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变频
变频器在国内石油钻机的应用
发布时间:
2010-01-12作者:
中国工控网点击:
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1摘要
文章介绍了变频器在石油钻机的应用。
对钻井工艺特点,控制方案,系统组成及注意事项做了简要论述。
钻井过程分为起落井架,钻进,泥浆循环,钻具更换,下套管,测井等几大工序。
主要分为绞车,转盘和泥浆泵等。
绞车由滚筒、齿轮箱、离合器、制动器、电机和控制设备组成,用来起落井架,提升和下方钻杆、套管。
随着井深的增加,钻具越来越长,重量迅速加大,绞车的负载也越来越大。
我国目前已有7000m深的油井,其钻具近600t重。
由于每转进约9m就要提升下放钻杆1次,因此绞车作业时间也随着井深的增加而占整个作业时间的比例越来越大。
为降低成本,希望在野外或海上的作业时间越短越好,这不仅要求绞车宁高速运行,平稳起停,以保证不损坏钻井设备并提高井的质量,还要求驱动设备具有良好的动态特性。
如果在内线井区作业,电源可与井区电网相连,下放钻杆时电机工作在发电状态,能量可回馈电网,节能效果显著。
转盘和绞车可共用同一套驱动系统和电机,钻杆加长后,驱动部分切换到转盘,由转盘带动钻具旋转,实施钻进作业,司钻工通过调节转盘转速和压力来改变钻进速度。
转盘正常工作时为正转,处理卡钻时需反转以收回钻头,为防止钻杆正转时折断或反转时脱扣,要求电机输出转矩平稳,调节灵活且设定限幅值,同时电机的刹车部件也是必不可少的。
泥浆泵相当于整个钻井设备的心脏,它所输出的泥浆的作用类似于人体内的血液。
泥浆从钻杆内部自上而下注入,流过钻头后,再从钻杆和井壁的缝隙自下而上流出,在这一过程中,泥浆协助钻头冲击地壳,冷却钻头,带出碎屑,而更重要的是通过在泥浆中渗入重晶石粉等物质可保持井下一定的压力,以避免井喷,象血液在人体内循环,运送营养,带走废物。
泥浆泵的压力和冲数分别与驱动电机的输出转矩和速度成正比。
绞车负载示意图如图1所示。
2系统配置
1998年我们为新疆石油管理局钻井公司的可打3200m深度的一套钻井设备配置了变频器。
所用产品为SiemensSIMOVERTMASTERDRIVES6SE71电压源型变频器柜。
动力系统由3×800kW柴油发电机组构成,3台机组并网于3相,600V/50Hz交流母线。
传动部分由3×6SE7141整流柜(3×800kW)供电给公共直流母排,4×6SE7135逆变柜(4×400kW)和2×6SE7136逆变柜(2×450kW)共6台逆变柜接到直流母排上,每台逆变柜各驱动1台400kW的电机。
4台电机2台1组共驱动2台泥浆泵,另2台电机为绞车和转盘共用,详见图2。
1)电源采用柴油发电机供电,要求有足够的电压稳定度和频率稳定度。
柴油发电机的额定容量一般小于传动装置容量的5~10倍,属于“小电网”供电,换相缺口大。
SIMOVERTMASTERDRIVES6SE71变频器可保持2~3s的主回路电压等待时间,以克服柴油机瞬时掉电和换相缺口。
2)根据多电机传动情况,采用了公共直流母排方案,这样如果有1个传动装置工作于发电状态,可通过中间回路进行能量交换,仅使用1个总制动电阻。
3)在直流母排上配备自振荡二极管,以免1台逆变器上的直流侧熔断器断开或回馈能量时在母排上产生过电压而影响其它逆变器。
此外,逆变器内部软件中还有Vdmax调节器以避免直流母排因过电压跳闸。
4)同单台变频器传动相比,安装尺寸较小,因为网侧元件,如熔断器、接触器、开关及网侧进线电抗器等可以集中使用1次。
并在机械结构上采取了适应现场恶劣环境的措施。
5)所选逆变器功率相同并可设置4套给定数组和电机数组,在故障时可方便地互相切换,互为备用。
随着绞车/转盘的切换,可实现电流限幅和整套控制数据的自动转换。
6)同一设备的2个变频器之间采用光纤快速(11Mbit/s)通讯和双速度环方案。
在无编码器反馈条件下安全得到有力保证,又使驱动1台设备的2台电机的负载电流静态偏差小于1%,远远优于钻机国家标准规定的10%,控制方案详见图3。
7)如钻机可接入大电网,则可考虑经电能回馈电网,但要事先确认电网的稳定性,以免逆变桥在电网波动时过流。
钻机采用绞车,转盘联合驱动,泥浆泵独立驱动的形式。
钻机主机通过二档分动直角箱,将动力分成两路,一路通过链条驱动滚筒工作;另一路驱动转盘工作。
泥浆泵组由交流电机通过皮带传动驱动泥浆泵工作。
绞车由滚筒轴,绞车架,机械刹车,电磁涡流辅助刹车,链条箱,转盘驱动轴,二档直角分动箱,交流电动机,润滑系统等组成。
钻井平台上配有司钻台,所有控制都可在司钻台完成,并设有麦克风和故障警笛。
3变频器
6SE71变频柜内部配备SIEMENS全数字工程型变频器,整流部分采用晶闸管,逆变器采用了IGBT功率元件,直流母排上由电容作为储能元件。
变频各项功能可随软件灵活设置,实现对同步或异步电机的控制,控制方式也包括V/f,有无测速机的磁场定向控制等。
根据工艺要求,选用无速度传感器的矢量控制方案,拖动异步电机,精度可达到0.1f转差,速度响应时间20ms,转矩响应时间可达到5ms,确保准确快速的调节,同时简化系统,增加可靠性。
3.1简单工作机理
6SE71变频柜采用的控制方案如图4所示。
励磁电流Iu和转矩电流Iw经过电流调节后,再完成电流—电压变换、直角坐标/极坐标变换进入触发装置。
具有矢量变换的电机模型功能块主要由三相/二相变换器、矢量变化器、电机模型(电流模型和反电动势模型)几部分组成。
电枢电流实际值和励磁电流实际值由检测出的三相电流经三相/二相变换后,再与触发装置模块过来的转子磁链的空间相位角q1一起通过矢量变换产生。
公式如下
输出转矩Mact=KIWyR
转子磁链yR由电流模型或反电动势模型计算得到。
在频率小于fs时采用电流模型法,反之为反电动势模型法,fs在参数辨识时确定。
电流模型是根据异步电机的定子电流求yR,但随着磁通饱和或电机绕组温度的变化,要对模型中的参数进行调整,才能保证运算精度,因此只在低速时采用。
而反电动势模型是从电机端电压中减掉绕组的电阻压降,再将电机的反电动势积分得出yR,反电动势在电机转速为额定转速的10%以下时运算不准,一般在速度提高后使用。
变频器在运行时可自动转换,这也确保了矢量控制的精度。
转速实际值由定子电压和电流检测值经电流模型和反电动势模型计算得出。
电流模型计算出的滑差频率fslip,与实际频率fact组成同步频率f,输入触发装置。
3.2PWM调制
6SE71变频柜采用异步空间矢量调制。
在一定的脉冲频率下,通过此种方式可使电机的谐波电流减到最小,以减轻损耗和转矩脉冲。
在这种情况下IGBT通断后电机三相绕组产生的电压矢量在空间旋转,通过调节“占空比”和相邻矢量的值使电压矢量的数值和电压相角可调,这样,输出电压可达到最大值的87%。
当要求90%以上输出电压时,则采用“边缘调制”在60时的方波波形上设置1个或几个槽口以消除电流峰值。
逆变器中IGBT的通断状态如表1所示,相应的电压矢量图如图5所示。
表1逆变器中IGBT的通断状态表
3.3自检测,自设定
由于全数字控制变频器内部软件可灵活配置,利用其本身的硬件设备,通过执行固定的子程序使变频器输出各种电压、电流信号,再对采样数据计算处理可完成内部自动参数设置、静态电机识别、空载试验和调节器优化,得出精度较高的电机参数。
这是调速系统功能的一大扩充,既简化了现场人员的工作,也为提高交流调速系统的性能提供有力保证。
这些测试包括:
接地测试可知所接电机(包括导线)是否有接地故障,以及逆变器中损坏的功率器件;还有脉冲测试,漏磁测试,空载测量以及根据负载特点完成的n/f调节器的优化。
4其它技术特点和注意事项
1)针对钻井工艺特点,可利用变频器内部功能完成负载限制和动态功率限制功能。
由外部操作随意调节电流限幅和柴油机的输出功率报警值,切实保证柴油机安全。
2)编制变频器内部软件功能块实现零位锁定,确保打井过程中变频器不因小故障而停机,杜绝因此类原因引起的卡钻。
3)完成脚踏开关的快提钻杆功能,并禁止其反向工作,缩短工作周期。
4)采用变频器内部控制软件实现允许两台电机并联驱动绞车,而转盘仅允许单台电机驱动,避免转矩过大扭断钻具。
5)电流环的前馈控制保证快速动态响应。
6)利用变频器内部的自由功能块可完成泥浆泵电机的断带保护。
7)操作面板可作为手持终端,每个面板可存储8套参数。
8)控制线缆可采用总线方式,大大减小线缆数量,提高设备可靠性。
9)模块化的结构,可采用水冷方式,适应更加恶劣的环境。
10)免费的SIMOVIS调试、故障诊断软件,适合进一步通讯和自动化。
此外,Siemens公司还可提供以IGBT元件作为整流功率部分的变频器,彻底实现无谐波,功率因数可控,并可在5%额定输入电压下输出额定转矩。
还应注意以下几点。
1)电气柜内的元件应有足够的强度,耐腐蚀,所有连接和紧固件应有防松措施。
2)井场使用的电缆应为耐热,耐油,耐寒,柔软且可承受较大机械外力的阻燃型电缆。
电缆在防护性能较好的电缆桥架上,桥架应为可折叠式。
电缆和对应的连接端应有牢固的标记,接头做防护以免机械损伤和附着物引起接触不良,并且要有良好的密封。
3)井场环境多属“2”类危险区,司钻台和泥浆泵操作台除了加热去湿设备外还应做正压防爆处理,密封性好,选用防锈材料。
以上的设备均应有较高的防护等级。
5结束语
在钻机技术更新、改造过程中,采用先进的变频器应是优先考虑,颇具推广价值的方案。
在实际应用中,应充分使用变频器软件功能,大大简化外部线路,提高了控制水平和对设备的保护,因其性价比高、工艺先进、稳定可靠、维护简单而获得用户的高度评价。
它将大大推动我国石油机械的技术进步。
1 引言
交流变频钻机是国外新发展起来的一种先进的电动石油钻机。
这种钻机在满足石油钻井工艺要求方面具有诸多现用机械驱动钻机和直流驱动钻机无法比拟的优越性,这种钻机的核心技术就是采用交流变频,其可以满足钻机工作在四个象限,上提和下放钻具速度全过程自由掌控,简化了钻机结构,此外交流电机无碳刷,防爆性能大大提高,免除了更换碳刷,从而保障了生产的长期可靠进行。
交流变频钻机是石油钻机今后的发展趋势。
2 全变频石油钻机电控系统配置
50DBS全变频石油钻机电控系统是由上海三高石油设备有限公司和ABB公司联合设计并生产的5000m交流变频钻机,日前已顺利完成中原油田两口井的施工任务,分别为2900m生产井和4500m预探井。
该钻机具有国际领先技术水平,不仅设计理念紧随世界潮流,而且选用了世界一流公司ABB的电气传动设备,运行平稳,安全可靠。
该钻机共有7台800kW交流变频电机,电机由永济电机厂生产。
2台泥浆泵各由2台电机驱动,绞车由2台电机单独或共同驱动,转盘由1台电机驱动。
交流变频电机的控制设备采用的是ABB公司的ACS600Multidrive系列变频器。
钻机的传动系统结构(见图1)包括ABB专门为传动系统而设计的高性能专用控制器(AC80)以及具有明确定义功能和接口的全数字交流变频器控制装置ACS600MultiDrive,AC80控制器适用于交、直流传动,是一个具有全部软件和硬件设备的控制器,用于处理应用中的特殊功能。
1个AC80通过光纤分配器NDBU-95可连接7个数字传动控制器。
数字传动控制器不能编程,但可以通过设置参数来选择不同的工作方式和各种功能。
电机控制程序设置在数字传动控制器中,通过AC80给出的速度或力矩给定进行控制。
AC80采用的两路通讯,冗余控制技术,与ABB变频器采用高速光线通讯技术,可靠性能高。
程序编制充分考虑了钻井工况要求,符合生产实际需要,设备保护完备。
编码器的运用,不仅可以监测大钩高度,而且能够设定绞车自动减速范围和速率,确保安全生产。
ACS600MultiDrive是全数字交流变频器,能达到控制交流电机的完美极限。
ACS600是第一代采用直接转矩控制技术(DTC)的交流变频器,它能够在没有光码盘或测速电机的反馈的条件下,精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。
ACS600MultiDrive主要包含辅助控制单元(ACU)、进线单元(ICU)、供电单元(DSU)、动态制动单元(DBU)、传动单元(DriveSection)、控制单元(ControlSection).
图1 50DBS钻机的传动系统结构图
3 传动系统的设计
(1)供电单元(DSU)
二极管供电单元把三相交流电转化成为直流电,用于非再生传动系统,系统设计中考虑到钻机工作的高可靠性,供电单元的采用冗余配置,2个二极管供电单元构成,其通过控制系统可实现任意单电源或双电源的工作状况选择,从而保证了为逆变器持续可靠的运行。
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(2)传动单元(DriveSection):
每一个逆变器都有一个传动控制单元(DCU),它包括应用和电机控制器(AMC)和标准I/O板。
标准传动控制单元(DCU)位于柜体的侧面,简化了维护工作。
逆变器内部有电容器,用以消除直流母线的电压波动。
它通过熔断器和直流母线连接。
(3)动态制动单元(DBU)
●制动斩波器单元为同步并联的制动斩波器单元。
(见图2)
● 连接到监控系统的控制板,用于侦测系统的状态和处理并联斩波器的同步。
●独立的制动电阻,用于释放制动能量
4 传动的优越性能
(1)电源断电时的运行:
ACS600将利用正在旋转着的电机的动能继续运行,只要电机旋转并产生能量,ACS600将继续运行。
(2)零速满转矩:
由ACS600带动的电机能够获得在零速时电机的额定转矩,并且不需要光码盘或测速电机的反馈。
而矢量控制变频器只能在接近零速时实现满力矩输出。
(3)起动转矩:
DTC提供的精确的转矩控制使得ACS600能够提供可控且平稳的最大起动转矩。
最大起动转矩能达到200%的电机额定转矩。
(4)自动起动:
ACS600的自动起动特性超过一般变频器的飞升起动和积分起动的性能。
因为ACS600能在几ms内测出电机的状态,任何的条件下在0.48s内迅速起动。
(5)精确速度控制:
ACS600的动态转速误差在开环应用时为0.4%s,在闭环应用时为0.1%s。
而矢量控制变频器在开环时大于0.8%s,闭环时为0.3%s。
ACS600变频器的静态精度为0.01%。
(6)精确转矩控制:
动态转矩阶跃响应时间,在开环应用时能达到1~5ms.
图2 制动单元的光纤通讯结构图
5 结束语
一年来的使用情况,ABB变频器性能稳定,自我保护及故障跟踪非常完善,特有的直接力矩(DTC)控制,确保了精度的要求,完全适用于石油钻机。
其特有的主从机转矩控制,使电机负荷分配均匀,机械设备运行相当平稳,制动单元的通过光纤通讯实现的主从控制,保证了绞车系统在能耗制动过程的可靠运行,去掉了原有的电磁涡流刹车装置,变频器采用模块化结构设计,维护更方便。
实践证明,该钻机电控系统满足钻井工况要求,钻机的绞车,.转盘,泥浆泵可实现无级变速,调速范围宽,容易实现钻机的自动化.智能化,和自适应控制.具有转盘扭矩限制功能,可防止钻具或机件的扭断.负载功率因数高,可降低供电电源的容量.目前由于全球油气勘探难度的增加,迫使个石油公司不断采用新技术发展新设备,变频器的应用使钻机性能的全面提高成为可能
500KW/380V国产大功率变频器在石油钻机上的应用
2009年05月08日
摘要:
针对国外变频器价格昂贵、调试周期和维修周期长等特点,我公司自主研发了可替代进口机的高性能钻机国产专用变频器。
该变频器能够从零开始调速,当钻井卡钻时,能及时断开电动机,在低速提升时,能最大限度地发挥电动机的动力特性,提供220%的转矩输出。
变频器易安装、调试、维护,性能稳定,在油田钻井变频领域填补了国内空白。
关键词:
钻机变频器传动系统控制系统
Abstract:
Inconsiderationofthedisadvantageofhighprice,longperiodsofdebuggingandmaintenanceofforeigninverters,aspecialinverterisdevelopedforthehighqualitydomesticdrillrig,whichcanbeusedtoreplacetheimportedrigs.Theinvertercanstartfromzerotothemodulatevelocity,whenlowspeedincreases,powerperformanceofthemotorwillbebroughtintofullplaysand220%torqueinputisprovided.Theinverteriseasytobeinstalledanddebugged,repairedandwithhighstability,hasfilledthedomesticgapsinthefieldofwelldrillingfrequencyconversionofoilfield.
Keywords:
DrillrigInverterActuatingsystemControlsystem
1引言
油田钻机是油井生产的最主要的设备之一,它的正常运转和工作效率直接关系到油井的经济建设和成井率。
由于其钻井工艺的特殊性,对钻机电控设备要求特别苛刻,特别在变频器选用上非常谨慎,长期以来一直是国外产品的天下。
由于国外变频器存在价格昂贵,调试周期长,维修周期长的特点,油田上因变频器故障得不到及时维修,造成质量事故的现象时有发生。
在这种形式下,我公司针对钻机的特殊工况,自主研发了可替代进口机的钻机国产专用变频器。
该变频器体积小,重量轻,便于安装、调试、维护,效率高,性能稳定。
变频驱动钻机较传统钻机有以下优点:
节能,操作简单,无级调速,控制精度高,工作效率高。
变频技术在油田钻机上的开发应用,不仅提高了钻机的水平,改善了钻机的操作性能,更重要的是加强了钻机的作业能力,提高了钻井效率和质量。
2原油田钻机系统存在的问题
大庆市石油管理局井下钻井公司原有一套可打3000m深度的钻井设备。
该设备控制系统主要包括三大部分:
动力系统(由2×500KW柴油发电机组构成,2台机组并网于3相,380V/50Hz交流母线);泥浆循环系统;钻井传动系统(包括1套500KW电机转盘和绞车驱动系统、4台45KW液压泵等)。
现场设备图如下图1示。
针对原控制系统存在工作效率低,操作复杂等诸多问题,我们配合大庆市石油管理局井下钻井公司对该油田钻机进行了变频改造。
具体来说该控制系统存在以下问题:
(1)司钻工只有通过不断更换五个档位,才能调节转盘转速和钻进压力,进而改变钻进速度,工作效率低。
500KW/380V国产大功率变频器在石油钻机上的应用
2009年05月08日
(2)每次换档时,电动机要反复启停几次,在起动过程中会产生过大的启动电流,对电网和其他设备造成冲击,常因电动机启动电流大而引起发电机组电压下降,其他设备无法正常工作。
(3)低速提升时,只有更换低档位才能达到低速控制要求,而电动机在钻井过程中处于工频运行状态,浪费了大量的电能。
图1现场设备图
3技术改造方案
钻井传动系统是油田钻机系统中必备的组成部分,一旦传动系统不能运行,不但影响生产,造成巨大的经济损失(如卡钻),还有可能威胁到现场生产人员的人身安全(如井喷),所以对传动系统要求具有极高的可靠性。
我公司是国内最早研制变频器的公司之一,具有低压大功率变频器多年成功运行的生产经验,且性价比高。
根据“经济、高效、可靠”的原则,大庆市石油管理局井下钻井公司选择了我公司生产的风光牌JD-BP32-500Z(500KW/380V)钻机专用变频器,该钻机专用变频器配备了工业控制计算机作为上一级监控系统,液晶触摸操作,可对各种运行数据进行监控,具备完善的保护功能和定位监控系统,自动化程度高。
3.1钻机专用变频器系统组成框图
该系统组成框图如图2示。
图2钻机专用变频器系统组成框图
K万能断路器
C交流接触器
M绞车电机
3.2钻机专用变频器系统介绍
该系统包括四部分∶
1)进线开关柜
开关柜的主要功能是负责设备供电、变频器外围设备的过电流保护以及变频器控制电源的滤波。
主要由万能断路器、交流接触器和控制电源的滤波组成。
2)变频柜
变频器由两个交-直-交逆变单元组成,采用单元并联技术,增大了变频器容量;采用公共直流母排方案;采用独特的吸收电路(如图3所示),减小了di/dt,保护了功率模块,增大了安全系数。
因钻机工况的特殊性,当钻机遇到岩石等硬质层时,电流会在瞬间升高很大,产生对模块的直接冲击,长此工作之后,会造成模块应力的下降,为提高模块的使用寿命,采用了传感器取样和IGBT结压降保护相结合的双重保护,从而减少了特殊情况下对模块的极限冲击,即使输出相间直接短路,模块也能在10us内及时封锁输出,保护了变频器,提高了整机的安全性和可靠性。
图3吸收电路图
U+正母线
U-负母线
IGBT功率模块
R电阻
D快恢复二极管
C电容
3)制动单元
该部分主要负责系统快速停机时,耗掉系统的惯性能量,内含刹车电阻和刹车控制系统,采用芯片自处理技术控制刹车界限,安全可靠。
因为钻具提升下放中,电动机有发电状态,造成变频器母线电压升高,对主电路器件安全造成威胁,所以需要外加能耗制动单元,将母线电压保持在安全范围以内。
当母线电压高于设定值时,刹车控制芯片输出占空比随母线电压成线性变化的PWM信号,这就使刹车比较平稳,传动系统没有冲击,延长了设备寿命。
刹车电路如图4示。
图4刹车电路图
U+正母线
U-负母线
IGBT功率模块
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