交流變頻電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)在石油鉆井中的應(yīng)用

孟憲剛

中原工程有限公司鉆井二公司，中國·河南 濮陽 457001

1 引言

在當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速進(jìn)步與發(fā)展的過程中，對能源需求總量在不斷增加，所以石油開采作業(yè)工作量也在隨之增加。但是，隨著當(dāng)前石油開采環(huán)境變得越來越復(fù)雜，開采工作難度也在不斷提升。對于石油開采作業(yè)來講，使用交流變頻電機(jī)能夠讓作業(yè)效率變得更加高效，因此為了能夠使石油開采作業(yè)的工作效率得到進(jìn)一步提升，針對交流變頻電動(dòng)機(jī)以及控制系統(tǒng)在石油鉆井工作中的應(yīng)用進(jìn)行探討與論述是非常有必要的。

2 交流變頻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

對于交流變頻電動(dòng)機(jī)來講，因?yàn)槠浔旧韺儆谝环N特殊的變頻電動(dòng)機(jī)，所以在應(yīng)用過程中相較一般的變頻電動(dòng)機(jī)來講，會(huì)具有一些特殊優(yōu)點(diǎn)。

第一，對于交流變頻電動(dòng)機(jī)來講，設(shè)計(jì)過程中使用的絕緣材料是能夠?qū)ψ冾l器諧波突破進(jìn)行抵抗的特殊材料，大大提升了交流變頻電動(dòng)機(jī)的使用性能。

第二，對于交流變頻電動(dòng)機(jī)來講，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與電磁設(shè)計(jì)相較普通的變頻電動(dòng)機(jī)要更加特殊。因?yàn)樵谑豌@井工作中所應(yīng)用的交流變頻電動(dòng)機(jī)和直流鉆機(jī)以及機(jī)械鉆機(jī)相比，可以在實(shí)際工作過程中更好地適應(yīng)當(dāng)前石油鉆井對工藝所提出的更高要求，而且能夠在工作時(shí)通過使用交流變頻電動(dòng)機(jī)使鉆機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步簡化，降低在鉆機(jī)機(jī)械保養(yǎng)工作中的工作量以及保養(yǎng)工作頻率，使得設(shè)備使用的安全性和可靠性都得到了提高。

除此之外，對于交流變頻電動(dòng)機(jī)來講，因?yàn)樗褂玫牟牧细酉冗M(jìn)，所以質(zhì)量是非常輕的，而且體積也比較小，在使用的過程中不容易出現(xiàn)故障問題，在石油鉆井工作中應(yīng)用交流變頻電動(dòng)機(jī)，能夠大幅度提升石油鉆井工作效率。

3 交流變頻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

對于交流變頻電動(dòng)機(jī)來講，在工作過程中控制系統(tǒng)作用的發(fā)揮是依托發(fā)電系統(tǒng)以及控制網(wǎng)絡(luò)和交流傳遞系統(tǒng)所組成的，為了能夠使交流變頻電動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效果得到真正發(fā)揮，需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，這樣才能夠更好把控工作中所出現(xiàn)的問題。因此，在論文論述內(nèi)容中，將對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行拆分講解，從上述三個(gè)子系統(tǒng)對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行論述，對各子系統(tǒng)的功能以及工作模式進(jìn)行探討，從而使交流變頻電動(dòng)機(jī)在石油鉆井作業(yè)中的應(yīng)用效率得到提升，保障石油鉆井作業(yè)的工作安全性。

3.1 發(fā)電系統(tǒng)

在交流變頻電動(dòng)機(jī)當(dāng)中，電氣控制主要可以分為兩種系統(tǒng)，但是這兩種系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中所發(fā)揮的作用都是相同的。在實(shí)際應(yīng)用的過程中發(fā)電系統(tǒng)的電氣控制，主要是對發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的勵(lì)磁電流以及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理調(diào)控。通過兩者進(jìn)行合理應(yīng)用，能夠保證發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)50Hz的穩(wěn)頻以及600V的穩(wěn)壓，確保在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中電流的穩(wěn)定性，使發(fā)電機(jī)作為整個(gè)石油鉆井作業(yè)中井場正常運(yùn)行所需的穩(wěn)定電源。同時(shí)，對于發(fā)電機(jī)的控制電柜來講，還擁有并網(wǎng)控制電路，能夠針對多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)核查操作。對于交流變頻發(fā)電機(jī)來講，在使用的過程中根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際現(xiàn)狀，選擇兩臺(tái)或者是兩臺(tái)以上的交流變頻電動(dòng)機(jī)，那么在實(shí)際運(yùn)行過程中負(fù)荷需要均勻分配，從而保證負(fù)荷轉(zhuǎn)移的平穩(wěn)性，這樣才能夠使電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的沖擊得到合理分配，不會(huì)增加鉆機(jī)的負(fù)荷。

此外，對于整個(gè)發(fā)電機(jī)的控制裝置來講，除了擁有上述功能之外，還能夠發(fā)揮限制功率以及短路保護(hù)和過頻保護(hù)等相關(guān)功能，可以使整個(gè)發(fā)電過程更加平穩(wěn)安全[1]。

3.2 控制網(wǎng)絡(luò)

在當(dāng)前的石油鉆井作業(yè)過程中，每一個(gè)石油鉆井應(yīng)用交流變頻電動(dòng)機(jī)都擁有相應(yīng)的司鉆控制室。在司鉆控制室控制工作當(dāng)中，常用的控制系統(tǒng)分別是數(shù)字控制以及模擬控制這兩種。從整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行功能來看，在控制工作發(fā)揮作用的過程中，能夠?qū)κ豌@井作業(yè)中的絞車實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速并對加速度閉環(huán)進(jìn)行控制，同時(shí)還可以對系統(tǒng)位置以及自動(dòng)送轉(zhuǎn)等各項(xiàng)功能進(jìn)行優(yōu)化配置。另外，在控制工作中還能夠通過顯示屏以及觸摸屏對整個(gè)控制系統(tǒng)當(dāng)中的各項(xiàng)設(shè)備開展遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，從而保證交流變頻電鉆機(jī)使用過程中的穩(wěn)定性和安全性。

除此之外，PLC控制系統(tǒng)是交流變頻電動(dòng)機(jī)使用過程中的主要控制系統(tǒng)之一，對于該系統(tǒng)來講，可以通過數(shù)據(jù)采集單元針對整個(gè)編程控制器進(jìn)行科學(xué)處理，然后依托顯示屏以及觸摸屏等人機(jī)界面，使石油鉆井作業(yè)過程中的鉆機(jī)壓力、懸重、井深以及泥漿液等相關(guān)信息得以顯示，然后以此為基礎(chǔ)判斷鉆機(jī)工作狀態(tài)，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施對專題作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整[2]。

3.3 交流傳動(dòng)系統(tǒng)

3.3.1 交流傳動(dòng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)當(dāng)中的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是由多個(gè)變頻柜所組成的，在實(shí)際操作的過程中，該變頻柜可以將50Hz恒壓以及600V電壓變成0～750V的，能夠進(jìn)行連續(xù)調(diào)控的交流電壓，從而使鉆井作業(yè)過程中的鉆井泵以及轉(zhuǎn)盤得到驅(qū)動(dòng)，然后通過1拖1或者是1拖2的方式來實(shí)現(xiàn)整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。對于該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤和轎車來講，應(yīng)用的過程中是需要保證擁有反轉(zhuǎn)功能的，所以在對扭矩調(diào)整的過程中，調(diào)節(jié)的范圍是不進(jìn)行具體限制的，能夠?qū)崿F(xiàn)0～100%任意區(qū)間內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在石油鉆井作業(yè)過程中，越來越多的先進(jìn)變頻器已經(jīng)被應(yīng)用在石油鉆機(jī)當(dāng)中，而且所取得的實(shí)際應(yīng)用效果顯著，所以在石油鉆井作業(yè)過程中，需要對先進(jìn)的變頻器加強(qiáng)應(yīng)用和推廣，從而更好地為當(dāng)前的油田鉆井工作服務(wù)[3]。

3.3.2 自動(dòng)送鉆變頻柜

對于該變頻柜來講，可以將50Hz恒壓以及400V電壓，變成0～400V的交流電壓，在此過程中可以針對交流電壓進(jìn)行連續(xù)不斷地調(diào)整，從而保證在送轉(zhuǎn)的過程中可以通過1拖1的驅(qū)動(dòng)方式，使整個(gè)送鉆電動(dòng)機(jī)操作得以順利實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谑豌@井送鉆的過程中，若想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆那么就需要采用恒壓的方式，這樣才能夠保證自動(dòng)送鉆得以實(shí)現(xiàn)。在送轉(zhuǎn)的過程中需要保持恒定的速度完成該作業(yè)，同時(shí)送鉆系統(tǒng)還需要實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能，從而使送鉆過程中所需的鉆具以及井架進(jìn)行收放。

3.3.3 控制單元

控制單元是在變頻房以外的制動(dòng)電阻運(yùn)行過程中所發(fā)揮作用的單元。具體的功能如下：如果在實(shí)際工作過程中需要針對鉆井作業(yè)中的絞車進(jìn)行制動(dòng)，那么此時(shí)交流變頻電動(dòng)機(jī)會(huì)進(jìn)入到發(fā)電狀態(tài)，從而使電動(dòng)機(jī)能夠形成和旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)力矩，使機(jī)械能變?yōu)殡娔?，然后再通過逆變器使電流能夠傳輸?shù)街绷髂妇€當(dāng)中。

在整個(gè)控制工作中，若是最高閥值要比直流母線上的電壓數(shù)值小，那么自動(dòng)控制單元就可以實(shí)現(xiàn)與制動(dòng)電阻的自動(dòng)連接，從而保證電容器和直流母線當(dāng)中存在的多余電能能夠以熱能的形式進(jìn)行消耗。這一消耗過程主要是為了保證直流母線上的電壓能夠在實(shí)際使用過程中保持恒定不變的狀態(tài)，所以這種制動(dòng)控制方法又被稱為能耗制動(dòng)。相較傳統(tǒng)的制動(dòng)方法來講，這種能耗制動(dòng)方法要更加快速，因?yàn)樵谡麄€(gè)制動(dòng)的過程中都是依托于自動(dòng)控制系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的，所以能夠快速響應(yīng)相關(guān)指令，在工作過程中既降低了因時(shí)間所出現(xiàn)的誤差，同時(shí)還可以降低在工作過程中的勞動(dòng)量。

4 結(jié)語

綜上所述，在當(dāng)前中國石油開采技術(shù)水平快速提升的過程中，石油鉆井作業(yè)所處的工作環(huán)境也變得越來越復(fù)雜，所以鉆井工藝要求變得越來越高。在實(shí)際工作過程中，通過鉆井的方式施工，很難滿足鉆井工作要求，這就需要增強(qiáng)對交流變頻電動(dòng)機(jī)的使用，這也符合當(dāng)前中國鉆井作業(yè)的大環(huán)境。

從近些年來的實(shí)際發(fā)展情況來看，石油鑒定作業(yè)中，交流變頻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)變得越來越普遍，而且在應(yīng)用過程中所展現(xiàn)出的實(shí)際效果也變得越來越突出，所以交流變頻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用是擁有廣闊前景的，對于石油鉆井作業(yè)來講，需要對交流變頻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行深入研究及探討，從而更好地發(fā)揮交流變頻電動(dòng)機(jī)在石油鉆井作業(yè)中的應(yīng)用效果，推動(dòng)中國石油鉆井工作水平提升。