海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

胡磊

摘 要：海洋資源是亟待開發(fā)的處女地，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)于石油等傳統(tǒng)化石能源的需求在不斷的加強(qiáng)，而我國(guó)陸上油氣資源相對(duì)稀缺因此做好海洋油氣資源的開發(fā)就成為了現(xiàn)今乃至今后一段時(shí)間我國(guó)油氣資源開發(fā)的重要方向。海洋平臺(tái)鉆井作業(yè)是實(shí)現(xiàn)海洋油氣資源開采的重要途徑，我國(guó)自實(shí)現(xiàn)對(duì)于海洋平臺(tái)鉆井作業(yè)自主研發(fā)以來(lái)積極推進(jìn)海洋平臺(tái)鉆井作業(yè)的自動(dòng)化和信息化建設(shè)，加強(qiáng)海洋平臺(tái)鉆井作業(yè)中的自動(dòng)化水平，提高海洋平臺(tái)鉆井作業(yè)效率和開采能力。文章在分析海洋平臺(tái)鉆井作業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)海洋平臺(tái)鉆井電控的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析闡述。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)鉆井作業(yè)；電控；設(shè)計(jì)

前言

新世紀(jì)以來(lái)我國(guó)對(duì)于油氣資源的需求在不斷的增加，為滿足國(guó)內(nèi)日益高漲的石油需求，我國(guó)加強(qiáng)對(duì)于我國(guó)海域內(nèi)油氣資源的勘探與開采.新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)海洋油氣資源開采量在全國(guó)油氣開采量的比重在不斷的增加。這一趨勢(shì)為海洋平臺(tái)鉆井設(shè)備的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。海洋鉆井平臺(tái)是大型化、復(fù)雜化的大型成套設(shè)備，其內(nèi)部包含有起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)以及傳動(dòng)系統(tǒng)等，是各種系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體。為實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)功能海洋鉆井平臺(tái)需要一套安全、高效、可靠的電控系統(tǒng)。相比于陸地鉆井作業(yè)系統(tǒng)，海洋鉆井平臺(tái)的電控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造方面有其特殊性，其對(duì)于安全性、可靠性有著更高的要求。本文將以海洋鉆井平臺(tái)中使用較為廣泛的70DBF鉆機(jī)為例對(duì)海洋鉆井平臺(tái)的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)的組成

海洋鉆井平臺(tái)是各系統(tǒng)組成的復(fù)雜集合體，在海洋鉆井平臺(tái)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成中其主要分為3大部分。以柴油發(fā)電機(jī)組或是高壓電網(wǎng)所組成的海洋鉆井平臺(tái)動(dòng)力控制系統(tǒng)、以直流或是交流調(diào)速所構(gòu)成的海洋鉆井平臺(tái)各系統(tǒng)設(shè)備的傳動(dòng)控制系統(tǒng)、以照明等所組成的MCC控制系統(tǒng)，上述3大系統(tǒng)是海洋鉆井平臺(tái)的電控系統(tǒng)的主要組成部分，其對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)的正常運(yùn)行起著極為重要的作用。

1.1 海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)中的動(dòng)力控制系統(tǒng)

海洋鉆井平臺(tái)中的動(dòng)力系統(tǒng)中多數(shù)采用的是多臺(tái)柴油交流發(fā)電機(jī)組所組成的。在海洋鉆井平臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的控制中，需要完成對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)速、調(diào)壓以及繼電保護(hù)、功率限制等多項(xiàng)功能，海洋鉆井平臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)所輸出的電壓為600V，電網(wǎng)的頻率為50Hz或是60Hz，在海洋鉆井平臺(tái)的電控系統(tǒng)中，對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)中的柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)速時(shí)主要采用的是電液型或是電動(dòng)型的柴油機(jī)組電子調(diào)速器，通過(guò)電控系統(tǒng)的控制完成對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)中所使用的柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。在對(duì)海洋鉆井平臺(tái)所采用的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)壓時(shí)其主要采用的是無(wú)刷勵(lì)磁調(diào)壓方法，這一調(diào)壓方法中的調(diào)節(jié)器采用的是晶閘管，通過(guò)晶閘管的整流使用集成電路完成脈沖觸發(fā)并通過(guò)PID的控制方式完成對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)所使用的發(fā)電機(jī)組的電壓調(diào)節(jié)，在PID控制中形成了對(duì)于電壓、勵(lì)磁電流和無(wú)功分量等的3個(gè)閉環(huán)控制電路，從而有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)所采用的柴油發(fā)電機(jī)電壓恒定以及無(wú)功的比例分配。

1.2 海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)中的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)

在海洋鉆井平臺(tái)中的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過(guò)將海洋鉆井平臺(tái)中柴油發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的AC600V電源輸送至電氣控制柜中，通過(guò)SCR晶閘管組件的變壓將其變換為0-750V的直流電，依靠直流電來(lái)對(duì)海洋鉆井平臺(tái)中所采用的泥漿泵車、絞車、轉(zhuǎn)盤等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。對(duì)于SCR晶閘管的控制依靠海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)中所采用的計(jì)算機(jī)和PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。海洋鉆井平臺(tái)電氣驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用的是速度閉環(huán)控制方式，在海洋鉆井平臺(tái)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中設(shè)置有相應(yīng)的故障監(jiān)控模塊，能夠?qū)Ｑ筱@井平臺(tái)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。海洋鉆井平臺(tái)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中所采用的交流調(diào)速傳動(dòng)控制方式與直流控制不同的是其對(duì)SCR晶閘管整流后的直流電采用IGBT逆變后采用AC600V頻率5-60Hz的交流電來(lái)完成對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)中的泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤等進(jìn)行控制。在這一控制方式中，對(duì)于整流環(huán)節(jié)中可以通過(guò)計(jì)算機(jī)或是PLC來(lái)完成控制，對(duì)于IGBT逆變后使用PWM方式來(lái)進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)引入頻率閉環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)變頻變壓調(diào)速。在對(duì)整流和逆變兩個(gè)環(huán)節(jié)都采用計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制，當(dāng)需要進(jìn)行反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)僅通過(guò)改變相序即可完成，而無(wú)需對(duì)主電路進(jìn)行切換。

1.3 海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)中的MCC系統(tǒng)及低壓配電系統(tǒng)

海洋鉆井平臺(tái)中的鉆機(jī)模塊和鉆井支持模塊所采用的正常電源和應(yīng)急電源都需要配置足夠的電容和交流電機(jī)啟動(dòng)供電回路。

2 海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)能夠有效的增強(qiáng)海洋鉆井平臺(tái)的自動(dòng)化控制水平，提高海洋鉆井平臺(tái)的工作效率及工作的可靠性。在海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)中的自動(dòng)送鉆采用的是基于自適應(yīng)FuzzyPID控制算法，結(jié)合西門子S7-300PLC和變頻器的控制方式，對(duì)海洋鉆井平臺(tái)中的自動(dòng)送鉆在多數(shù)情況下都處于10Hz以下的低速，為了有效增強(qiáng)海洋鉆井平臺(tái)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的控制精度，需要使用帶有速度傳感器的矢量控制。在海洋鉆井平臺(tái)自動(dòng)送鉆的控制方案中，通過(guò)氣壓環(huán)、速度環(huán)和鉆壓環(huán)等三個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)于自動(dòng)送鉆過(guò)程中的控制。在海洋鉆井平臺(tái)軟扭矩控制中，通過(guò)利用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)施檢測(cè)電機(jī)的扭矩和速度，從而對(duì)海洋鉆井平臺(tái)工作中井下部件的運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行提前的預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)的趨勢(shì)系統(tǒng)來(lái)判斷是否需要進(jìn)行補(bǔ)償及補(bǔ)償量的大小，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)鉆頭扭矩的補(bǔ)償。對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)中所使用軟泵的自動(dòng)化控制中，由于需要對(duì)多臺(tái)井泵的泵速進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)控制，一旦控制不當(dāng)導(dǎo)致各泵的活塞運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，泵壓疊加升高將會(huì)使得海洋鉆井平臺(tái)管路中的鉆井液產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，從而會(huì)對(duì)泵本身造成較大的沖擊增加了高壓鉆井泄露的危險(xiǎn)性。此外，鉆井液壓力波動(dòng)加劇將會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸造成極大的影響，會(huì)造成隨鉆技術(shù)的控制失誤及偏差，從而對(duì)海洋鉆井平臺(tái)的鉆井造成極大的影響。此外，海洋鉆井平臺(tái)鉆井過(guò)程中鉆井液劇烈沖擊會(huì)使得松軟地層產(chǎn)生掉塊或是塌方從而造成嚴(yán)重的井下事故。

為做好對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)自動(dòng)化控制，在海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)中采用諧波治理技術(shù)，用以抑制海洋鉆井平臺(tái)發(fā)電系統(tǒng)中所產(chǎn)生的大量諧波，提高海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)的供電質(zhì)量。在諧波抑制中可以通過(guò)采用有源濾波器瞬時(shí)無(wú)功功率法與數(shù)據(jù)處理器相結(jié)合的方式形成相應(yīng)的電子諧波抑制裝置，從而對(duì)海洋鉆井平臺(tái)發(fā)電系統(tǒng)中所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行消除和抑制。海洋鉆井平臺(tái)在海面上會(huì)受到海浪、海風(fēng)的作用而產(chǎn)生一定的升沉運(yùn)動(dòng)，這一升沉運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)海底鉆頭位置和鉆井的鉆壓產(chǎn)生極大的影響。主動(dòng)式升沉補(bǔ)償技術(shù)能夠有效的對(duì)海洋鉆井平臺(tái)的升沉動(dòng)作進(jìn)行補(bǔ)償，這一系統(tǒng)在動(dòng)作的過(guò)程中通過(guò)鉆絞車上的動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于絞車滾筒轉(zhuǎn)速的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)海洋鉆井平臺(tái)的升沉補(bǔ)償。海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)自動(dòng)化控制中依靠傳感器對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)并將檢測(cè)到的信息反饋到船體控制系統(tǒng)中計(jì)算出海洋鉆井平臺(tái)的升沉量以及升沉的速度，并根據(jù)這一數(shù)據(jù)來(lái)控制海洋鉆井平臺(tái)升沉補(bǔ)償。

3 結(jié)束語(yǔ)

海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)自動(dòng)化對(duì)于提高海洋鉆井平臺(tái)的自動(dòng)化控制水平有著極為重要的意義。上文中所介紹的海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)自動(dòng)化控制已經(jīng)逐漸地應(yīng)用于海洋鉆井平臺(tái)中并取得了良好的應(yīng)用效果，隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步應(yīng)當(dāng)積極加強(qiáng)海洋鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)的研究，從而最大限度地提高海洋鉆井平臺(tái)的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全。

參考文獻(xiàn)

[1]高斌.DeltaV數(shù)字式自動(dòng)化控制系統(tǒng)在海洋鉆井平臺(tái)上的應(yīng)用[J].中國(guó)科技縱橫，2015（11）：166.

[2]劉繼東，王殿龍.新型海洋鉆井平臺(tái)安全自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解決方案的研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，10（5）：313-315.

[3]楊松山，李仲蘭.半潛式海洋鉆井平臺(tái)恒鉆壓控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013（4）：136-137.