国产化变频电控系统在中海油旅大10-1平台修井机的应用

• 关键词：修井机,交流变频,矢量控制
• 摘要：本文介绍了国产交流矢量变频系统在渤海旅大10-1平台修井机项目中的应用。对修井机系统做了概要介绍，对变频驱动系统优势做了详细介绍，对关键电控部件国产化的前景做了展望。

一、工程描述
1、项目背景
修井机可根据要求在海洋平台上的每一口井中进行侧钻井，完成侧钻井井口装置的安装，还可完成油气井小修、检泵、打捞、修套、封堵等作业。修井机主要由司钻台、绞车、转盘、泥浆泵、游吊系统、传动系统、液路系统、气路系统、井架等组成。

旅大10-1（后称LD10-1）为我司在渤海区域的一个井口平台，位于渤海距离绥中码头70海里左右的海域。现新增一四腿井口平台旅大10-1 WHPC平台，外挂在原旅大10-1WHPA平台南侧，设有井口、修井机，井槽排列为4×6。

WHPA平台现有一个柴油机直接驱动的绞车、泥浆泵修井机系统，由于噪音大、速度控制不灵活、方向切换过程复杂、设备操作难度大、系统损耗大等原因；在WHPC平台新配置一台修井机，兼顾2个平台的钻修井作业，我们在外挂C平台上修井机系统时，选择了交流矢量变频器驱动的绞车、泥浆泵系统。

由于海洋钻/修井平台环境恶劣，可靠性要求高，一直以来，只选用国外ABB、西门子两个品牌的变频器产品。随着近年国产品牌变频器技术的迅速提升，我司已经掌握了相应的技术能力。

通过我司与客户的紧密配合，专门定制了针对海洋钻/修井平台环境的变频驱动修井机电控系统。

2、系统简介
LD10-1海洋平台修井机系统采用我司HE300工程型变频器传动方案。变频系统电压等级为690V，由2台1250A进线柜，2台1200kW基本整流柜经整流后组成共直流母线架构，逆变侧配置2台1000KW逆变柜分别驱动绞车/转盘和泥浆泵，其中绞车/转盘电机额定功率800kW/600V，泥浆泵电机600kW/600V。为了实现绞车的快速启停，配置了1200kW的内置制动单元。整套驱动控制系统通过Profibus-DP总线连接HE300工程型变频器、西门子S7-300 PLC以及司钻台等设备，从而实现了绞车对钻杆的提升、下放作业，泥浆泵对泥浆的循环作业。下图是修井机系统控制框图。

图1-1 修井机系统框图

二、产品选型与配线
1、产品选型
依据LD10-1海洋平台修井机的电压等级、电机功率并结合实际工况，作如下选型：

2、电气接线图
以下接线图中主要包含主回路、辅助电源回路、制动单元回路、编码器的接线方式。

图2-1 变频器电气接线图

三、现场使用情况

1、现场总线控制技术与人机界面交互监视与显示
综合控制柜中的西门子工业计算机挂接到SIEMENS-300-PLC 网络，实现与PLC 主站的数据通讯。变频器通过现场总线Profibus-DP 协议与PLC 监控软件通信，实现现场主要设备的状态和主要参数的监控；主要钻井参数的数据采集、数据处理、实现对整个LD10-1 油田综合调整修井机服务项目的保护、故障检测与报警显示；实现控制系统故障记录、系统故障自诊断、变量记录，实时和历史数据的趋势分析及打印，数据浏览查询与打印；在相关画面上通过选择数据库按钮，实现历史数据与实时数据的浏览与打印。
钻/修井机电控系统由人机监控组态软件、控制程序软件、变频程序软件组成。人机界面操作简单，工艺流程全过程监视、显示实时信息、历史趋势画面等等。
自动控制系统的构成由综合控制柜中的PLC S7-315 作为主站，司钻控制台内安装的ET200M、触摸屏、司泵控制台内的ET200M、绞车变频器、自动送钻变频器、转盘变频器、泥浆泵变频器等作为从站，司钻控制台中安装的触摸屏、综合控制柜面板上安装的PC 机通过各自的DP 接口连接到Profibus—DP 总线上，实现钻/修井机电控系统的参数设置、监控、数据显示、数据记录、故障自诊断、故障报警等功能。
LD10-1 油田综合调整修井机服务项目在正常工作时，司钻可以通过司钻控制台上的触摸屏监控与钻井工作/工序状态相关的钻井参数和相关钻井设备的主要运行参数，并可以实现钻压、转速、转盘扭矩限幅等参数和功能的设定。

图3-1 数据监控画面

变频器配置有液晶操作器SOP-30，SOP-30通过CANLINK总线与变频器实时通信，实时监控多个运行参数，并方便切换参数；同时SOP-30友好详细的中文注释，使得用户可以在无说明书的情况下进行监控参数更改、控制变频器、进行故障分析等。

图3-2 变频器液晶操作器

2、绞车驱动电制动及与泥浆泵驱动共直流母线
制动单元具有电子检测和控制回路，可以实时检测绞车变频器直流回路的电压，在下钻作业中，游动系统通过滚筒拖动绞车驱动电机反转，电机在矢量控制变频器的作用下处于“发电”工况，当变频器直流回路的电压超过阈值后，制动单元以斩波的方式控制外部的制动电阻接入变频器直流回路，并以能耗制动的方式将能量消耗在制动电阻上，这种能耗制动单元加外部制动电阻的制动方案称为电制动，保证了绞车在最大钩载下放时的制动特性，弥补了液压盘式刹车的不足，提高了操作的安全性和可靠性。而且绞车驱动电机的能耗制动具有与液压盘式刹车的连锁控制功能。

泥浆泵变频器和绞车变频器共直流母线的多传方案，在绞车“发电”工况下，可以为共母线的泥浆泵变频器提供能量，降低了系统的损耗，减少了前级柴油发电机的油耗，提高了电能的利用率。

3、转盘的无级调速及正、反转切换
转盘的转速可实现0～额定转速范围内的无级调速，根据钻井工艺实际工况的需要（井深、泥浆性能、钻头类型、钻头直径、地层岩性、钻进或地质需要等）设定转盘转速，可有效地提高钻进速度，提高钻井时效，降低钻井成本。

司钻控制台设置有一转盘转向指配开关，根据钻井工艺和钻井工况需要，把转盘转向开关设置为“正转”或“反转”（转盘反转时，设置有反转口令和确认按钮，以免误操作而造成钻井事故）。根据实际情况顺时针转动转盘，再通过手轮设定扭矩限幅，给定当前的工作所需扭矩限定值，然后旋转转盘转速给定手轮，就可以控制转盘按选择的旋转方向和给定转动速度运转，转速给定手轮旋转的角度越大，则转盘的转速越高，根据钻井工况的需要，司钻可以随时改变转盘的转速。

采用闭环矢量变频驱动方案就能完美的实现无级调速和快速正反转切换。这也是直接柴油机驱动方案不可避免的缺点。

4、转盘的扭矩限幅功能
转盘变频器的扭矩限幅功能可以在转盘驱动电机最大输出扭矩的0-100%之间任意调节设定。钻进时，通过PLC采集变频器（转盘和绞车共用变频器通过机械挂档切换）的电压、电流、频率及实际转矩并在触摸屏上进行显示。正常钻井作业时，转盘输出扭矩动态工作在扭矩限幅设定的范围内，当出现井下异常情况、转盘扭矩超过扭矩限幅设定值时，变频器维持扭矩限幅设定值，超过设定时间时，变频器报故障、停机，并与转盘惯性刹车联锁动作，实现转盘扭矩限幅保护，避免发生钻具事故。钻井工作过程中，司钻可根据钻井工艺及钻具的实际情况，通过司钻控制台上的转盘扭矩限幅设定手轮，随时调整转盘扭矩限幅值的设定。转盘运行过程中，发生扭矩超限时变频器具有扭矩缓释功能。

早期修井机方案采用的液力变矩器，本身有较大的传动损失，效率较低，配备必要的供油、冷却等辅助系统，结构复杂，每年都需要进行检修。采用变频器的扭矩限幅功能，以及无级调速功能，可以省去液力变矩器，从而提高能源利用率，降低系统故障率，减少维修成本。

5、闭环矢量控制优势
采用变频器，驱动绞车电机时的数据可使内部进行高速、数字化、无错误的数据交换，抗干扰能力强，同步精度高。在低频时能产生高的启动转矩并改善启动及低速时转矩的动态响应。

绞车采用单轴电机驱动，PLC 通过采集主电机的运行数据和滚筒的转数信号，判断游车起下钻工况，自动计算出游车的位置、速度，通过PLC 控制程序发出控制信号，使绞车驱动电机以给定的速度驱动滚筒，实现绞车起下钻功率的合理利用和提高钻井时效。

利用交流变频调速范围宽的优势，游车速度为0-1.2m/s，满足钻井的工艺要求，实现绞车速度的闭环控制和游车高度位置闭环控制的有机结合,不仅可大幅度地提高钻井时效，而且增强了设备运行的安全性和可靠性。

绞车驱动变频器由于采用了矢量控制方案，使得绞车驱动电机在零转速时也能输出额定转矩(悬停状态)，这是直流电机驱动钻机所不能比拟的。

6、故障分级处理
系统出现警告类故障时，司钻台远程复位即可继续使用；出现严重故障时，变频器会断开进线柜断路器并提示故障。例如，在高速情况下紧急抱闸刹车，变频器会检测到瞬时电流以及瞬间输出功率很大，发电机瞬间输出电压会降低，当低于欠压点时变频器报欠压故障，紧急停车。

故障级别分为：
级别一 故障自由停车；
级别二 故障减速停车；
级别三 故障降额继续运行；
级别四 继续运行，限制上限频率；
级别五 继续运行，不可以再启动；
级别六 继续运行，可以在启动；
级别七 屏蔽故障

7、维护便利
系统配置有熔断式隔离开关，隔离和保护一体，支持本组逆变柜在线维护，柜外操作，安全可靠。高分断能力快速熔断器，可实现快速安全保护，提高产品可靠性，迅速分离故障部件并投入冗余备件，大大提高了维护的便利性，缩短了故障停机时间。

图3-3 平台实景&电控系统内部图

四、总结
该系统选择了我司生产的HE300工程型变频器产品。通过与客户的通力合作，定制化开发，满足了海洋石油现场高盐雾、高湿气等恶劣工况与特殊需求，至今运行稳定可靠，已经无故障完井、修井多口，深得业主及井队的一致好评。

相较进口品牌：国产品牌快速的交货周期，客户工程进度的有效配合，为建设节省了时间成本，更低的投资费用及运行备件费用，为建设节省了资金成本，提高客户的经济效益30%以上；针对性的定制化开发，成套系统解决方案提供，为产品环境、工况适应性得到了满足。使得系统可靠性、易用性、经济效益等大幅提高。尤其我司设计的IGBT单元式封装结构，大大减小了变频系统的体积，并且在兆瓦级功率等级变频器创新地实现了单人现场拆装维护。

该系统项目的成功应用，将加快海洋石油钻/修井平台关键电控部件系统国产化的步伐，推动海洋平台行业产业升级，也提高了设备的综合运营效益。