變頻技術在平臺鉆機控制系統中的應用

胡月雙

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

變頻技術在平臺鉆機控制系統中的應用

胡月雙

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

變頻技術已經應用在多個領域，在海洋平臺和船舶制造工業中，變頻調速技術也被廣泛應用。本文首先對變頻技術的原理及特點進行介紹，并以項目為例，詳細介紹變頻技術在海洋石油平臺鉆機上的應用。另外，通過對比各種驅動方式，總結了交流變頻電動機驅動方式的優點并對其在海洋石油平臺鉆機控制系統中的應用進行了全面的介紹。本文以項目實例為主線，在介紹變頻技術原理及應用的同時，也對海洋石油鉆機控制系統進行了介紹并對變頻器散熱等關鍵問題進行了分析。最后，本文還介紹了變頻技術的發展方向及在鉆機控制系統中的改進趨勢。

變頻技術；鉆機；應用

傳統的鉆機采用機械傳動的驅動方式，這種驅動方式具有結構復雜、性能差、可操作性差、效率低、機械維護費用高等弊端，因此逐漸退出了歷史舞臺。近年，隨著變頻技術的發展，通過矢量控制的全數字變頻調速鉆機逐漸占據市場，這類驅動方式具備運行可靠、參數穩定、調試簡便、維護方便、動態性能好、穩速精度高等優點，并具有強大的通訊接口和擴展開發能力，可實現系統的網絡化、自動化。本文依托某油田開發項目的鉆機控制系統，對變頻技術的使用進行了系統的介紹，希望對相關企業的變頻技術的使用有所幫助。

1 變頻技術的概況及原理

變頻技術是一種把頻率固定的電網電能轉換為電壓和頻率均可變的交流電能的交流電路，用它組成的交流裝置稱為變頻器。變頻電路現在已經廣泛采用于交流電動機變頻調速系統中。調速又指在一定的負載下，根據生產機械的需要人為的改變電動機轉速。電動機調速的好壞都會影響到機械的工作效率。我們從電動機轉速的定義知道，異步電動機轉速為：

n=60f1/ (1-S)

式中：n——轉速；60——常數；f1——頻率；P——級對數 ；(1-S)——轉差率。

由此不難看出異步電動機調速具有三種方法：

(1)改變電源頻率f1；

(2)改變電機磁極對數P；

(3)改變轉差率(1-S)。

這三種調速具有如下特點：

(1)改變電源頻率調速可以得到平滑而具范圍廣的調速，實現無級調速、恒轉矩、高效率。

(2)改變電機磁極對數調速，是有級調速，調速范圍窄。

(3)改變轉差率進行調速能耗大，調節范圍小。

上述各種調速具有的特點對比中，改變電機磁極對數和改變轉差率這兩種調速方法只能在額定轉速下進行調速，使其在調速領域內的應用范圍變得比較狹小。而變頻調速的方法在調速過程中，從高速到低速都可以保持有很小的、有限的轉差率，并且有高效率、寬范圍、高精度的調速性能，所以改變電機供電頻率進行調速是電動機的一種比較理想、合理的調速方法。變頻技術的主電路多采用交-直-交電路，將三相380V(220V)/50HZ交流電通過整流橋整流變成脈動直流電，通過電解電容濾波后變成平滑的直流電，控制板對IPM、IGBT或模塊的控制后將平滑的直流電變成三相頻率可變的交流電。

變頻器的構成如下：

(1)鍵盤：作用是設置參數、監視各參數值(如：電流、電壓、頻率、溫度、轉速等)、調速。

(2)電源板：作用是提供各部分電路的工作電壓，保證各電路的正工作。

(3)控制主板：作用是產生六路驅動信號來控制逆變模塊，同時也對各保護信號和各接口信號的處理。

(4)整流橋：作用是將輸入交流電變成直流電。

(5)電解電容：作用是將整流后的脈動直流電變成平滑的直流電。

(6)充電電阻：作用是上電瞬間對主電解電容限流，以防止充電電流過大損壞整流橋和主電解電容。

(7)繼電器或接觸器：作用是當主電解電容充電完成以后短接充電電阻而承受主電流。

(8)逆變模塊：作用是將平滑的直流電變成接近正弦波的三相交流電。

(9)保險管：作用是保護逆變模塊和整流橋。

2 應用項目電氣系統概述

電氣傳動控制系統由1座司鉆控制房，液壓站、各種傳感器、氣控閥、液控閥等構成。本套系統傳動部分采用的是ABB的ACS800-07柜式整流逆變單元(包含斬波制動單元)，及PQFI系列有源濾波器，低壓電器主要采用的是施耐德的MT框架型斷路器、NS系列塑殼斷路器、C65系列斷路器、LC1系列接觸器、LRD系列熱繼電器。系統內，兩套PLC的CPU互為冷備冗余控制，主CPU位于DES VFD房的PLC柜內，DSM VFD房、泥漿泵本地操作箱、送鉆柜和司鉆房均有從站。對發電系統及MCC各抽屜狀態進行實時監控。且在DES VFD房和 DSM VFD房各有一個工控機參數進行顯示。司鉆人員能在司鉆房通過觸摸屏對設備進行遠程操作。

3 變頻技術在鉆機控制系統中的應用

由于海上平臺鉆機的工作環境比較惡劣，這就要求變頻元件具備比陸地鉆機更高的防護性能。下面以某油田項目鉆機控制系統為例，對變頻技術的應用進行介紹。

3.1 DES VFD控制房

DES VFD控制房內包含：三套ABB變頻裝置和一臺自動送鉆柜。前者作用：兩臺絞車變頻裝置、一臺轉盤變頻裝置為相應的交流變頻電機提供電源，進行鉆井作業。絞車變頻裝置還包含制動柜及匹配的制動電阻，用于消耗絞車變頻逆變裝置的回饋能量，完成能耗制動功能；后者作用：配備ABB/ ACS-800單傳一臺，為自動送鉆電機提供變頻電源；制動電阻用于消耗自動送鉆電機在游車下放過程中的能量反饋。

3.1.1 變頻柜的組成以及功能3.1.11 逆變分柜

整個系統中包含有5組逆變分柜，分別屬于絞車變頻柜、泥漿泵變頻柜、轉盤變頻柜，分別為2個絞車電機，2個泥漿泵電機，1個轉盤電機供電。每個逆變分柜可以放置1～4個R8i逆變模塊，如圖1所示。

圖1 逆變分柜

R8i模塊的特點：

書架式結構，體積小，結構緊湊，便于安裝、維護；

插接式連接，帶輪子，安裝、檢修時十分方便；

可并聯模塊，滿足不同容量的需求；

冗余式結構，就算一個模塊損壞時，抽出 損壞模塊，不影響其他模塊的正常使用。

3.1.1．2 制動斬波分柜

系統中共有2個制動斬波分柜，分屬于絞車A變頻柜和絞車B變頻柜。它們與制動電阻一起組成能耗制動裝置，用于消耗絞車運行時逆變器的回饋能量，完成能耗制動功能。

3.2 DES 主電氣房

3.2.1 DES PLC柜的作用

PLC系統選用西門子S7-300系列器件，模塊化、無排風扇結構，易于分布，使得非常適合于石油鉆機井場環境。通過集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口連接到PROFIBUS網上，可以實現CPU與網絡上的各分布式站點直接的高速、可靠的數據傳輸。通過對數字量和模擬量的采集，經CPU的邏輯運算和處理，能分別對各部件進行綜合控制。采用西門子MP370觸摸屏，友好的操作界面，可靠的數據通訊，能夠很好的滿足井場的各種鉆井作業。系統的網絡分布圖如圖2所示。

整個系統采用冷備冗余系統，由2套PLC控制系統組成，分別為1#通道和2#通道。在司鉆房內設置一個"通道切換"旋鈕，當一個通道出線網絡故障的時候，需要停止一切鉆井作業后，然后切換到另外一個通道，繼續使用，不會由于網絡的故障而影響到鉆井作業。

圖2 系統的網絡分布圖

3.2.2 DP網絡系統站點的組成

主站：CPU-317

從站：

(1)絞車A變頻器從站(NPBA-12)

(2)絞車B變頻器從站(NPBA-12)

(3)轉盤變頻器從站(NPBA-12)

(4)泥漿泵A變頻器從站(NPBA-12)

(5)泥漿泵B變頻器從站(NPBA-12)

(6)DES VFD房內工控一體機

(7)DES VFD房ET200從站

(8)DSM VFD房內工控一體機

(9)DSM VFD房ET200從站

(10)自動送鉆變頻器從站(NPBA-12)

(11)司鉆房ET200從站

(12)HMI 人機界面

(13)泥漿泵本地操作箱ET200從站

3.3 DSM 主電氣房

房內包含：兩套泥漿泵變頻柜。作用：兩臺泥漿泵變頻裝置為三臺泥漿泵交流變頻電機提供電源，通過泥漿泵切換柜切換泥漿泵運行組合模式，進行鉆井作業。

1臺PLC柜。DSM PLC柜作用：采集數字量和模擬量，經ET200從站，通過DP網絡送入DES PLC柜內的CPU，進行邏輯運算和處理并綜合控制，1臺泥漿泵切換柜。作用：對泥漿泵的工作模式進行控制切換。鉆井工作時，三臺泥漿泵電機A、B、C只需有兩臺同時工作即可，即分為AB工作模式、 BC工作模式、 AC工作模式。由PLC輸出控制兩臺變頻裝置切換輸出，分別給不同工作模式下的兩臺電機供電。

在司鉆房內的交流電機操作臺上也有三位切換開關，可以對上述三種工作模式進行切換，并且有電位器及其轉輪進行轉送給定。

3.4 運行環境及故障維護

在各個柜子里均裝有加熱器，以防在高濕度的海上運行時因VFD房內濕度過大而無法正常運行。由于海上的潮濕度較大，位于房內的濕度傳感器將對VFD房內的濕度進行檢測，并將檢測到的濕度信號，通過濕度傳感器轉變成電流信號傳給PLC。若濕度大于85%的時，PLC自動輸出報警信號或跳閘命令。

設備在低于海拔1000m高度內，可達額定輸出。若海拔超過1000m，輸出電流將減小，修正系數為：每增加1000m，降低8%。

周圍環境中不應有過量的酸、堿、鹽、腐蝕性氣體和爆炸性氣體。

環境溫度+20℃時，相對濕度應不大于90%。

3.4 交流變頻電動機驅動方式的優點

(1)具有對過電壓、欠電壓、過電流、輸出短路等多項自動保護措施；

(2)具有扭矩和轉速限制功能，實現過載保護，避免損壞鉆具及鉆機；

(3)能實現無級調速，低速性能好，能實現零轉速滿扭矩要求，既可實現橫扭矩無級調速，也可實現橫功率無級調速，特別適合處理各種鉆井事故；

(4)交流變頻電傳動系統負載功率因數高、能耗低、傳動效率高、可靠性高。

(5)在帶負載的情況下，可實現帶載荷平衡啟動、制動和調速、具有軟啟動功能，可降低供電電源容量，增減速時間短。

(6)可根據電動機負荷情況，通過對電動機電流頻率及電流監測，實現實時監測鉆井參數。采用計算機遠程通訊技術，對鉆機進行遠程數據傳輸，并可進行遠程故障監測。

(7)自動化程度高，能大幅減輕司鉆勞動強度，提高安全生產可靠性。

4 變頻柜的技術難點

在變頻技術日趨成熟的今天，集成化、一體化的產品已經逐步占據了市場，散熱的好壞也逐步成為評判變頻柜的標準。

如果要正確的使用變頻器, 必須認真地考慮散熱的問題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數的上升。使用壽命隨溫度升高而成指數的下降。環境溫度升高10℃，變頻器使用壽命減半。因此，我們要重視散熱問題！在變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產生的熱量也是非常大的，不能忽視其發熱所產生的影響。

通常，變頻器安裝在控制柜中。變頻器散熱設計中都是以垂直安裝為基礎的，橫著放散熱會變差的! 關于冷卻風扇一般功率稍微大一點的變頻器， 都帶有冷卻風扇。同時，也建議在控制柜上出風口安裝冷卻風扇。進風口要加濾網以防止灰塵進入控制柜。 注意控制柜和變頻器上的風扇都是要的，不能誰替代誰。

開關頻率：變頻器的發熱主要來自于IGBT，IGBT的發熱有集中在開和關的瞬間。 因此開關頻率高時自然變頻器的發熱量就變大了。

5 小結

變頻技術為海上平臺事業的發展提供令人必要的技術儲備，通過運用數字變頻矢量控制技術，海上平臺鉆機具有以下顯著特點：鉆機具有恒鉆壓、恒轉速、恒泵壓降、自動送鉆，轉盤扭矩限制與調控，泵壓限制與調控，數字化多參數觸摸屏調控、顯示、打印、儲存與遠程通訊，鉆井設備的監視與管理，實現一些自動化必備的專用功能。同時提高了鉆機的智能化水平，提高作業質量，降低作業成本，減輕工人勞動強度，減輕振動，降低噪聲，工作更安全，作業效率大大提高，采用自動送鉆，減少旋轉時間，同時維護保養工作效率大大提高。

(本文文獻格式：胡月雙.變頻技術在平臺鉆機控制系統中的應用[J].山東化工，2017，46(12)：130-132.)

2017-04-12

胡月雙(1983—)，本科，工程師，主要從事海洋石油平臺電氣專業設計工作。

TE922

A

1008-021X(2017)12-0130-03