采用國產(chǎn)變頻器的ZJ90DB石油鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)

安建鈞，李西方，2，張鵬飛，2，郭振東，李云龍，段繼國，解曉勇，張恒敬

（1．寶石電氣設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100192；2．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；3．蘇州匯川技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

變頻調(diào)速在石油鉆機(jī)中廣泛應(yīng)用，采用變頻調(diào)速的石油鉆機(jī)在滿足石油鉆井工藝要求方面具有控制性能好、維護(hù)簡單、配置靈活、節(jié)能降耗等優(yōu)越性。目前國產(chǎn)化大功率高性能變頻器技術(shù)已經(jīng)成熟，其核心技術(shù)均已掌握在國內(nèi)領(lǐng)先的變頻器廠家。國產(chǎn)化變頻器亟待在石油鉆機(jī)中推廣應(yīng)用，更需要在7000米以上深井鉆機(jī)中進(jìn)行性能驗(yàn)證。

1 國產(chǎn)化大功率MD880系列變頻器

MD880變頻器屬于高端變頻調(diào)速產(chǎn)品，分為單機(jī)傳動(dòng)和多機(jī)傳動(dòng)兩種拓?fù)湫螒B(tài)，是一款定位于高端傳動(dòng)應(yīng)用、高性能調(diào)速及轉(zhuǎn)矩控制、高可靠性、靈活的系統(tǒng)集成能力、便捷的調(diào)試維護(hù)、高功率密度覆蓋的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。無論是模塊結(jié)構(gòu)、功率密度、響應(yīng)和精度，還是產(chǎn)品的適用范圍，均達(dá)到了國產(chǎn)化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)大量應(yīng)用于冶金、造紙、港機(jī)、起重設(shè)備、船舶、風(fēng)電、礦山等行業(yè)。

在石油鉆機(jī)行業(yè)，MD880多傳動(dòng)變頻器在海洋鉆機(jī)上得到了多年的應(yīng)用。單傳動(dòng)變頻器也大量使用于泥漿泵變頻控制房、機(jī)械鉆機(jī)電代油改造項(xiàng)目中，運(yùn)行狀況較好，取得了國產(chǎn)化改造的較大效益。下面簡要說明一下MD880多傳動(dòng)變頻器的產(chǎn)品特點(diǎn)。

（1）高度靈活的模塊化設(shè)計(jì)：軟件硬件模塊自由組合；自由編程；開放的數(shù)據(jù)流圖，靈活調(diào)試；擴(kuò)展模塊靈活配置。如圖1所示。

圖1 可編程的數(shù)據(jù)流圖

（2）性能穩(wěn)定可靠：現(xiàn)場(chǎng)故障快速處理；遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)診斷；總線軟件冗余設(shè)計(jì)；黑匣子故障記錄；故障等級(jí)自診斷。

（3）兼容的適配能力：兼容各類上位機(jī)；內(nèi)置電機(jī)仿真模型；選配結(jié)構(gòu)安裝支架；逆變器采用全電容結(jié)構(gòu)。

（4）多傳動(dòng)結(jié)構(gòu)：公共直流母線方式，統(tǒng)一的進(jìn)線結(jié)構(gòu)與整流模塊；整流器、逆變器功能、功率可以方便地組合為功率并聯(lián)方式或者多機(jī)傳動(dòng)模式；功率等級(jí)齊全、控制功能豐富、滿足絕大部分傳動(dòng)控制場(chǎng)合使用；便捷、簡單的調(diào)試軟件，容易掌握；配置快速調(diào)試智能操作面板。

（5）變頻器標(biāo)配輸入輸出電抗器，降低了網(wǎng)側(cè)諧波電流與電機(jī)端的諧波。

（6）標(biāo)準(zhǔn)的V／f控制模式、無編碼器矢量控制、有編碼器矢量控制功能。多機(jī)傳動(dòng)控制功能、多環(huán)控制功能、多模塊并聯(lián)技術(shù)，能夠匹配多傳動(dòng)方式。

（7）針對(duì)于直接接入電網(wǎng)項(xiàng)目，整流單元可以采用IGBT脈沖整流形式，電網(wǎng)側(cè)諧波指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)接近于1。

（8）密閉金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光纖信號(hào)傳輸，解決了控制系統(tǒng)的抗干擾問題。

MD880變頻器在電機(jī)控制策略上使用矢量控制模式。結(jié)構(gòu)上采用模塊化組合，尤其是整流模塊、逆變模塊均設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)化的三相模塊，可通過并聯(lián)模塊、并聯(lián)柜體等多種方式擴(kuò)大功率、節(jié)省體積，比較適合于鉆機(jī)電控房內(nèi)布置。

MD880另一個(gè)較大優(yōu)勢(shì)是制動(dòng)單元選用三相制動(dòng)模塊，功率以持續(xù)功率標(biāo)定，很適合于接近持續(xù)下放（100s左右）的絞車類負(fù)載。在轉(zhuǎn)盤或者頂驅(qū)等不需要持續(xù)制動(dòng)的場(chǎng)合，也可選用單相制動(dòng)單元降低成本。

2 ZJ90DB電控系統(tǒng)方案配置

ZJ90DB電傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。動(dòng)力系統(tǒng)為5臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定功率1200kW，輔助柴油發(fā)電機(jī)組額定功率550kW，交流主動(dòng)力為600V，MCC為400V。系統(tǒng)預(yù)留5000A網(wǎng)電接口柜，以2×2500A雙斷路器引入。

鉆機(jī)主電機(jī)配置：絞車2×1100kW，轉(zhuǎn)盤1×800kW，3臺(tái)2200hp泥漿泵均為2×900kW，自動(dòng)送鉆為2×45kW。

變頻系統(tǒng)全部選用MD880系列多傳動(dòng)變頻系統(tǒng)。進(jìn)線柜2×3200A，整流柜2×3456kW，絞車逆變柜2×1400kW，轉(zhuǎn)盤變頻柜1×800kW，3臺(tái)2200hp泥漿泵變頻柜均為2×900kW，頂驅(qū)逆變柜為2×710kW柜體。絞車、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)、自動(dòng)送鉆的傳動(dòng)采用有編碼器矢量控制，同時(shí)為轉(zhuǎn)盤設(shè)置了無編碼器矢量控制操作模式，泥漿泵傳動(dòng)采用無編碼器矢量控制。

在公共直流母線上配置了2套三相制動(dòng)單元模塊，其持續(xù)制動(dòng)功率均為870kW，相應(yīng)的制動(dòng)電阻為800kW。

系統(tǒng)采用S7－1500 PLC和Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線，VFDII設(shè)置一臺(tái)工控機(jī)并采用WINCC組織監(jiān)控畫面，司鉆房設(shè)置3臺(tái)15＂MP377觸摸屏做顯示、操作、一體化儀表使用，取消了儀表廠家的獨(dú)立儀表顯示器。PLC與總線控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)、顯示全部電傳動(dòng)系統(tǒng)的操作與運(yùn)行數(shù)據(jù)。MCC系統(tǒng)中30kW以上電機(jī)配置了軟啟動(dòng)器，設(shè)置了遠(yuǎn)控、本柜控制、軟起、直起的組合功能。司鉆臺(tái)內(nèi)分站配置了SM551位控模塊，游車高度編碼器為絕對(duì)位置型，可使編程簡單并有位置記憶功能。

采用三相制動(dòng)單元，持續(xù)功率充足，運(yùn)行可靠。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能，開發(fā)了能量回饋電路（節(jié)能柜），在直流母線上并聯(lián)了200kW節(jié)能模塊，設(shè)置在節(jié)能柜內(nèi)。節(jié)能模塊輸出并接于主變壓器400V端。當(dāng)有能量回饋時(shí)，節(jié)能模塊將直流母線上，由MCC回路即時(shí)吸收。節(jié)能模塊監(jiān)視直流母線電壓與400V母線電壓，采用柔性算法，將絞車下放多余能量逆變至400V母線，保證400V母線不過壓。ZJ90DB電傳動(dòng)系統(tǒng)的基本控制功能如下：

（1）采用矢量控制的絞車電機(jī)四象限運(yùn)行、機(jī)械檔位監(jiān)控、游車位置閉環(huán)的綜合防碰、脫檔防跌落功能（預(yù)留井口自動(dòng)化設(shè)備集成操作控制接口）。

（2）恒鉆壓自動(dòng)送鉆技術(shù)、恒泵壓送鉆技術(shù)、恒扭矩送鉆技術(shù)，可提供軟泵控制技術(shù)。

（3）PLC和Profinet雙總線控制，交換機(jī)技術(shù)、遠(yuǎn)程診斷技術(shù)。

（4）頂驅(qū)控制集成，提高自動(dòng)化程度及安全聯(lián)鎖保護(hù)，節(jié)約成本，減少運(yùn)輸單元。

（5）一體化布局司鉆臺(tái)，一體化儀表系統(tǒng)，取消獨(dú)立儀表，提高系統(tǒng)集成度，信息共享，內(nèi)嵌式連鎖保護(hù)功能。

（6）全數(shù)字化的柴油發(fā)電機(jī)組控制，柴油機(jī)運(yùn)行與報(bào)警數(shù)據(jù)的通信讀取及顯示；發(fā)電機(jī)運(yùn)行與報(bào)警數(shù)據(jù)的通信讀取及顯示，電控房集成一體化報(bào)警。

（7）所有主電機(jī)測(cè)溫及部分重要輔助設(shè)備監(jiān)控。

（8）操作和鉆井參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、電氣系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控與顯示、故障顯示、報(bào)警與安全停車的齊備功能，為鉆井工藝創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字化、信息化、智能化的管理平臺(tái)和友好的人機(jī)界面；人機(jī)界面的友好性：任何報(bào)警與故障，同時(shí)給出原因解釋及解決措施，使司鉆工與電氣工程師對(duì)設(shè)備問題及時(shí)了解清楚，不存在操作障礙。

（9）絞車四段速度控制，定義為四擋電氣檔位，與機(jī)械2擋檔位結(jié)合使用，司鉆工根據(jù)實(shí)際負(fù)載自主選擇檔位，操作簡單，同時(shí)設(shè)置有檔位選擇錯(cuò)誤自動(dòng)保護(hù)及掛擋、鎖檔反饋保護(hù)，保證了絞車安全運(yùn)行，避免發(fā)生操作事故。不設(shè)置電氣檔位自動(dòng)變檔，那樣容易使操作者誤以為速度失控。

（10）系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能要求：設(shè)置節(jié)能柜回收部分能量。系統(tǒng)設(shè)置了冷備份的雙PLC雙總線，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)用戶能夠起到備份支持功能。為了總線控制的穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了許多抗干擾措施，保證系統(tǒng)抗干擾性能過關(guān)。

系統(tǒng)主網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 ZJ90DB電傳動(dòng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)

通過交換機(jī)將大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入Profinet總線系統(tǒng)，各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不會(huì)互相影響，網(wǎng)絡(luò)斷線影響范圍縮小，提高了系統(tǒng)的可靠性。頂驅(qū)控制設(shè)置獨(dú)立CPU與主站CPU通信，提高了頂驅(qū)調(diào)試與運(yùn)行的靈活性。

一體化儀表系統(tǒng)主要顯示監(jiān)控以下參數(shù)：柴油機(jī)數(shù)據(jù)、發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)、傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、鉆臺(tái)儀表數(shù)據(jù)、罐區(qū)儀表數(shù)據(jù)、電氣設(shè)備運(yùn)行狀況等。

在鉆臺(tái)區(qū)域設(shè)置一個(gè)儀表傳感器采集箱，進(jìn)入司鉆房PLC分站；罐區(qū)設(shè)置一個(gè)儀表傳感器采集箱，直接進(jìn)入VFDI房PLC分站。這樣減少了電纜路徑，安裝方便。

各個(gè)設(shè)備連鎖保護(hù)功能：例如絞車主電機(jī)與送鉆電機(jī)的運(yùn)行連鎖、絞車運(yùn)行對(duì)減速箱的狀態(tài)連鎖、絞車與頂驅(qū)運(yùn)行連鎖、頂驅(qū)與泥漿泵運(yùn)行連鎖、柴油機(jī)功率保護(hù)連鎖（包括突加負(fù)載）、柴油機(jī)發(fā)電機(jī)故障監(jiān)控報(bào)警、電機(jī)參數(shù)監(jiān)控保護(hù)、一體化儀表信息連鎖保護(hù)。

系統(tǒng)設(shè)置了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接口，網(wǎng)絡(luò)條件下，可以在工廠連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，直接進(jìn)入PLC程序進(jìn)行監(jiān)控，幫助用戶快速診斷故障。

根據(jù)以上思路，ZJ90DB設(shè)計(jì)布局為2個(gè)電控房，如圖3所示。

圖3 ZJ90DB電傳動(dòng)系統(tǒng)房體布局圖

2臺(tái)整流柜布局于1號(hào)房，1號(hào)房給2號(hào)房只傳輸直流，不需要同時(shí)傳輸交流600V，簡化了主電源接線。1號(hào)房房端設(shè)置了5只聲光報(bào)警器，對(duì)應(yīng)于5臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，可以編程不同的聲音與顏色進(jìn)行機(jī)組報(bào)警。

3 鉆機(jī)運(yùn)行效果、國產(chǎn)化評(píng)價(jià)及整體設(shè)計(jì)的一些問題

該ZJ90DB鉆機(jī)已在現(xiàn)場(chǎng)開鉆運(yùn)行半年以上，井深8764米。運(yùn)行過程中電傳動(dòng)系統(tǒng)情況良好，設(shè)備操控簡單，布局合理，尤其是絞車運(yùn)行平穩(wěn)，完全能夠滿足用戶的起下鉆速度和安全要求。系統(tǒng)開鉆以后獲得了用戶的好評(píng)。

具備鉆柱懸重條件后進(jìn)行了節(jié)能柜的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，采用步進(jìn)算法，投入運(yùn)行后，節(jié)能柜節(jié)能回饋平穩(wěn)安全，投入運(yùn)行不到四天即節(jié)電計(jì)量500kWh。鉆深至8229米，節(jié)能柜節(jié)電計(jì)量26686kWh。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)，以后可以配置300kW節(jié)能柜。

在節(jié)能柜運(yùn)行期間，減少了制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻的投入時(shí)間和次數(shù)，減小了噪音和發(fā)熱量，又減少了制動(dòng)電阻風(fēng)機(jī)（4×4kW）的電耗，這部分沒有計(jì)入節(jié)能計(jì)量，預(yù)計(jì)其年節(jié)電量為10000kWh。

ZJ90DB陸地鉆機(jī)上使用MD880國產(chǎn)化變頻器，在國內(nèi)是5000米以上鉆機(jī)的首次。隨后有90DB、70DB等7套項(xiàng)目，均采用MD880變頻器，陸續(xù)在鉆井現(xiàn)場(chǎng)開鉆，有的已經(jīng)完成鉆井2口，電控系統(tǒng)均運(yùn)行穩(wěn)定。

MD880變頻器在控制上采用通用的矢量控制，控制技術(shù)指標(biāo)與國際通用品牌一致。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多模塊并聯(lián)、多機(jī)同步、多環(huán)控制、網(wǎng)絡(luò)化控制等復(fù)雜功能，應(yīng)用于高性能控制系統(tǒng)上不存在短版。結(jié)構(gòu)上開發(fā)了模塊化結(jié)構(gòu)模式，相比較大功率變頻器傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢(shì)，與ACS880模塊化結(jié)構(gòu)類似。單個(gè)模塊最大功率達(dá)到了710kW，2×710kW模塊并機(jī)可裝于600mm（寬）×2200 mm（高）×600 mm（深）柜體內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)單柜控制2×710kW雙電機(jī)，也可以并聯(lián)為1×1300kW單柜，驅(qū)動(dòng)1×1300kW。最大可以做到10個(gè)逆變模塊的多模塊并聯(lián)。

國產(chǎn)化大功率變頻器目前只有微處理器芯片與大功率IGBT為進(jìn)口產(chǎn)品，其控制模塊制造、器件選型、功率模塊均為自制。小功率變頻器采用了國產(chǎn)IGBT。

在ZJ90DB鉆機(jī)電控系統(tǒng)中，PLC及Profinet總線系統(tǒng)仍然使用了國外高端產(chǎn)品。國內(nèi)公司已經(jīng)有相關(guān)的PLC產(chǎn)品布局，很快將有國產(chǎn)系列化高端PLC及總線產(chǎn)品，我們會(huì)予以積極推進(jìn)并早日應(yīng)用于鉆機(jī)電控，實(shí)現(xiàn)高性能控制系統(tǒng)的徹底國產(chǎn)化。

根據(jù)長期的實(shí)踐與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及首次使用國產(chǎn)化大功率變頻器應(yīng)用于90DB鉆機(jī)電控相同的情況，我們做了一些思考，供后續(xù)設(shè)計(jì)參考。

（1）鉆機(jī)整體設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化問題：目前國內(nèi)鉆機(jī)及其電控系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家較多，各自的產(chǎn)品差異較大。這給廠家的設(shè)計(jì)制造和用戶的使用、維護(hù)、組織備件都造成很大困難。執(zhí)行強(qiáng)制性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)使鉆機(jī)及其電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化，會(huì)對(duì)廠家與用戶極為有利。

（2）司鉆房設(shè)計(jì)的機(jī)電配合：司鉆房為電氣設(shè)備與線路的集中之地，要盡量減少或避免液路、氣路進(jìn)入司鉆房。隨著司鉆操作自動(dòng)化程度的要求越來越高，電氣系統(tǒng)的主導(dǎo)作用也越來越強(qiáng)，它將井口自動(dòng)化工具全部集成，形成了司鉆集成操控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)廠家在此具有天然的優(yōu)勢(shì)，并負(fù)有優(yōu)化設(shè)計(jì)的責(zé)任。

（3）鉆機(jī)整體設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性：無論是機(jī)械還是電氣設(shè)計(jì)，都要考慮防塵、防雨、防潮措施，考慮安裝拆卸與維護(hù)的方便性。現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)有諸多不便因素，應(yīng)考慮一定的冗余設(shè)計(jì)和可靠性驗(yàn)證。環(huán)境因素要考慮溫度、濕度、海拔、塵土或沙漠地帶等等，真正做到適應(yīng)相應(yīng)的環(huán)境。對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性也包括對(duì)電磁環(huán)境的適應(yīng)性，即系統(tǒng)抗干擾與電磁兼容。

（4）總線與網(wǎng)絡(luò)的方案及其兼容性問題：總線與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及軟件要選用主流產(chǎn)品并利于系統(tǒng)擴(kuò)展與技術(shù)發(fā)展。要考慮與各種系統(tǒng)的接口功能，以低成本的方式采集大量非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（5）技術(shù)發(fā)展的國產(chǎn)化推進(jìn)問題：對(duì)于成熟的國產(chǎn)化設(shè)備或系統(tǒng)要大力推廣，同時(shí)兼顧技術(shù)發(fā)展問題，創(chuàng)造真正的國產(chǎn)化品牌。

（6）根據(jù)電控系統(tǒng)全部在線數(shù)據(jù)，采集盡量多的機(jī)電運(yùn)行數(shù)據(jù)，開發(fā)新的計(jì)算模型，計(jì)算某些數(shù)據(jù)從而取代部分傳感器；預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)故障并排除，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化。

4 結(jié)論

ZJ70DB鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明，國產(chǎn)化大功率高性能變頻器完全滿足鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的需求，應(yīng)用于石油鉆機(jī)上是成功的，國產(chǎn)化變頻器必將在其他行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。