具有能量管理與高功率因數(shù)的直流鉆機(jī)電控系統(tǒng)

靳　龍，張繼偉，田　斌，金志雄

（西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊830011）

具有能量管理與高功率因數(shù)的直流鉆機(jī)電控系統(tǒng)

靳龍，張繼偉，田斌，金志雄

（西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊830011）

摘要：直流鉆機(jī)價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡單，但運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)低、諧波大，機(jī)組功率搭配適應(yīng)各種工況的能力差，油耗高。針對(duì)這些缺陷，本文提出了各種治理措施。配置電能綜合管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示各種參數(shù)并及時(shí)發(fā)出并網(wǎng)、解列提示以盡量節(jié)省燃油；控制輔機(jī)與主機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，在最大范圍內(nèi)合理搭配功率，少開主機(jī)以降低油耗；配置無功補(bǔ)償和諧波治理系統(tǒng)，提高功率因數(shù)、釋放機(jī)組能力、提高負(fù)載率以達(dá)到少開機(jī)組節(jié)省燃油。關(guān)鍵詞：直流鉆機(jī)；固有缺陷；應(yīng)對(duì)策略；電能綜合管理系統(tǒng)；輔機(jī)并網(wǎng)；降耗節(jié)能

1　引言

直流鉆機(jī)為直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的簡稱，指鉆機(jī)的絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵等機(jī)械設(shè)備由直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)來拖動(dòng)，是目前石油天然氣鉆探行業(yè)的主流裝備之一。雖然其以價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)得到了普遍使用推廣，但也存在運(yùn)行功率搭配不盡合理、機(jī)組負(fù)載率低、電網(wǎng)功率因數(shù)小等許多缺陷，在5000m以上的深井鉆機(jī)運(yùn)行中表現(xiàn)特別突出，會(huì)造成油耗高、效率低、使鉆井成本居高不下的后果。為了在新配套的鉆機(jī)上保持優(yōu)點(diǎn)、克服缺陷，使直流鉆機(jī)得到更好的應(yīng)用，西部鉆探工程公司設(shè)備處組織人力、物力進(jìn)行深入調(diào)研、認(rèn)真分析、統(tǒng)籌規(guī)劃，提出了一套完整的應(yīng)對(duì)策略，即配置能量管理和無功、諧波治理系統(tǒng)。此方案已在新配套的ZJ70D鉆機(jī)上的具體實(shí)施，經(jīng)過現(xiàn)場使用和測試，達(dá)到了預(yù)期的目的。本文就其治理方案及實(shí)際使用情況做一介紹，以供同行參考。

2　常規(guī)配置和機(jī)組并法

直流鉆機(jī)電控系統(tǒng)主要包括動(dòng)力（柴油發(fā)電機(jī)組）控制、鉆井機(jī)械電氣傳動(dòng)（SCR變流調(diào)速）控制、輔助鉆井供配電（MCC）控制、操作協(xié)調(diào)（PLC）控制等功能模塊。一個(gè)典型的ZJ70D鉆機(jī)的電控系統(tǒng)常規(guī)配置單線圖如圖1所示。

圖1　典型的ZJ70D鉆機(jī)SCR常規(guī)配置單線圖

其中柴油發(fā)電機(jī)組根據(jù)工況需要，由1－4臺(tái)并網(wǎng)構(gòu)成鉆機(jī)的AC600V供電電源，電力電子調(diào)速裝置為晶閘管（SCR）變流調(diào)速控制系統(tǒng)，傳動(dòng)電機(jī)大多數(shù)為直流串勵(lì)800kW，DW、RT、MP分別代表絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵鉆井機(jī)械，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組容量較小，一般約為400V、400kW。常規(guī)的機(jī)組并法，是根據(jù)鉆井工況，最少1臺(tái)，最多4臺(tái)，當(dāng)需用功率大于1臺(tái)而小于2臺(tái)的能力時(shí)，并2臺(tái)，其余依次類推；輔助鉆井的400V供電通過電力變壓器從主電源600V降壓獲得；應(yīng)急機(jī)組作為備用，只在不鉆井的間歇期間使用很短一段時(shí)間，它提供的400V與從變壓器獲得的400V不能同時(shí)存在，二者只能用一。

3　存在問題及原因

直流鉆機(jī)存在的問題主要為：①在一些鉆井工況運(yùn)行時(shí)難以合理搭配功率、不能智能處理持續(xù)需用功率與短時(shí)沖擊需用功率的轉(zhuǎn)換；②電網(wǎng)的功率因數(shù)低導(dǎo)致機(jī)組的負(fù)載率小、效率低；③諧波大導(dǎo)致使用400V的電機(jī)增加了許多無謂的熱損耗，降低了鉆井效率。造成①項(xiàng)的原因是鉆井工況實(shí)際需要所致，無論是交流變頻還是其他新型鉆機(jī)都存在，對(duì)于需要大于1臺(tái)而小于2臺(tái)能力的工況（例如起下鉆沖擊瞬間等），只能選擇兩臺(tái)并網(wǎng)，這個(gè)問題比較難以克服；對(duì)于②、③項(xiàng)的原因是SCR內(nèi)部器件的非線性所致，根據(jù)鉆井工況所需的變速要求，電網(wǎng)的功率因數(shù)隨工況的變化在0.2－0.8之間變化，容量已經(jīng)固定的發(fā)電機(jī)為適應(yīng)這個(gè)變化，只能調(diào)整輸出電流，而電流的最大值在確定了發(fā)電機(jī)后也已固定，因而會(huì)造成柴油機(jī)的配置能力不能充分發(fā)揮，負(fù)載率很低。以CAT3512B＋SR4（柴油機(jī)功率1200kW、發(fā)電機(jī)容量1900kVA）為例，通過對(duì)許多井隊(duì)的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，在生產(chǎn)運(yùn)行期間，最大有功功率僅為700kW、無功在100kVAR－850kVAR之間，有功負(fù)載率僅為58%。根據(jù)其油耗率曲線，負(fù)載率58%的油耗率（245g／kWh）比100%（205g／kWh）時(shí)的高約19.5%，以1臺(tái)70電動(dòng)鉆機(jī)油耗月均150噸、鉆機(jī)利用率0.7、到井柴油單價(jià)7000元／噸計(jì)算，這會(huì)帶來每年150×12×0.7×7000×19.5%＝172萬元、245噸的柴油油耗損失。

4　應(yīng)對(duì)策略及方案

根據(jù)以上原因的分析，針對(duì)這些缺陷，提出以下應(yīng)對(duì)策略：①配置機(jī)組的電能綜合管理系統(tǒng)，在線監(jiān)控柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷及利用率，自動(dòng)計(jì)算是否需要投切機(jī)組，同時(shí)配置燃油流量檢測和顯示系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測燃油消耗，作為電能綜合管理的基礎(chǔ)；②使應(yīng)急機(jī)組工作于正常、并網(wǎng)兩種模式，正常模式下供電與常規(guī)相同；并網(wǎng)模式下允許400V輔機(jī)經(jīng)變壓器與600V主機(jī)并網(wǎng)，并網(wǎng)后按比例進(jìn)行有、無功功率分配和均衡，作為鉆井工況功率搭配的補(bǔ)充方法以節(jié)省柴油；③配置無功補(bǔ)償和諧波治理系統(tǒng)，以提高功率因數(shù)、消除諧波，充分發(fā)揮機(jī)組能力以盡量減少并網(wǎng)數(shù)量，節(jié)省燃油。具體實(shí)施方案為：對(duì)策略①、②項(xiàng)，由于其與操作協(xié)調(diào)控制（PLC）功能結(jié)合緊密，因此與整個(gè)控制系統(tǒng)統(tǒng)一考慮；對(duì)③項(xiàng)，考慮要配置無功補(bǔ)償和諧波治理系統(tǒng)的靈活機(jī)動(dòng)性（用于其它井隊(duì)），最佳方案為統(tǒng)一接口，單獨(dú)成套。

5　關(guān)鍵環(huán)節(jié)和要求

針對(duì)以上實(shí)施方案，有以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)需要注意：①應(yīng)急機(jī)組，無論是電啟動(dòng)還是氣啟動(dòng)，要求其調(diào)速、調(diào)壓特性與主機(jī)相同，對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)也需要與主機(jī)相同；②電能綜合管理系統(tǒng)，至少應(yīng)滿足實(shí)時(shí)顯示單機(jī)和并網(wǎng)機(jī)組的有功、無功、總功、負(fù)載率，對(duì)負(fù)載率超出正常范圍的設(shè)備提出警示；當(dāng)在網(wǎng)后備功率不足且時(shí)間超過系統(tǒng)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，能自動(dòng)減小在用負(fù)載，以保證機(jī)組不會(huì)跳閘；能夠設(shè)定負(fù)載特性和持續(xù)時(shí)間，具有智能判斷間歇性負(fù)載和持續(xù)性負(fù)載并有相應(yīng)的控制策略；具有聲光和文本提示功能，能提醒使用者啟動(dòng)或停止某臺(tái)機(jī)組，按照要求輸出相應(yīng)報(bào)表；③對(duì)無功補(bǔ)償和諧波治理系統(tǒng)功能的最低要求為：柔性投切電容，切換閥值和時(shí)間窗口人工可調(diào)。

6　運(yùn)行實(shí)際及測試結(jié)果

2013年1月至2014年10月，某鉆探工程有限公司設(shè)備處，在ZJ70D鉆機(jī)的電控系統(tǒng)制造時(shí)，按照以上設(shè)想提出了配套要求，該公司下屬鉆井隊(duì)ZJ70D鉆機(jī)組建完成后，在運(yùn)行期間對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過仔細(xì)分析數(shù)據(jù)并和實(shí)際對(duì)比，基本達(dá)到了預(yù)期目的，表1、表2年示為測試數(shù)據(jù)。

表1顯示出的是7月26日測試時(shí)，有無功補(bǔ)償投入，7月29日的測試無功補(bǔ)償沒有投入。由測試數(shù)據(jù)可見，主、輔機(jī)的有功基本是按3：1的比例關(guān)系進(jìn)行分配的。在實(shí)驗(yàn)的一個(gè)階段，對(duì)負(fù)荷大于1臺(tái)而又遠(yuǎn)小于2臺(tái)主機(jī)的工況，用輔發(fā)并網(wǎng)滿足了要求，達(dá)到了不開主機(jī)充分利用輔機(jī)達(dá)到節(jié)能的目的。

由表2可以看出，輔機(jī)并網(wǎng)時(shí)的油耗率下降明顯，較全主機(jī)模式減少了36.1g／kWh，節(jié)能率達(dá)15.2%；負(fù)載率上升明顯，較全主機(jī)模式提高了15.4%。

表1　主、輔機(jī)并網(wǎng)功率分配

表2　節(jié)能測試數(shù)據(jù)

7　結(jié)束語

按照充分利用優(yōu)點(diǎn)、盡量克服缺點(diǎn)的設(shè)想，西部鉆探工程有限公司設(shè)備處在新配套的7000m直流鉆機(jī)的電控系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)。通過實(shí)際運(yùn)行證明，電能綜合管理系統(tǒng)顯示真實(shí)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能有效化解沖擊性負(fù)載需求，及時(shí)提醒并網(wǎng)、解列操作，輔機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行方案切實(shí)可行，可有效降低燃油消耗，使輔機(jī)得到充分有效的利用；單獨(dú)成套的無功補(bǔ)償和諧波治理系統(tǒng)應(yīng)用靈活，補(bǔ)償效果明顯，提高了功率因數(shù)，充分發(fā)揮了主、輔機(jī)的能力，實(shí)現(xiàn)了少開機(jī)組、降低損耗、節(jié)能運(yùn)行的設(shè)計(jì)目的。這些配套思路在今后構(gòu)建新的鉆機(jī)系統(tǒng)時(shí)具有很好的參考價(jià)值。

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中圖分類號(hào)：TE922

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2015）06—0008—04

作者簡介：

靳龍（1962－），1983年畢業(yè)于石河子大學(xué)，一直從事設(shè)備管理工作，現(xiàn)任中石油西部鉆探工程有限公司設(shè)備處處長；

張繼偉（1974－），1999年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），一直從事設(shè)備和技術(shù)管理工作，中石油西部鉆探工程有限公司設(shè)備處高級(jí)工程師、副科長。

收稿日期：2015－10－09

Electric control system of DC drilling rig with energy management and high power factor

JIN Long，ZHANG Ji－wei，TIAN Bin，JIN Zhi－xiong

（Xibu Drilling Engineering Company Limited，Urumqi 830011，China）

Abstract：The DC rig has features of low cost，stable performance and easy maintenance，but it also has its inherent defects of low power factor，large harmonic，poor adaptive capacity，high fuel consumption，etc.Aiming at these defects，the different solutions such as equipping power management system to display various parameters，and real－time and promptly send online or offline signals to save fuel；online controlling the operation of the master and the auxiliary machines to achieve the maximum and reasonable power distribution as well as the energy－saving；equipping the reactive power compensation and harmonic control system to improve the power factor，increase the load ratio，and realize the energy－saving.

Key words：DC drilling rig；inherent defects；solutions；power management system；auxiliary machine grid connection；loss reducing and energy saving