直流鉆機(jī)系統(tǒng)在自升式鉆井船上的應(yīng)用

黃 波 海油工程股份有限公司設(shè)計公司 300451

直流鉆機(jī)系統(tǒng)在自升式鉆井船上的應(yīng)用

黃 波 海油工程股份有限公司設(shè)計公司 300451

介紹了直流電動鉆機(jī)在國產(chǎn)鉆井船上的應(yīng)用情況，著重說明和分析直流電動鉆機(jī)的調(diào)速原理。通過工程實(shí)際，推薦最優(yōu)運(yùn)行工況，達(dá)到節(jié)能、提高系統(tǒng)電能質(zhì)量的目的。

直流電動機(jī)；調(diào)速特性；無功功率；鉆井船

一、引言

200米自升式鉆井船較常規(guī)海洋石油平臺，電網(wǎng)容量有限，且電力負(fù)荷中存在大量的直流設(shè)備。它們的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行直接影響到整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，并關(guān)系到系統(tǒng)的節(jié)能降耗。本文以直流鉆機(jī)的應(yīng)用為例，分析說明直流電動機(jī)在不同工況下的運(yùn)行特點(diǎn)，選取最佳運(yùn)行方式。為今后直流電機(jī)在有限容量電網(wǎng)中的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)參考。

直流電動鉆機(jī)系統(tǒng)一般包括：泥漿泵、轉(zhuǎn)盤、絞車和控制臺等。鉆機(jī)系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是對電機(jī)的調(diào)速性能要求較高。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜（有換向器）、成本高、需要較多的維護(hù)和保養(yǎng)，應(yīng)用不如交流電機(jī)廣泛。但是，直流電機(jī)具有良好的起動性能和調(diào)速性能，仍然廣泛地應(yīng)用于對起動和調(diào)速要求高的生產(chǎn)機(jī)械中，特別是在陸地及海上鉆井平臺系統(tǒng)中。

二、自升式鉆井船直流鉆機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用

下面以海洋石油工程股份有限公司為中海油服承建的4艘L780船型200米自升式鉆井船為例，介紹一下鉆井船直流鉆機(jī)系統(tǒng)：

1、傳動系統(tǒng)

整個可控硅整流系統(tǒng)有5個可控硅柜、1個電磁剎車柜。采用ACSCR-DC的電傳動方式。絞車為三拖一、轉(zhuǎn)盤為二拖一、泥漿泵為一拖一。但通過切換柜邏輯互鎖關(guān)系控制通路來保證每組可控硅只對應(yīng)控制一套設(shè)備。通過對可控硅元件的控制，將恒壓，恒頻交流電源整流成連續(xù)可調(diào)的直流電源，從而實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，滿足傳動要求。為了保護(hù)整個系統(tǒng)，在進(jìn)線的母排上安裝了電流互感器，并將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?RA70直流調(diào)速器上，這樣確保了傳動柜的結(jié)構(gòu)緊湊，保護(hù)措施嚴(yán)密，安全性能高，工作效率高。具體請見圖1。

2、控制柜

電磁剎車柜：

電磁剎車柜配備Siemens /6RA70系列直流調(diào)速器一臺，為電磁剎車裝置提供調(diào)節(jié)的直流電源。電磁剎車在下鉆、打鉆時使用，原理是通過克服懸重力，使大鉤以一定速度向下運(yùn)動，達(dá)到下鉆和打鉆的目的。

圖1 鉆機(jī)系統(tǒng)主電路圖

圖2 串勵電機(jī)等效電路圖

切換柜：

柜內(nèi)安裝了16個直流接觸器，可利用柜內(nèi)設(shè)定的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)可控硅對直流電機(jī)的一對一控制。此外，還可用直流接觸器改變直流電機(jī)電樞的電流方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤及絞車的正反轉(zhuǎn)功能。

3、高壓泥漿泵

兩臺泥漿泵采用兩套西門子SCR直流調(diào)速器驅(qū)動，其速度控制可通過現(xiàn)場總線在司鉆控制臺上由司鉆進(jìn)行速度調(diào)節(jié)和設(shè)定。在泥漿泵房裝有泥漿泵現(xiàn)場控制臺，可以實(shí)現(xiàn)本地操作（啟動、停止、調(diào)速、測試等）。

泥漿泵采用全數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速較低時可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，且能提供連續(xù)轉(zhuǎn)矩，啟動轉(zhuǎn)矩高。在恒功率時有較大的調(diào)速范圍，體積小、可靠性高。利用此系統(tǒng)驅(qū)動泥漿泵可方便的調(diào)節(jié)泥漿泵的排量，減少泥漿泵缸套的更換次數(shù)。

4、 絞車控制

采用西門子SCR直流調(diào)速器驅(qū)動，其速度控制可通過現(xiàn)場總線在司鉆控制臺上由司鉆進(jìn)行速度調(diào)節(jié)和設(shè)定。

絞車采用全數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速較低時可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，且能提供連續(xù)轉(zhuǎn)矩，啟動轉(zhuǎn)矩高。在恒功率時有較大的調(diào)速范圍，體積小、可靠性高。利用此系統(tǒng)驅(qū)動絞車可方便的調(diào)節(jié)絞車的速度或轉(zhuǎn)矩。

5、 轉(zhuǎn)盤控制

采用兩套西門子SCR直流調(diào)速器驅(qū)動，其速度控制可通過現(xiàn)場總線在司鉆控制臺上由司鉆進(jìn)行速度調(diào)節(jié)和設(shè)定。

全數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速較低時可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，且能提供連續(xù)轉(zhuǎn)矩，啟動轉(zhuǎn)矩高、扭矩限制等。在恒功率時有較大的調(diào)速范圍，體積小、可靠性高。

三、探討直流鉆機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

首先，使柴油機(jī)盡可能運(yùn)行在或者接近持續(xù)功率點(diǎn)，降低耗油率。

其次，盡量提高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低電流，充分利用發(fā)電機(jī)組的容量，盡量減少發(fā)電機(jī)組使用臺數(shù)，降低油耗，減少機(jī)械磨損。

再次，減少直流電機(jī)、發(fā)電機(jī)發(fā)熱，提高電磁效率。

鉆井船使用的直流電機(jī)均為串勵電機(jī)，串勵電機(jī)等效電路圖如圖2所示。

通過分析串勵電機(jī)電磁特性可知：

直流鉆機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方法就是降低直流電機(jī)所需的輸出轉(zhuǎn)矩，提高轉(zhuǎn)速，降低電流，提高直流電壓，從而降低系統(tǒng)發(fā)熱，提高發(fā)電機(jī)與電動機(jī)的效率，提高發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)，使柴油機(jī)能以較大的輸出功率在低耗油區(qū)工作，并盡量減少發(fā)電機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

在工程實(shí)際中可采取如下操作實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行：

首先，在鉆井過程中，根據(jù)需要選定一定的泥漿泵泵壓和排量及轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速后，讓泥漿泵在允許的較高泵沖下工作；選擇盡量低的絞車檔位，讓驅(qū)動絞車電機(jī)在較高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。

其次，在起鉆的過程中，根據(jù)井下復(fù)雜情況，選定一定的起鉆速度后，應(yīng)盡量選擇絞車低速擋位，以達(dá)到電機(jī)低輸出轉(zhuǎn)矩，高轉(zhuǎn)速的目的。

此外，中海油服選用直流鉆機(jī)系統(tǒng)作為鉆井船鉆井系統(tǒng)還有一個考慮，即中海油服現(xiàn)有鉆井操作單元（包括鉆井船及鉆機(jī)模塊等），大部分都是直流系統(tǒng)。目前海洋石油處于快速發(fā)展階段，人員及設(shè)備都處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。若是新建鉆井船采用直流系統(tǒng)，可省下寶貴的人員培訓(xùn)時間及費(fèi)用?，F(xiàn)有直流鉆井單元與新建直流鉆井單元原理及設(shè)備都基本相同，現(xiàn)有直流鉆井單元上的人員經(jīng)過短時間熟悉后，即可熟練的投入到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。此外，直流系統(tǒng)內(nèi)功率相近的元器件如可控硅、直流接觸器等也可互換，在某些特定時候可節(jié)約維修費(fèi)用及成本。

[1]李先允.電力電子技術(shù).中國電力出版社.2006-09

[2]楊中華.直流調(diào)速技術(shù).中國勞動社會保障出版社.2006-05

Drilling rig used in homemade drilling unit

Huang Bo Offshore Oil Engineering Co, Ltd Engineering Company 300451

The article description how the drilling rig used in drilling unit, and introduce the principle of selfvacuum device, and introduce how it adjust the speed function. It’s a good reference for the similar design.

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.021

黃波 男 工程師，1976年生，1999年參加工作，電氣工程師。