變頻器技術在石油鉆機中的應用

王永江

（中石油長城鉆探頂驅技術分公司,北京 100101）

0 前言

作為提高石油行業綜合開采效率以及安全性、穩定性的重要環節，石油機械的開發與設計一直是推動石油行業的重要推動力之一。隨著經濟全球化的不斷發展與推動，當前我國的能源行業正處于機遇與挑戰的風頭浪尖，如何抓住機遇、迎接挑戰，是每一個石油工作者都需要謹慎考慮的問題。變頻器技術在石油機械中的應用十分廣泛，對于石油鉆機的工作效率以及穩定性也具有十分重要的影響。要想充分了解變頻器技術在石油鉆機中的應用現狀，就必須先了解什么是變頻器技術。

1 變頻器技術概述

變頻器技術是一種通過電子技術與微電子技術相結合，利用改變電源頻率的方式來實現對電機進行精準控制的電力控制設備，在運行過程中通過電力半導體器件來進行工頻電源的轉化，從而實現頻率之間的轉化的效果。根據構造不同，一般將變頻器分為電壓型以及電流型。電壓型變頻器是通過電壓源來進行直流與交流轉化的一種變頻器，其中，電容作為直流的回路來進行濾波的處理。電流型則是通過電流源來實現直流與交流的轉化，直流回路的濾波是電感。盡管從設計原理以及基本構成上存在明顯的區別，但是這兩種變頻技術在本質上，都是通過一定的規律改變脈沖列脈沖幅度來實現對輸出量進行調節的，在我國現代工業生產中的應用也十分廣泛。

2 變頻器技術在石油鉆機中的應用

2.1 在石油鉆機起升系統中的應用

在石油鉆機的起升系統的正常運轉中，為了節省能源，提高資源的綜合利用效率，企業一般會根據起升的重量以及速度進行綜合評定，然后得出電機較為合理的功率來進行能源傳輸與起升操作，在這個過程中，變頻器的作用十分顯著。根據數據顯示，我國的變頻器技術在石油鉆機起升中的系統根據起升重量與要求的不同，可以實現平均節能5%～30%，針對一些特殊的工況下還可能更高，可見，變頻器對于實現石油行業的機械開采的能源節約功不可沒。在運用過程中，需要關注3個方面的問題。

（1）在中低速運轉過程中，要通過帶轉速反饋的方式來進行功率控制與調節，對于電機的調速可以根據實際運轉情況進行適當降低，但是要以不影響正常工作為基準，不可以過分注重能源控制而影響了工作效率與安全性。

（2）吊鉤上升過程中，可以通過保持低速來實現最大扭矩的方式來提升吊鉤的上升動力，從而消除傳動間隙中出現的鋼繩拉緊的問題，以提升運輸的穩定性。

（3）制動過程中，可以通過電磁機械制動與直流制動相結合的方式來實現制動，優點是在直流制動出現機械故障時，不至于影響到電磁機械制動的控制，而相反如果電磁機械制動出現故障，也可以通過直流制動來實現緊急制動，從而提升了制動的安全性，提高了企業的風險抵御能力。

2.2 在石油鉆機控制系統中的應用

變頻器技術在石油鉆機控制系統中的主要應用，是針對系統的可靠性以及安全性來進行設計與安裝的。這是由于PLC可控編程系統本身具有高速節能抗干擾的作用，當應用在石油鉆機的工況條件時，往往可以通過取代傳統電磁繼電器的方式來實現多點聯控，不但提高了控制的穩定性，還能夠避免由于惡劣的戶外工裝條件影響到電磁繼電器的正常運轉，從而造成不必要的危險與隱患。另外，由于石油鉆機在實際運作中需要對上百噸的重物進行吊裝，對于變電器的運行穩定性以及整體工作性能要求非常高，而變頻器通過電機電流來實現精準電力控制，再與PLC的技術相結合，從而實現更高效的控制工作，為石油鉆機的控制提供了安全與保障。

2.3 在石油鉆機空氣熱水系統中的應用

石油鉆機的熱泵操作系統控制的主要目的，是通過降低運轉泵的電機軸承溫度來節約燃料，實現降低運行成本的目的。而在這個過程中，變頻器的作用也主要體現在自動對溫度進行感知，然后按照人工設計的方案進行控制，達到節能的效果。另外，隨著科學技術的發展，當前也有一部分企業嘗試使用通過露天熱交換的方式來進行冷凝水與熱能的交換，效果也很好。

3 變頻器技術在石油鉆機中應用的關鍵問題

3.1 干擾問題

干擾問題一直是困擾石油鉆機中變頻器技術應用的頭號問題，特別針對變頻器對微機的控制板的干擾而言，一定要引起高度的重視。特別是近些年來一些石油鉆機的設備較為老舊，微機控制板的設計工藝已經落后，在采用變頻器的過程中難免會出現傳導和干涉現象，從而導致操作系統工作異常問題的出現和發生，嚴重影響到正常的變頻設備的使用。針對類似問題，可以通過給微機安裝EMI濾波器的方式來降低和抵抗干擾的影響，如果效果不佳，可通過采取抗干擾措施來進行模擬傳感信號與控制信號的隔離，這樣就不會出現變頻器受到高頻沖擊影響，而影響正常工作。

3.2 環境問題

由于石油鉆機的工作環境相對惡劣，再加上一些鉆機在應用過程中受成本限制，沒有大量的資金可以投入到變頻器控制房的建設中，所以變頻器在實際應用中經常會處于高溫、布滿粉塵的工作環境中，不僅影響到變頻器的使用狀態以及使用壽命，還會產生一些安全隱患。為了降低環境問題所帶來的影響，除了通過強化現場管理，加強資金投入，改善變頻器控制房間的環境外，還可以通過改善控制柜的設計來實現減少粉塵，以及減少水分對變頻器正常運轉的影響。在控制柜的安裝過程中，也要充分考慮到安裝技術以及設計對后續工作的影響，特別是安全以及穩定的影響，做到科學、合理的設計手段，從而真正實現保障其功能性的目的，這也是預防工作環境對變頻器影響最為有效的手段之一。

3.3 穩定性問題

電網穩定性也是一個影響變頻器正常運轉的關鍵問題之一，出現的原因是電網在高頻沖擊負載的條件下往往會出現電壓閃變的情況，從而導致一個車間中上百臺變頻器出現電網諧波，從而影響到整個電力網絡系統的穩定性，同時還會對硬件構成一定危險，嚴重的會直接破壞設備。由于問題的突發性較強，往往難以進行根治，只能強化前期的工作來防患于未然。例如，可以通過用戶增加無功靜補裝置來實現提高電網功率的目的，同時還能夠協助改善電網質量，強化電網穩定性。由于這樣的整流方式能夠集中變頻器的諧波，在實現節能的同時，還能夠降低網絡波動的可能性，更加適合電動以及發電運行場所。此外，對于一些穩定性變化不大的地區，也可以通過在變頻器中加入濾波器來實現減小諧波的效果，好處是成本低、見效快。如果追求長期的效果，還是建議使用PFC裝置，但此裝置的造價較高，所以成本壓力依然很大，需要根據企業實際狀況進行選擇。

3.4 故障問題

變頻器故障主要集中在電機的漏電，以及軸電壓的電流控制等方面。在高頻PWM脈沖的輸入中，特別是當電網出現波動時，容易引發對地漏電流以及軸承電流的問題。為此，首先要對舊設備進行專業的技術改造，在改造的過程中應按照科學、標準的方法安裝變頻器，否則就容易出現絕緣損壞的問題，從而影響到正常的使用。在完成舊設備的變頻改造后，第一時間要進行絕緣測試，在達到相應的絕緣標準后，才可以視為通過要求。其次，對于潛水深井泵的負載設計，也要通過接地阻抗電機進行計算，計算值要小于ZE變壓器及ZE變頻器之和，這樣才能夠形成良好的地環流，實現預期的抗干擾效果。

4 總結

綜上所述，作為一種高效、環保、穩定性強的先進技術，變頻器技術已經逐漸在我國的石油鉆機中得到廣泛應用，并且也逐漸成為未來技術研發的主流方向，對國家的石油能源行業發展起到了積極的促進作用。在變頻技術的應用過程中，通過對石油開采控制系統、起升系統以及熱水系統等進行干預，在極大提升工作效率與穩定性的同時，還提高了安全性能，為安全生產起到了保駕護航的作用。但是，由于變頻技術屬于一種精度較高的電子技術，在使用過程中需要做好適當的漏電保護以及故障維修工作，時刻保持在最佳的運行狀態，只有這樣才能使變頻器技術發揮得最好。

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