鉆井現場高壓電代油設備試驗應用

代炳曉，王 臣

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司裝備管理科，河北任丘 062552；2.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘 062552）

0 引言

近幾年，石油鉆機電驅動化得到長足發展，電代油設備因使用靈活、成本降低、環保優勢突出等在各鉆探公司得到推廣應用，其電控系統目前還主要使用600～690 V 低壓變頻調速系統。隨著電力電子技術與變流技術的高速發展，10 kV 及以上高壓變頻調速系統在國內外得到了長足的發展，技術已經成熟，在大型石化項目的主管道泵、注水泵、鼓風機、潛油泵、鍋爐給水泵方面等有著較為廣泛的應用，但在鉆井行業尚未應用。

1 高壓變頻調速系統主要優點

（1）高效率、低諧波。采用多脈沖移相整流變壓器技術，有效降低電源側諧波電流含量，諧波含量＜5%，符合IEEE 519—1992 標準，滿足電網對諧波要求；提高了功率因數，功率因數＞0.96；采用單元串聯多電平技術，無需輸出濾波器，輸出電壓波形近似正弦波，dv/dt 小，適用于遠距離電機驅動，對電纜、電機絕緣無損害；系統效率＞96.5%。

（2）抗電源擾動能力強、適用范圍廣。電源側電壓在90%～110%范圍波動時，系統可滿載運行；電源側電壓低至70%，系統仍可降額運行；具備電壓監測功能，電源側電壓在90%～110%范圍波動時，仍能保持輸出電壓穩定，實現電機長期、安全、穩定運行。

2 高壓電代油設備主要優勢

采用高壓變頻調速系統的電代油設備，相比原來的低壓電代油系統具有以下主要優勢：

（1）進一步提高了傳動效率和電能利用率，整體運行效率將顯著提高。

（2）可以將原低壓網電系統的3 個房體縮小成一個房體，提高整套系統的功率密度，減小了鉆井隊作業占地面積和搬家運輸成本。

（3）整套系統采用智能化的設計，保障設備運行的安全性、可靠性、穩定性。

（4）設計有互聯網通信接口，方便系統數據的遠程傳輸，可為后續實施設備的遠程監控打下基礎。

（5）高壓直驅電代油系統與現有高壓變低壓電代油系統設備對比（表1）。

表1 高壓直驅電代油系統與低壓電代油系統設備對比

綜合以上可以看出，高壓直驅電代油系統在與現用高壓變低壓的電代油系統相比，在不改變接入條件的情況下，進一步簡化了設備、提高了效率，成套設備費用更低，項目的應用將進一步提高鉆機電控、電代油設備應用的先進性、適用性和經濟性，是未來發展的必然趨勢。

3 高壓變頻直驅方案制定及設備配套

3.1 高壓直驅技術方案

結合在用鉆機電代油設備狀況及經常應用需求，高壓變頻傳動電代油設備主要按2 個功能模塊和外圍電纜及輔材組成。

高壓VFD 系統：即網電高壓變頻傳動模塊及操作控制臺。

網電高壓變頻傳動裝置（VFD）采用高壓變頻電機直接驅動鉆機鏈條或皮帶傳動系統，由高壓供配電、高壓變頻傳動、低壓供配電、PLC 綜合控制四大部分組成。高壓供配電系統集中在高壓配電室，由1 臺高壓進線柜、3 臺高壓出線柜組成，負責10 kV（或6 kV）電網電源的接入、保護、分配；高壓變頻傳動系統分為整流變壓器室和功率單元室，共同組成高壓變頻傳動系統，實現2 臺1000 kW 高壓變頻電機的驅動控制；低壓供配電系統由1 臺1600 kV·A 雙副繞組變壓器（10 kV/0.6 kV、0.4 kV）和一個配電開關柜組成，為井場其他配套系統提供AC 600 V、AC 400 V 電源及相應保護；PLC 綜合控制系統采用“PLC+旁路”冷備份手動切換方案，實現司鉆臺與電氣控制房的通信以及電氣控制邏輯，按照鉆井工藝的要求，進行鉆機的操作控制和系統設備的保護及聯鎖等自動化控制。各模塊相對獨立，可根據鉆機現場實際情況（機械鉆機或電動鉆機）互相搭配使用，并可分開運輸。

3.2 系統技術配置與選型

本著成熟、夠用、安全、節約原則，主要部件配置與選型如下：

（1）邏輯控制系統（PLC）采用臺達AS`系列。

（2）變壓器采用山東金曼克或山東泰開產品。

（3）空氣斷路器采用正泰或二一三產品。

（4）電纜采用江蘇上上、江蘇寶勝或上海南洋品牌；插接件采用寶雞友泰或四川永貴。

（5）空調采用惠康空調。

（6）變頻器為完美無諧波的高壓變頻器，采用矢量控制技術，功率因數≥0.95，總諧波電壓畸變5.0%（含）以內。

（7）系統能滿足10 kV 與6 kV 電網要求。

3.3 高壓網電系統設計配套

3.3.1 高壓室

高壓配電室主要完成高壓接入及高壓的供配電，由1 臺高壓進線柜、3 臺高壓出線柜及1 臺UPS 柜組成，負責10 kV（或6 kV）電網電源的接入、保護、分配。

高壓開關柜采用符合中壓10 kV/6 kV 配電要求的環網柜，系統具有控制回路功能，并具有防止系統過壓損壞設備的避雷器。

進線柜含斷路器、隔離開關、熔斷器、避雷器、PT、CT、電流電壓表、計量表、微機控制單元和多功能電力儀表，完成高壓總進線的控制。

出線柜含斷路器、隔離開關、避雷器、接地刀、CT、零序電流互感器、電流電壓表、變壓器綜保單元和多功能電力儀表，完成2 臺高壓變頻器，1 臺高壓變壓器的配電及保護控制。

3.3.2 高壓變頻傳動系統

高壓變頻傳動系統分為整流變壓器室和功率單元室，共同組成高壓變頻傳動系統，實現兩臺1000 kW 高壓變頻電機的驅動控制，主要完成兩臺高壓交流變頻電機的驅動控制。

3.3.3 低壓供配電系統

低壓供配電系統由一臺1600 kV·A 雙副繞組變壓器（10 kV/0.6 kV、0.4 kV）和一個配電開關柜組成，為井場其他配套系統提供AC 600 V、AC 400 V 電源及相應保護。

3.3.4 PLC 綜合控制系統

（1）PLC 綜合控制系統由綜合控制柜及操作控制臺組成，采用“PLC+旁路”冷備份手動切換方案，實現司鉆臺與電氣控制房的通信以及電氣控制邏輯，按照鉆井工藝的要求，進行鉆機的操作控制和系統設備的保護及聯鎖等自動化控制。

（2）綜合控制柜內含1 套PLC、1 套繼電器應急控制和1 臺一體化工控機。PLC 將司鉆操作控制臺（遠程I/O 站）和2 臺變頻器采用現場網絡方式連接，進行協調控制，滿足鉆井工藝要求。一體化工控機（IPC）對各個設備運行的過程參數、狀態進行實時顯示。

3.3.5 電機動力機組模塊

電機動力機組模塊包括2 臺高壓動力機組能夠替換井隊2臺12 V190 柴油機，主軸中心高與12 V190 柴油機組一致（標高：760 mm），并滿足皮帶并車鉆機及鏈條并車鉆機使用要求，動力機組整體防護等級為IP55。高壓變頻電機應適應電壓源型高壓變頻器拖動和控制要求，在環境溫度范圍內使用時（－20～45 ℃），其性能、強度、溫升、振動、噪聲等方面滿足使用要求。適用于野外，油田惡劣工況，風沙雨雪較大的室外作業。

皮帶并車鉆機：2 臺交流變頻電機分別通過萬向軸、減速箱與并車傳動箱聯接，為鉆機提供動力。2 套動力機組可以單機運行、分機運行或雙機運行。

鏈條并車鉆機：2 臺交流變頻電機通過萬向軸與并車傳動箱聯接，為鉆機提供動力。2 套動力機組可以單機運行、分機運行或雙機運行。

電機動力機組在底座上的安裝方式同時具備皮帶并車鉆機與鏈條并車鉆機對電機動力機組安裝的要求，且安裝快捷方便。

電機動力機組通過交流變頻調速滿足鉆井工藝要求，雙機運行時兩機組間負荷自動均衡，可實現恒扭矩無級調速，滿足皮帶并車鉆機與鏈條并車鉆機對速度的要求。交流變頻電機技術參數見表2。

表2 交流變頻電機技術參數

3.4 系統運行的安全保障

（1）系統的總體設計、產品選型、加工制造均需在供方公司取得的《安全標準化》《職業健康安全管理體系》《環境管理體系》下執行，并滿足SY/T 6283—1997《石油天然氣鉆井健康、安全與環境管理體系指南》標準。

（2）總體設計需考慮系統整體的安全、高效、節能；產品選型在保證性能滿足技術要求下選擇綠色、環保、低碳的元器件及材料；加工制造方面需滿足電氣產品的防護等級及石油設施電氣設備的防爆要求。

（3）系統按照TN-S 電制設計，N 線與零線嚴格分開，房內人行通道鋪絕緣膠皮，系統帶電設備掛“有電危險”等提示標牌，房內配備絕緣棒、絕緣手套等安全防護工具，系統整體接地可靠，以上措施確保人身及設備安全。

（4）高壓直驅電代油系統采用安全互鎖設計：①整流變壓器室、配電變壓器室柜門與高壓進線開關互鎖；②高壓進線開關柜送電后與整流變壓器室、配電變壓器室柜門的電磁互鎖；③高壓變頻器運行前、運行時與整流變壓器室的互鎖；④高壓變頻器運行前、運行時與電機高壓接線盒的互鎖；⑤高壓變頻器功率單元柜門、故障與高壓出線柜的互鎖。

4 現場試驗

4.1 試驗綜述

現場在一部ZJ40J 鉆機共試驗4 口井，用電145 萬kW·h，替代柴油388 t，結省柴油費用近180 萬元，設備的現場適用性、先進性、經濟性得到充分驗證，對試驗中存在問題進行了改進，達到了試驗目的。

4.2 試驗電氣參數與低壓電代油對比（表3）

表3 試驗電氣參數與低壓電代油對比

5 總結

（1）通過試驗，高壓網電直驅系統能夠滿足鉆機電代油需要，成套設備配置數量較現用低壓電代油少、線纜更輕便、成套設備成本更低，諧波干擾、效率等性能參數更優，實現了試驗目的。

（2）項目的成功實施解決了網電設備過多、功率因數低等問題，實現了高壓直驅交流變頻系統在鉆井現場的首次應用，更為下一步推廣應用奠定了基礎。

（3）建議在配套電機小型化方面繼續研究，提高電機的運移性。