电控系统是一套石油钻机的核心部分, 也是目前石油钻机研究发展最迅速的, 应用新技术, 新工艺最广泛的部分。PLC通讯、总线控制、微型工控机、大规模集成电路等创新技术都很快在石油钻机的电控系统中得到广泛的应用。石油钻机正朝着智能化、数字化、信息化、网路化、人性化方向迅速发展。交流调速系统, 作为电力电子技术和计算机应用技术飞速发展的产物, 正在取代直流调速系统。变频器及变频交流电机由于其先天性的优势逐步取代SCR可控硅整流及直流电机[1,2]。本文根据ABB变频器的原理与石油钻机现场的工艺要求, 分析ABB变频器在石油钻机50DBS中的应用。
1 工作要求
(1) 绞车电机:工艺要求, 负荷变化较大, 有正反转无极变速, 过载能力强。 (2) 转盘电机:工艺要求, 能精确设定、限制扭矩, 正反转无极变速, 短期过载。 (3) 泥浆泵电机:工艺要求, 精确设定转速。
2 ABB变频器的选型
目前, 使用最多的是ABB公司的AC800系列变频器, ABB变频器的核心控制技术就是直接转矩控制DTC (Direct Torque Control) , 图1为直接转矩控制方法的原理图, 直接转矩控制系统由电机的电压和电流计算出定子磁通, 为了达到一定的定子磁通和电机转矩, 变频器的开关器件 (功率半导体器件) 受调控, 只有在实际转矩值和给定值的偏差超过规定值时, 功率模块的给定才会改变。这和西门子的矢量控制技术有所区别。
根据50DBS钻机变频电机的功率 (两台绞车2×600kW, 一台转盘600kW, 两台泥浆泵2×2×600kW) , 选型如下。
(1) 整流单元 (DSU) ACS800-704-2721-7二极管整流单元, 2套3×D4 (功率2721kV A) 结构的整流单元并联, 由发电机提供600V交流到交流母线, 通过整流进线断路器向其供电, 其中包括供电单元 (二极管供电单元) 、交流电抗器、直流熔断器、主开关、冷却风机电源及其控制。
(2) 逆变单元。选用R8i的逆变单元, 逆变器就是把整流后的直流电源逆变为频率和电压可控的交流电源去控制电机, 逆变柜主要由刀熔开关、预充电回路、逆变模块、逆变控制回路 (包括主控板、光纤分配板等) 组成。刀熔开关带有快熔保护, 主控板通过光纤分配器与R8i逆变模块通讯, 以实现对逆变器的控制、逆变器运行参数的检测和保护。其中用于驱动绞车电机的逆变柜为2×R8i结构, 安装2个R8i模块, 功率900kW, 其中一台可带转盘电机, 即将转盘电机接到绞车逆变器使用、用于驱动转盘电机的逆变柜为2×R8i结构, 安装2个R8i模块, 功率900kW、用于驱动泥浆泵电机的逆变柜为3×R8i结构, 安装3个R8i模块, 功率1400kW;2台均可通过改接电机电缆带不同的泥浆泵, 即1号逆变器带2号泵, 2号逆变器带1号泵。这些R8i逆变器采用模块化书架式设计, 具有冗余功能, 每个模块都是一台单独完整的三相逆变器, 如果其中一台有故障, 能够抽出故障模块后继续轻载运行, 减少停工时间。
(3) 能耗制动单元。能耗制动单元由安装于两台制动柜内的两组 (6个) 斩波器与房外的制动电阻组成, 制动斩波器单元的功能是当直流回路的电压超过规定的限值时, 接通能耗电路, 使直流回路通过制动电阻释放能量, 此时, 绞车电机处于发电状态, 向电网馈电, 直流母线的电压会升高, 接在直流母线上的制动斩波器自动投入。每组斩波器制动功率400kW。制动电阻内部由4组电阻组成, 每组电阻2.3Ω。长时制动功率100kW, 通过这种方式, 与制动电阻一起组成能耗制动装置, 用于消耗直流母线上的所有逆变装置产生的回馈能量, 完成能耗制动的功能, 这套装置取代直流系统的能耗制动, 拓展了交流数字变频钻机的功能。
(4) 自动送钻单元。智能自动送钻系统用ABB 400V 55kW的变频器, 它控制45kW变频电动机, 这个单元和能耗制动单元结合, 取代了直流调速钻机中常采用的电磁涡流刹车, 采用速度传感器闭环控制技术, 实现大范围的调速控制、电动机四象限运行以及零速度悬停功能, 操作简便, 使用安全。自动送钻系统有恒压送钻、恒速送钻、恒泵压、恒扭矩四种模式。主要包括以下部分:送钻电动机编码器、精密压力变送器、操作控制系统。系统具有钻压、钻速和转盘转矩上限限制功能。当实际钻压、钻速和转盘转矩超过设定的上限值时, 系统不仅会报警, 而且会降低转盘变频柜的输出, 防止卡钻, 确保系统安全。
3 结语
纵观这套钻机的ABB变频调速系统, 能同时满足绞车, 转盘, 泥浆泵的工况要求, 由于ABB变频器的强大功能, 模块化, 冗余化设计, 结构紧凑, 滑轮设计, 维修方便, 结合西门子高性能的双通道PLC系统, 数字化显示系统, 现场总线等技术使得这套钻机的性能在已经达到了世界一流的水平。
摘要：目前, 电动钻机由早期的SCR直流调速系统向VFD变频调速系统发展。这两种电控调速系统在国内、国际钻井市场上共存, 但交流调速正在逐步取代直流调速。针对钻井现场作业的工艺对绞车、转盘、泥浆泵不同的工况要求, 介绍ABB变频器在石油钻机中的应用。
关键词：ABB变频器,石油钻机,应用
参考文献
[1] 陈如恒.电动钻机的工作理论基础 (二) [J].石油矿场机械, 2005, 34 (5) :1～6.
[2] 任宏彪, 张大志, 张勇军.基于S7-300型PLC的变频自动送钻系统模糊控制[J].石油矿场机械, 2010, 39 (4) :24～27.