电代油技术在电动钻机上的应用
2013-09-22师远征王普平
师远征，马 勇，王普平
（西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依834000）
1 电代油技术简述
柴油消耗是钻井生产成本中的一项重要支出，随着原油及成品油价格的上涨，最大限度地降低柴油发电消耗用量，充分利用油田电力资源优势，降低钻井成本就显得尤为重要。当钻机在电网覆盖范围内作业时，采用电代油技术即由电网代替柴油发电机组供电是实现以上理想的最有效的方法。
电代油技术主要由智能电站控制模块和电网治理控制模块构成。
智能电站控制模块：用于将电网电压，例如10kV高压电网，变换为适合钻机系统用的600V电压，为SCR系统提供电力；兼有各种系统保护功能，以确保电控系统故障情况下能快速准确地与电网隔离，以保证电网的安全。
电网治理控制模块：用于提高功率因数、消除SCR或VFD电控系统产生的5、7、11次高谐波对用电设备的损害，保证用电点符合电网要求。
1.1 电站容量确定
电动钻机配置的电站容量对ZJ50D一般为3×1500kVA，对ZJ70D为4×1500kVA，额定电压均为600V，功率因数均为0.7。一般情况下两到三台发电机并列运行。改造前两型钻机简单供电如图1所示。
采用电代油技术后所配置的电站容量如表1所示。
表1 采用电代油技术后所配置的电站容量
1.2 无功补偿和谐波治理
众所周知，直流钻机对电站要求很高，在运行时功率因数低（无功大），谐波高。改为电网供电后，很大的无功将导致电网电压降低，高次谐波将影响电网上其他用户的正常用电，为保证电网的安全运行，根据电动钻机负载特点，需对电站进行集中无功补偿和谐波治理。
由于钻机负荷变化频繁，而且往往是剧增或剧减，因此必须要求治理装置响应速度快。常规的无功补偿装置是通过投切一定容量的电容器组来实现，但该方式不但存在有过补偿或欠补偿现象，致使补偿装置在短时间内频繁动作，而且响应速度慢，跟不上负荷的快速变化，容易引起电网振荡。
应用TSF技术的无功快速平滑补偿兼滤波装置，通过控制晶闸管导通角控制电感电流来调整无功，提高功率因数，消除SCR所产生的5、7、11等高次谐波，基本上可以达到钻机的正常运行和电网要求。
1.3 改造注意事项
为保证钻机既能用于电网，又能用于自备电站，并且保持电控系统原貌，因此供电接口最好使用原来的600V接口，但一定要对断路器的控制进行适当的改造，同时要校核发电柜断路器的短路能力。
2 现场工业试验
2.1 改造概述
2012年对某钻井队进行了电代油改造，ZJ50D钻机改造后的电控系统单线接线图如图2所示，电代油工业性试验的钻井现场如图3所示。
2.2 试验测试数据及结果
2012年7月26日，对项目供电情况进行了测试，以检验电网、供电设备的可靠性及测试检验各项供电参数。
图2 改造后电驱动钻机电控系统接线图
图3 电代油工业性试验的钻井现场
2.2.1 电能质量检测
（1）测试工况
HUKJ5井、三开；用电基本情况：泥浆泵、转盘、绞车、井场循环系统、生活全部供电；最大功率约为2500kVA。
（2）测试方法及说明
如表2所示，测试依据3197电能质量分析仪的操作规程。输入测点选在进线柜的二次计量信号端，输出测点选在低压开关柜输出端。电能质量评价依据GB／T14549-1993《电能质量公用电网谐波》。
表2 测试用仪器
表3 数据及结论
图4 电压趋势
图5 电流趋势
图6 谐波电压总畸变率趋势
图7 功率因数
（3）数据及结论
如表3所示为数据及结论。从测试结果可以看出：装置输入端电压谐波畸变率为4.2%，输出端为4.6%，符合GB／T 14549-1993的要求。
2.2.2 谐波检测数据
测试设备：HIOKI 3169电能质量测试仪；测试时间：2012年8月1日 18：12至8月2日 19：12，历时25小时；工况：钻进、起钻、下钻。
（1）电压趋势，如图4所示。（2）电流趋势，如图5所示。
（3）谐波电压总畸变率趋势，如图6所示。（4）功率因数，如图7所示。
2.2.3 测试结果
通过实测，钻机运行可靠、正常；电网的电压、功率因数、谐波等各项供电参数合格。
3 可行性分析
通过在某钻井队HUKJ5井场为期两个半月的试验应用，电代油技术完全可以满足钻井现场的应用，其优势表现在以下几个方面。
（1）可以确保系统600V电压稳定在±5%以内；
（2）可以确保电压总畸变率达到GB／T14549-93要求；
（3）能够将功率因数由原来的0.3～0.7提高至0.90以上；
（4）显著降低了维修和运行的成本，并且节能环保，同样工况下比使用传统的柴油发电机组供电，单个钻机台月可产生直接经济效益20万元以上。
4 结论
综上所述，电代油改造符合钻井现场的实际应用的需求，产生的经济效益和社会效益是非常可观的。因此，在拥有较大电网余量的地区进行电代油改造具有很好的推广实用价值。
