公共直流母線變頻技術(shù)在石油鉆機中的運用

朱延杰

摘? ?要：模塊鉆機在運行過程中存在絞車與泥漿泵變頻系統(tǒng)占地面積過大、變頻器母線電壓升高時耗能高的缺點，這會明顯降低鉆機運行效率，影響石油產(chǎn)品的開采質(zhì)量。為了有效解決以上現(xiàn)實問題，該文以泥漿泵和絞車變頻系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計了公共直流母線變頻技術(shù)，其保證了絞車回饋能量利用的有效率，在降低能耗的同時保證了設(shè)備的高效運行，較明顯地提升系統(tǒng)運行的可靠性。

關(guān)鍵詞：公共直流母線;變頻技術(shù);石油鉆機;應(yīng)用實踐

中圖分類號：TM464? ? ? ? 文獻標志碼：A

在海上油氣田開發(fā)領(lǐng)域中，不管是新的勘探、項目研發(fā)，還是老油田鉆調(diào)井提升采收率等諸多項目中，均需要鉆勘探井、注水井、側(cè)鉆井等機械設(shè)備的輔助，其在具體實踐中還需對油、氣、水等進行有效維護，以保證生產(chǎn)的有效性、安全性?，F(xiàn)階段，國內(nèi)海上油氣田開發(fā)過程中，海上固定式平臺上的鉆井數(shù)目相對較多時，選用模塊機鉆井耗用的資金較少，能取得較理想的效益。但是最近幾年，有實踐表明，模塊機鉆井中的絞車屬于位能性負載，在管柱下放期間會倒放電，造成變頻器直流母線電壓上升，散發(fā)大量熱能導(dǎo)致浪費資源，因此對其優(yōu)化改進具有很大的現(xiàn)實意義，以實現(xiàn)節(jié)能、減排、增效目標。

1 傳統(tǒng)模塊鉆機變頻系統(tǒng)

近些年，變頻技術(shù)持續(xù)發(fā)展，分布式的公共直流母線變頻技術(shù)逐漸將過往一對一變頻取而代之，在模塊鉆機的絞車泥漿泵系統(tǒng)中有較廣泛應(yīng)用。該文以某投產(chǎn)的5 000 m模塊鉆機變頻系統(tǒng)為實例進行分析。

分布式的公共直流母線變頻等同于對泥漿泵與絞車分別安置公共直流母線變頻模塊，泥漿泵數(shù)目是決定模塊數(shù)量的主要因素，該模塊鉆機工安設(shè)3套泥漿泵。該鉆機應(yīng)用公共直流母線變頻等同于一對一變頻，進而降低了整流模塊的數(shù)目，減少了平臺電氣房的占地面積。但是在多種情況下，以上設(shè)計形式會造成絞車下放管柱過程中出現(xiàn)倒發(fā)電現(xiàn)象，造成能量反流，此時就需要對電阻實施制動措施消損能量，也會對變頻設(shè)備造成一定損傷，減少其使用年限。在生產(chǎn)實踐中，為有效應(yīng)用絞車符合的運行特征，提升能源的有效利用率，該文提出構(gòu)建集中式的鉆機公共直流母線變頻模式。

2 公共直流母線變頻技術(shù)分析

該中心處理平臺鉆機由平臺組塊電站11.0 kV系統(tǒng)歷經(jīng)2臺4 000 kVA 11.0 kV/690 V變壓器降壓處理后供電，鉆機安設(shè)了3臺泥漿泵 （涵蓋6臺600 kW泥漿泵電機 ）、絞車電機2臺、920 kW頂驅(qū)1臺。因為頂驅(qū)是成撬裝備，因此針對其變頻問題應(yīng)單獨分析，為將變頻設(shè)備數(shù)目與尺寸降至最低水平，并提升絞車回饋能量利用的合理性，該文在設(shè)計過程中提出對6臺泥漿泵電機與 2臺絞車電機使用集中公共直流母線變頻的方案，這一方面能提升對回饋能量的利用率，另一方面也能減少對變頻器形成的沖擊。

經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，公共直流母線變頻整流模塊的容量和所供電的電機或逆變器設(shè)備容量之和相比更小，這也是該類直流母線占據(jù)優(yōu)勢的主要原因之一、結(jié)合不同作業(yè)狀況下鉆機內(nèi)絞車與泥漿泵的實際出力狀況，可以計算出正常運行狀態(tài)下泥漿泵A、B、C對應(yīng)的負荷系數(shù)依次為60.0%、60.0%、0，而絞車A、絞車B對應(yīng)的負荷系數(shù)分別為40.0%、0，機械設(shè)備運行負荷始終為1 870 kW。

電壓源型變頻器是鉆機上普遍應(yīng)用的類型之一，其功能是輸入電路一段能把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。大功率二極管整流器是造成系統(tǒng)諧波出現(xiàn)畸形的主要原因，其中5、7次諧波最為典型，對平臺形成不同程度的污染。因此該模塊鉆機應(yīng)用PWM整流模塊或 24脈波移相變壓器從根源上實現(xiàn)對諧波的有效調(diào)控。

3 在石油鉆機上公共直流母線變頻技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1鉆機起升系統(tǒng)

石油鉆機起升系統(tǒng)在正常運行過程中，為了實現(xiàn)降低能耗量、提升資源整體利用率的目標，油田企業(yè)一般整體評估起升的重量與速度，繼而獲得較為合理的功能以進行能量傳導(dǎo)與起升過程。在以上過程中，若能科學使用公共直流母線變頻技術(shù)，則能取得更好的效果。有研究表明，結(jié)合系統(tǒng)起升重量及要求的差異性，變頻技術(shù)使用后平均節(jié)能為5.0%～30.0%，針對特殊工況可能更高，可見公共直流母線變頻技術(shù)在提升石油鉆機能源利用率方面體現(xiàn)出良好效能。但技術(shù)在使用過程中，應(yīng)對如下2點問題給予一定重視。1）在低中速運轉(zhuǎn)期間，可以采用帶轉(zhuǎn)速反饋形式實現(xiàn)對功率的有效調(diào)控，立足于實際調(diào)節(jié)電機運轉(zhuǎn)速度。2）吊鉤上升過程中，可以采用維持低速的形式達到最大扭力增強吊鉤的上升動力，保證運輸過程的安穩(wěn)性。3）制動期間，可以采用電磁機械與直流兩者相整合的形式去實現(xiàn)，這樣若某一制動環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時也能實現(xiàn)緊急制動，進而保證了制動的安全性，提升企業(yè)對風險的抵御能力。

3.2 控制系統(tǒng)

將公共直流母線變頻技術(shù)應(yīng)用于石油鉆機控制系統(tǒng)中，主要是針對系統(tǒng)的可靠性與安全性進行設(shè)計與安裝的。這主要是因為PCL可控編程系統(tǒng)自身具備較高節(jié)能及抗干擾性能，因此將其應(yīng)用于石油鉆機的作業(yè)條件中，通常能代替以往的電磁繼電器，建立多點聯(lián)控模式，增強了系統(tǒng)運行過程的穩(wěn)定性，還能規(guī)避因作業(yè)條件惡劣而干擾電磁繼電器正常運行的情況，杜絕不必要的隱患。另外，石油鉆機在作業(yè)期間需吊裝上百噸的重物，因此對變電器運行的安穩(wěn)性及綜合作業(yè)性能等均提出較高要求，而公共直流母線變頻技術(shù)能以電機電流為支撐，實現(xiàn)對電氣的精確化控制，再和PCL技術(shù)相聯(lián)合，能進一步優(yōu)化控制工作質(zhì)量，使石油鉆機的有效控制得到安全與保障。

3.3 空氣熱水系統(tǒng)

公共直流母線變頻技術(shù)用于石油鉆機熱泵操作系統(tǒng)控制中的宗旨是采用減少運轉(zhuǎn)泵的電機軸承溫度形式降低燃料耗用量，最終實現(xiàn)降低鉆機運行成本的目標。而在以上過程中，該變頻技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在智能化感知溫度，進而依照人工預(yù)先設(shè)計的方案實施調(diào)控措施，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

4 現(xiàn)場使用情況

該5 000 m模塊鉆機平臺占地面積約為450㎡，共計有生產(chǎn)井9口，3個配電柜，變壓器2臺，容量為800 kW。現(xiàn)將公共直流母線變頻技術(shù)的具體應(yīng)用效果匯總在表1中。

經(jīng)現(xiàn)場測試后發(fā)現(xiàn)，當發(fā)熱電阻有電流通行時，能測算出變頻器發(fā)熱電阻的能耗量，平均單井每天能夠節(jié)省的電量為18.4度。

5 結(jié)語

公共直流母線變頻技術(shù)應(yīng)用于石油鉆機中，不僅能實現(xiàn)對諧波的有效集中式治理，還有益于減少設(shè)備的規(guī)格尺寸，降低資金投入量，減少系統(tǒng)在運行期間的能耗量，也減輕絞車回饋能量對電網(wǎng)系統(tǒng)形成沖擊作用，進而更好地實現(xiàn)節(jié)能、減排及減少造價成本的目標，這提示該技術(shù)在我國油田視野后續(xù)發(fā)展中有較大的應(yīng)用空間。

參考文獻

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