海上平臺修井機是一種解決油井生產(chǎn)中存在的故障，可進行完井、修井和鉆井的系統(tǒng)，其關鍵部件是驅動絞車/轉盤的驅動機構，泥漿泵電機驅動機構，可靠的變頻驅動系統(tǒng)能有效減少設備故障率，優(yōu)化作業(yè)流程，提高生產(chǎn)效率。該文介紹了匯川技術交流矢量變頻技術在渤海旅大10-1平臺修井機上的應用，簡述了該修井機系統(tǒng)，并對變頻驅動系統(tǒng)進行了詳細的介紹。

一、工程描述

1、項目背景

修井設備可按平臺上每口井進行側鉆，并可完成井口裝置的安裝，也可完成油氣井的小修、檢泵、撈、修套、封堵等作業(yè)。修井機械主要由司鉆臺、卷揚機、轉盤機、泥漿泵、游吊系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、液力輸送系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、井架等組成。

原本配置在鉆井平臺上的柴油機直接驅動絞車和泥漿泵，存在噪音大、速度控制不靈活、轉向復雜、操作困難、能量損失大等問題。，嚴重影響業(yè)主的生產(chǎn)效率和能效考核。為了解決上述問題，業(yè)主決定在C平臺上為外部修井機的絞車和泥漿泵安裝交流矢量變頻器。

2、方案介紹

該平臺修井機的絞車(帶轉盤的共用變頻器)和泥漿泵驅動系統(tǒng)采用690伏電壓等級的多機驅動變頻產(chǎn)品，并配有兩個1250A進線柜和兩個1200千瓦基本整流柜，形成共同的DC總線結構。兩臺1000千瓦變頻柜分別驅動絞車和泥漿泵，絞車電機為800千瓦/600伏，泥漿泵電機為600千瓦/600伏，通過變頻器與Profibus總線連接，實現(xiàn)鉆桿升降和泥漿泵循環(huán)運行的遠程總線控制。

二、產(chǎn)品選型與配線

1、產(chǎn)品選型

依據(jù)該海洋平臺修井機的電壓等級、電機功率并結合實際工況。

2、電氣原理

接線圖中主要包含主回路、輔助電源回路、制動單元回路、編碼器的接線方式。

三、方案優(yōu)勢

1、現(xiàn)場總線控制技術

通過現(xiàn)場總線Profibus-DP協(xié)議，變頻器與 PLC監(jiān)控軟件進行通信，利用人機監(jiān)控組態(tài)軟件實現(xiàn)鉆機和修機電控系統(tǒng)的參數(shù)設置，監(jiān)測，數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)記錄，故障自診斷，故障報警等功能。通過選擇相應畫面的數(shù)據(jù)庫按鈕，人機界面操作簡單，可實現(xiàn)工藝流程全過程監(jiān)控，實時顯示信息，歷史動態(tài)畫面等。在LD10-1油田綜合調修機正常工作時，司鉆可通過控制臺上的觸摸屏，對與鉆井工況有關的鉆井參數(shù)及相關鉆井設備的主要操作參數(shù)進行監(jiān)測，并可對鉆壓、轉速、轉盤力矩等參數(shù)及某些功能進行設定。

通過LCD操作變頻器，而CANLINK總線則與變頻器實時通信，對多個運行參數(shù)進行實時監(jiān)控，方便切換參數(shù)；同時，該變頻器具有友好的、詳細的中文界面，用戶不需指令就可改變監(jiān)測參數(shù)，控制變頻器，分析故障。

2、絞車驅動電制動及與泥漿泵驅動共直流母線

采用電子檢測和控制回路的制動組，可實時檢測絞車變頻器直流回路的電壓，在下鉆作業(yè)中，游動系統(tǒng)通過拖曳絞車來驅動電機反轉，在矢量控制變頻器的作用下，電機處于“發(fā)電”狀態(tài)，當變頻器直流回路的電壓超過閾值時，制動組以斬波的方式控制外部制動電阻進入變頻器直流回路，以能耗制動的方式消耗制動電阻的能量，這種能耗制動單元加外部制動電阻的制動方案稱為電制動，保證了絞車在放大鉤鉤時的制動特性，彌補了液壓盤式制動的不足，提高了運行的安全性和可靠性。而絞車驅動電機能耗制動具有與液壓盤式制動連鎖控制功能。

泥漿泵變頻器和絞車變頻器共用DC母線的多傳動方案，可以在絞車“發(fā)電”工況下為普通母線泥漿泵變頻器提供能量，降低系統(tǒng)損耗，降低原柴油發(fā)電機油耗，提高電能利用率。

3、轉盤的無級調速及快速正、反轉切換

轉盤轉速可以在0~額定轉速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，轉盤轉速可以根據(jù)鉆井工藝實際工況的需要而確定(井深、泥漿性質、鉆頭類型、鉆頭直徑、地層巖性、鉆進或地質要求等)，有效地提高鉆井速度，提高鉆井時效，降低鉆井成本。

司鉆控制臺設有一個轉盤轉向指配開關，根據(jù)鉆井工藝和鉆井情況需要，可將轉盤轉向開關設為“正轉”或“反轉”(如轉盤反轉，可設反轉口令和確認按鈕，以免誤動造成鉆井事故)。在給定當前工作所需的扭矩限值的基礎上，順時針旋轉轉盤中的轉輪，再將轉盤順時針旋轉轉盤中的手輪，就可以控制轉盤按選定的旋轉方向和給定的轉動速度運轉，轉動速度越大，轉盤的轉速就越高，司鉆可根據(jù)鉆井條件，隨時改變轉盤的轉速。

采用閉環(huán)矢量變頻驅動方案就能完美的實現(xiàn)無級調速和快速正反轉切換。這也是直接柴油機驅動方案不可避免的缺點。

4、轉盤的扭矩限幅功能

轉盤變頻器的扭矩限制功能可以在轉盤驅動電機zui大輸出扭矩的0-100%之間任意調節(jié)設定。鉆進時，通過PLC采集變頻器(轉盤和絞車共用變頻器通過機械掛檔切換)的電壓、電流、頻率及實際轉矩并在觸摸屏上進行顯示。正常鉆井作業(yè)時，轉盤的輸出扭矩應在設定的扭矩極限范圍內(nèi)動態(tài)工作。當井下出現(xiàn)異常情況，轉盤扭矩超過扭矩極限設定值時，變頻器應保持扭矩極限設定值超過設定時間，并向故障變頻器報告停機，并與轉盤慣性制動器聯(lián)鎖，實現(xiàn)轉盤扭矩極限保護，避免鉆具事故。鉆井過程中，司鉆可以根據(jù)鉆井工藝和鉆具的實際情況，通過司鉆控制臺上的轉盤扭矩限值來設定手輪，并隨時調整轉盤扭矩限值的設定。在轉臺運行過程中，當扭矩超過極限時，變頻器具有扭矩釋放功能。

早期修井機方案采用的液力變矩器，本身有較大的傳動損失，效率較低，配備必要的供油、冷卻等輔助系統(tǒng)，結構復雜，每年都需要進行檢修。采用變頻器的扭矩限幅靈活、電子無級調速功能完全可以省去液力變矩器，從而提高能源利用率，降低系統(tǒng)故障率，減少維修成本。

5、閉環(huán)矢量控制優(yōu)勢

采用變頻器，驅動絞車電機時的數(shù)據(jù)可使內(nèi)部進行高速、數(shù)字化，無錯誤的進行數(shù)據(jù)交換，抗干擾能力強，同步精度高。動態(tài)響應絞車低頻時可產(chǎn)生高起動轉矩，提高起動和低速時的起動轉矩，用單軸電機驅動絞車， PLC通過 DP總線采集變頻器的工作數(shù)據(jù)和滾筒轉數(shù)信號，判斷滾筒的起鉆狀態(tài)，自動計算出滾筒的位置、速度，通過 PLC控制程序發(fā)出控制信號，使絞車驅動電機按給定的速度驅動絞車滾筒，實現(xiàn)對絞車起鉆功率的合理利用，提高鉆井時效。采用交流變頻調速范圍寬、速度為0-1.2 m/s的方式，既能滿足鉆井工藝要求，又能實現(xiàn)絞車速度閉環(huán)控制與絞車高度位置閉環(huán)控制的有機結合，大大提高鉆井時效，增強設備運行的安全性和可靠性。

絞車驅動變頻器由于采用了矢量控制方案，使的絞車驅動電機在零轉速時也能輸出額定扭矩(懸停狀態(tài))，這是直流電驅動鉆機不能比擬的。

6、故障分級處理

系統(tǒng)出現(xiàn)警告類故障，四鉆臺遠程復位即可繼續(xù)使用;如出現(xiàn)嚴重故障，變頻器會斷開進線柜斷路器并提示故障。例如，在高速情況下緊急抱閘剎車，變頻器會檢測到電流瞬間很大輸出功率瞬間很大，發(fā)電機瞬間輸出電壓會降低當?shù)陀谇穳狐c時變頻器報欠壓故障緊急停車。

故障級別分為：

級別一:故障自由停車;

級別二:故障減速停車;

級別三:故障降額繼續(xù)運行;

級別四:繼續(xù)運行，限制上限頻率;

級別五:繼續(xù)運行，不可以再啟動;

級別六:繼續(xù)運行，可以在啟動;

級別七:屏蔽故障

7、維護便利

熔斷式隔離開關，隔離和保護一體，支持本組逆變柜在線維護，柜外操作，安全可靠。高分斷能力，快速熔斷器，可快速安全保護，提高產(chǎn)品可靠性。迅速切除故障部件并投入冗余備件，大大提高了維護的便利性，縮短了故障停機時間。

變頻器采用單管為單元的模塊化設計，使之在高振動場合機械應力得以分散。功率模塊自重小于25kg,單人即可維護兆瓦級別大功率逆變器。采用低漏感的busbar技術，使系統(tǒng)的驅動性能達到zui佳。

四、總結

該系統(tǒng)選擇了工程型變頻器產(chǎn)品。該海洋平臺公司與變頻器制造商合作，定制開發(fā)，滿足客戶現(xiàn)場高鹽霧、高濕氣等惡劣情況和特殊需求，至今運行穩(wěn)定可靠，已無故障，修井多口，深受業(yè)主和井隊好評。該系統(tǒng)項目的成功應用將加速海洋石油鉆修井平臺變頻驅動系統(tǒng)的國產(chǎn)化，促進海洋平臺產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級。