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石油钻机电传动控制系统方案优化配置

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石油钻机电传动控制系统方案优化配置_第1页
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石 油 钻 机 电 传 动 控 制 系 统 方 案 优 化 配 置张 军( 天 水 电 气 传 动 研 究 所 741018)摘 要 提 出 了 石 油 钻 机 电 传 动 控 制 系 统 方 案 配 置 的 基 本 原 则 和 优 化 方 案 及 其 方 法 , 以 为 我国 正 在 进 行 中 的 石 油 钻 机 标 准 化 及 其 钻 机 总 体 方 案 的 定 型 提 供 参 考 和 依 据 关 键 词 钻 机 电 传 动 系 统 方 案 优 化! 概 述石 油 天 然 气 勘 探 与 开 发 用 钻 机 是 由 动 力 机 、 传动 机 与 多 工 作 机 组 成 的 成 套 性 联 合 机 组 , 属 于 重 型机 械 装 备 它 主 要 包 括 旋 转 钻 进 系 统 、 钻 井 液 循 环系 统 、 钻 具 起 升 系 统 、 动 力 机 组 、 传 动 和 控 制 系统 、 底 座 和 其 他 辅 助 设 备 等 国 家 科 技 型 中 小 企 业 技 术 创 新 基 金 项 目 , 立 项 代 码01C26216200257电 驱 动 钻 机 是 目 前 高 性 能 大 型 钻 机 的 主 要 型 式和 发 展 方 向 , 其 基 本 构 成 如 图 1 所 示 。

作 为 钻 机 核心 的 电 传 动 控 制 系 统 属 于 投 资 大 、 技 术 含 量 高 的 技术 资 金 密 集 型 设 备 , 它 主 要 包 括 动 力 控 制 系 统 、 主电 机 驱 动 及 辅 机 配 电 系 统 、 自 动 化 系 统 和 人 机 界 面等 , 一 般 按 照 主 电 机 驱 动 形 式 划 分 为 直 流 传 动 系 统和 交 流 传 动 系 统 图 1 电 驱 动 钻 机 基 本 构 成目 前 , 行 业 内 针 对 浅 井 、 中 深 井 、 超 深 井 钻 机的 驱 动 方 案 基 本 上 有 了 统 一 的 结 论 : 对 于 浅 井 小 型钻 机 主 要 采 用 机 械 驱 动 , 中 深 井 钻 机 主 要 采 用 机 电复 合 驱 动 , 对 于 超 深 井 大 型 钻 机 则 采 用 完 全 的 电 驱动 方 案 对 于 后 两 类 钻 机 具 体 的 驱 动 方 式 则 各 异 ,没 有 形 成 统 一 的 方 案 , 这 也 是 造 成 目 前 国 内 中 、 大型 钻 机 型 式 混 乱 的 一 个 主 要 原 因 " 钻 机 的 基 本 工 艺 与 调 速 要 求钻 机 属 于 重 型 矿 业 机 械 , 工 作 场 所 多 为 沙 漠 、海 洋 等 恶 劣 野 外 作 业 环 境 , 它 是 包 括 绞 车 、 转 盘 、泥 浆 泵 三 大 主 要 工 作 机 的 联 动 系 统 , 在 不 同 的 施 工过 程 中 各 工 作 机 有 不 同 的 组 合 联 动 工 况 。

在 正 常 钻进 中 , 钻 井 泵 和 转 盘 联 动 只 是 在 接 单 根 的 短 时 内 才开 动 主 绞 车 或 辅 助 猫 头 绞 车 在 起 下 钻 具 中 则 只 开动 绞 车 , 偶 尔 短 时 开 动 钻 井 泵 向 井 中 灌 注 钻 井 液 在 划 眼 施 工 过 程 中 则 以 低 参 数 同 时 开 动 绞 车 、 转 盘和 钻 井 泵 调 速 要 求 : 绞 车 驱 动 电 机 按 恒 功 率 原 则 变 矩 变速 , 调 速 范 围 !!10( 一 挡 绞 车 !!30) ; 转 盘 电机 按 恒 转 矩 原 则 变 矩 变 速 并 且 有 转 矩 限 制 功 能 , 调速 范 围 !!5; 钻 井 泵 一 般 用 换 缸 套 的 方 法 来 调 排量 , 但 从 大 缸 套 换 到 小 缸 套 之 前 , 用 减 速 来 调 排量 , 所 以 泥 浆 泵 电 机 的 恒 功 率 调 速 范 围 较 小 , 一 般!!1.5 即 可 系 统 配 置常 规 ZJ70D 直 流 电 传 动 系 统 基 本 形 成 了 被 众 多钻 井 商 认 可 的 固 定 模 式 ( 如 图 2 所 示 ) , 通 过 对 此方 案 简 单 的 分 析 可 基 本 确 定 钻 机 对 电 传 动 系 统 的 基本 要 求 。

动 力 系 统 : 总 装 机 容 量 4000kW( CAT3512DITA> 4) + 300kW( Volvo 应 急 机 组 ) , 随 钻 井 负 荷 的 增加 逐 步 并 机 , 最 大 负 荷 时 三台 CAT机 组 同 时 并 网 发 电 , 另 一 台 作 为 备 用 机 组 ,—"#"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""—· 工 业 控 制 ·《 电 工 技 术 杂 志 》 !""# 年 第 $ 期图 2 ZJ7OD 钻 机 电 传 动 系 统 方 案 框 图Volvo 机 组 用 于 主 机 组 不 开 机 或 故 障 时 的 应 急 电 源 电 传 动 系 统 的 控 制 对 象 是 柴 油 发 电 机 组 , 控 制 目 标是 形 成 稳 定 的 AC 6OOV 电 网 , 并 通 过 功 率 均 衡 电 路实 现 并 网 时 的 有 功 和 无 功 均 衡 分 配 驱 动 系 统 : 绞 车 变 速 箱 为 四 正 两 倒 挡 结 构 , 绞车 和 泥 浆 泵 采 用 双 电 机 驱 动 方 案 以 增 加 可 靠 性 并 具有 单 双 电 机 选 择 工 作 制 式 。

转 盘 实 际 需 要 的 最 大 功率 小 于 6OOkW, 但 为 了 电 机 的 互 换 性 采 用 相 同 的GE752 电 机 ( 或 国 产 YZOSA) 每 台 电 机 均 由 独 立的 全 数 字 SCR 传 动 柜 提 供 可 调 的 直 流 电 源 单 象 限运 行 自 动 化 系 统 : 采 用 PLC/继 电 器 冗 余 的 正 常 /应急 操 作 控 制 方 案 , 通 过 现 场 总 线 技 术 Profibus— DP实 现 数 字 化 设 备 间 的 通 信 联 络 人 机 界 面 为 单 一 的硬 件 操 作 环 境 , 并 设 有 工 业 监 视 系 统 系 统 方 案 的 优 化 选 择近 几 年 , 随 着 大 功 率 交 流 变 频 技 术 的 日 益 成熟 , 变 频 驱 动 的 交 流 钻 机 在 我 国 的 发 展 正 方 兴 未艾 , 各 种 应 用 方 案 也 层 出 不 穷 , 但 绝 大 部 分 方 案 仅仅 只 是 套 用 直 流 钻 机 的 传 统 思 路 , 没 有 把 交 流 电 动机 及 其 驱 动 系 统 的 优 势 和 钻 机 及 其 钻 井 工 艺 紧 密 的结 合 起 来 , 钻 机 的 功 能 没 有 得 到 有 效 的 提 升 , 反 而造 成 电 传 动 系 统 投 资 的 大 幅 上 升 , 这 种 名 义 上 的 变频 钻 机 尽 管 采 用 了 先 进 的 矢 量 控 制 ( VC) 或 者 直接 转 矩 控 制 ( DTC) 技 术 , 但 实 际 意 义 不 大 。

"# 新 技 术 的 应 用 要 有 利 于 促 进 钻 井 效 率 的 提 升交 流 电 动 机 由 于 没 有 换 向 器 而 能 有 更 高 的 额 定转 速 , VC 或 DTC 控 制 可 以 实 现 交 流 电 机 更 宽 的 调速 范 围 , 这 种 技 术 特 征 直 接 促 进 了 单轴 一 挡 绞 车 在 国 外 的 普 遍 应 用 ( 国 内才 刚 刚 开 始 ) , 传 动 系 统 的 进 步 有 效地 简 化 了 绞 车 机 械 传 动 的 结 构 和 体积 就 电 传 动 系 统 而 言 , 天 水 电 气 传动 研 究 所 在 国 家 科 技 型 中 小 企 业 技 术创 新 基 金 项 目 的 支 持 下 , 深 入 挖 掘 了变 频 传 动 的 技 术 优 势 , 利 用 变 频 器 的能 耗 制 动 功 能 在 国 内 率 先 实 现 了 绞 车电 机 的 四 象 限 运 行 , 并 在 此 基 础 上 通过 增 加 送 钻 电 机 实 现 了 钻 进 过 程 的 自动 送 钻 , 大 大 改 善 了 司 钻 工 人 的 劳 动强 度 , 有 效 促 进 了 钻 井 效 率 的 提 升 。

由 于 绞 车 和 送 钻 电 机 通 过 变 频 装 置 的 能 耗 制 动实 现 了 四 象 限 运 行 ( 钻 机 自 备 电 站 不 允 许 电 能 反馈 ) , 与 直 流 钻 机 相 比 , 下 钻 过 程 始 终 处 于 受 控 状态 ( 直 流 钻 机 是 依 靠 司 钻 手 动 控 制 刹 车 人 工 下 钻 ) ,这 为 绞 车 的 半 自 动 提 升 以 及 提 升 过 程 的 功 率 保 护( 钩 速 限 制 在 功 率 允 许 的 范 围 之 内 ) 、 软 件 实 现 游 动系 统 的 防 碰 保 护 创 造 了 良 好 的 实 施 条 件 , 不 仅 提 高了 钻 井 效 率 而 且 有 效 保 证 了 安 全 生 产 驱 动 系 统 的 四 象 限 运 行 同 时 还 为 自 动 化 系 统 的方 案 实 施 创 造 了 条 件 , 最 显 著 的 改 善 在 于 司 钻 操 作界 面 的 提 高 , 与 直 流 ZJ7OD 相 比 , ZJ7ODB 采 用 了双 PLC 冗 余 的 操 作 回 路 , 并 能 通 过 触 摸 屏 HMI 设备 实 现 钻 机 的 软 件 操 作 环 境 , 系 统 方 案 如 图 3 所示 。

"$ 紧 密 结 合 钻 井 工 艺 确 定 最 佳 的 控 制 方 案为 了 保 证 钻 井 工 作 不 会 由 于 重 要 设 备 的 故 障 影响 作 业 时 间 , 大 多 钻 井 商 在 7OOOm 钻 机 的 基 本 配 置上 增 加 了 第 三 台 泥 浆 泵 作 为 备 用 , 此 时 , 如 果 仍 然按 照 原 来 的 思 路 配 置 电 传 动 系 统 的 方 案 , 不 仅 增 加了 装 置 的 体 积 , 而 且 使 系 统 显 得 复 杂 化 , 且 成 本 增大 钻 井 工 艺 基 本 没 有 三 台 泵 同 时 使 用 的 要 求 , 并且 有 后 备 的 泥 浆 泵 , 此 时 应 该 采 用 如 图 4 所 示 的 驱动 方 案 绞 车 和 转 盘 电 机 仍 旧 由 独 立 的 SCR 驱 动 ,泥 浆 泵 则 采 用 “ 一 拖 二 ” 方 案 , 即 每 台 泥 浆 泵 的 两台 电 机 由 一 台 大 功 率 SCR 柜 驱 动 , 靠 串 励 电 动 机的 特 性 较 软 来 实 现 双 电 机 的 同 步 运 行 此 时 , 不 仅节 约 了 投 资 , 而 且 使 系 统 显 得 简 洁 整 齐 , 房 体 尺 寸—!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!—《 电 工 技 术 杂 志 》 !""# 年 第 $ 期 石 油 钻 机 电 传 动 控 制 系 统 方 案 优 化 配 置图 5 ZJ7ODBF 钻 机 电 传 动 系 统 方 案 框 图图 4 ZJ7OD 钻 机 ( 有 3 号 泵 ) 电 传 动 系 统 方 案 框 图图 3 ZJ7ODB 钻 机 电 传 动 系 统 方 案 框 图也 没 有 增 加 。

"# 突 出 技 术 性 能 价 格 比对 电 传 动 系 统 而 言 , 突 出 技 术 性 能 价 格 比 的。

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