需要鉆勘探井、注水井、側鉆井等機械設備的輔助，其在具體實踐中還需對油、氣、水等進行有效維護，以保證生產的有效性、安全性。現階段，國內海上油氣田開發過程中，海上固定式平臺上的鉆井數目相對較多時，選用模塊機鉆井耗用的資金較少，能取得較理想的效益。但是最近幾年，有實踐表明，模塊機鉆井中的絞車屬于位能性負載，在管柱下放期間會倒放電，造成變頻器直流母線電壓上升，散發大量熱能導致浪費資源，因此對其優化改進具有很大的現實意義，以實現節能、減排、增效目標。

1 傳統模塊鉆機變頻系統

近些年，變頻技術持續發展，分布式的公共直流母線變頻技術逐漸將過往一對一變頻取而代之，在模塊鉆機的絞車泥漿泵系統中有較廣泛應用。該文以某投產的5 000 m模塊鉆機變頻系統為實例進行分析。

分布式的公共直流母線變頻等同于對泥漿泵與絞車分別安置公共直流母線變頻模塊，泥漿泵數目是決定模塊數量的主要因素，該模塊鉆機工安設3套泥漿泵。該鉆機應用公共直流母線變頻等同于一對一變頻，進而降低了整流模塊的數目，減少了平臺電氣房的占地面積。但是在多種情況下，以上設計形式會造成絞車下放管柱過程中出現倒發電現象，造成能量反流，此時就需要對電阻實施制動措施消損能量，也會對變頻設備造成一定損傷，減少其使用年限。在生產實踐中，為有效應用絞車符合的運行特征，提升能源的有效利用率，該文提出構建集中式的鉆機公共直流母線變頻模式。

2 公共直流母線變頻技術分析

該中心處理平臺鉆機由平臺組塊電站11.0 kV系統歷經2臺4 000 kVA 11.0 kV/690 V變壓器降壓處理后供電，鉆機安設了3臺泥漿泵 （涵蓋6臺600 kW泥漿泵電機 ）、絞車電機2臺、920 kW頂驅1臺。因為頂驅是成撬裝備，因此針對其變頻問題應單獨分析，為將變頻設備數目與尺寸降至最低水平，并提升絞車回饋能量利用的合理性，該文在設計過程中提出對6臺泥漿泵電機與 2臺絞車電機使用集中公共直流母線變頻的方案，這一方面能提升對回饋能量的利用率，另一方面也能減少對變頻器形成的沖擊。

經測量發現，公共直流母線變頻整流模塊的容量和所供電的電機或逆變器設備容量之和相比更小，這也是該類直流母線占據優勢的主要原因之一、結合不同作業狀況下鉆機內絞車與泥漿泵的實際出力狀況，可以計算出正常運行狀態下泥漿泵A、B、C對應的負荷系數依次為60.0%、60.0%、0，而絞車A、絞車B對應的負荷系數分別為40.0%、0，機械設備運行負荷始終為1 870 kW。

電壓源型變頻器是鉆機上普遍應用的類型之一，其功能是輸入電路一段能把交流電源轉換成直流電源。大功率二極管整流器是造成系統諧波出現畸形的主要原因，其中5、7次諧波最為典型，對平臺形成不同程度的污染。因此該模塊鉆機應用PWM整流模塊或 24脈波移相變壓器從根源上實現對諧波的有效調控。

3 在石油鉆機上公共直流母線變頻技術的具體應用

3.1鉆機起升系統

石油鉆機起升系統在正常運行過程中，為了實現降低能耗量、提升資源整體利用率的目標，油田企業一般整體評估起升的重量與速度，繼而獲得較為合理的功能以進行能量傳導與起升過程。在以上過程中，若能科學使用公共直流母線變頻技術，則能取得更好的效果。有研究表明，結合系統起升重量及要求的差異性，變頻技術使用后平均節能為5.0%～30.0%，針對特殊工況可能更高，可見公共直流母線變頻技術在提升石油鉆機能源利用率方面體現出良好效能。但技術在使用過程中，應對如下2點問題給予一定重視。1）在低中速運轉期間，可以采用帶轉速反饋形式實現對功率的有效調控，立足于實際調節電機運轉速度。2）吊鉤上升過程中，可以采用維持低速的形式達到最大扭力增強吊鉤的上升動力，保證運輸過程的安穩性。3）制動期間，可以采用電磁機械與直流兩者相整合的形式去實現，這樣若某一制動環節出現問題時也能實現緊急制動，進而保證了制動的安全性，提升企業對風險的抵御能力。

3.2 控制系統

將公共直流母線變頻技術應用于石油鉆機控制系統中，主要是針對系統的可靠性與安全性進行設計與安裝的。這主要是因為PCL可控編程系統自身具備較高節能及抗干擾性能，因此將其應用于石油鉆機的作業條件中，通常能代替以往的電磁繼電器，建立多點聯控模式，增強了系統運行過程的穩定性，還能規避因作業條件惡劣而干擾電磁繼電器正常運行的情況，杜絕不必要的隱患。另外，石油鉆機在作業期間需吊裝上百噸的重物，因此對變電器運行的安穩性及綜合作業性能等均提出較高要求，而公共直流母線變頻技術能以電機電流為支撐，實現對電氣的精確化控制，再和PCL技術相聯合，能進一步優化控制工作質量，使石油鉆機的有效控制得到安全與保障。

3.3 空氣熱水系統

公共直流母線變頻技術用于石油鉆機熱泵操作系統控制中的宗旨是采用減少運轉泵的電機軸承溫度形式降低燃料耗用量，最終實現降低鉆機運行成本的目標。而在以上過程中，該變頻技術的作用主要體現在智能化感知溫度，進而依照人工預先設計的方案實施調控措施，實現節能減排的目標。

4 現場使用情況

該5 000 m模塊鉆機平臺占地面積約為450㎡，共計有生產井9口，3個配電柜，變壓器2臺，容量為800 kW。現將公共直流母線變頻技術的具體應用效果匯總在表1中。

經現場測試后發現，當發熱電阻有電流通行時，能測算出變頻器發熱電阻的能耗量，平均單井每天能夠節省的電量為18.4度。

5 結語

公共直流母線變頻技術應用于石油鉆機中，不僅能實現對諧波的有效集中式治理，還有益于減少設備的規格尺寸，降低資金投入量，減少系統在運行期間的能耗量，也減輕絞車回饋能量對電網系統形成沖擊作用，進而更好地實現節能、減排及減少造價成本的目標，這提示該技術在我國油田視野后續發展中有較大的應用空間。

參考文獻

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