电动(SCR/VFD)钻机司钻房控制电压配置研究
2018-04-13杨砚杭朱奇先
陈 岩,杨砚杭,朱奇先
(1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第五钻井工程分公司,河北河间062450;2.中石油渤海钻探第四钻井公司,河北任丘062552;3.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室,甘肃天水741020)
1 引言
电动钻机,无论是直流的SCR,还是变频的VFD,操作控制的绝大部分功能都在司钻房内,因此用到的控制电压的类别很多[1],本文主要研究当SCR/VFD为全数字控制系统时,司钻房控制电压的配置。
2 负载配置
与SCR/VFD控制系统相关的司钻房控制电压的负载配置,主要有绞车、转盘/顶驱、泥浆泵的操作控制部件及其状态、数据显示的指示灯、仪表、触摸屏设备,盘刹、惯刹的控制电磁阀,以及与以上设备配套的PLC系统和控制继电器等。
3 供电方案
上述设备的工作电源,一般都配置为DC24V。由AC400V通过三相400V/19V变压器变压,再将AC19V通过二极管全桥整流、滤波成DC26V左右的直流电压;或者由AC400V通过单相400V/220V变压器变压,再将AC220V通过开关电源模块变换为DC24V直流电压。为保证供电安全,无论采取哪种变换,最终的DC电压,通过最少两条独立的电线分别供到40m~50m外的司钻房接口,在司钻房通过隔离措施再合二为一后为上述配置设备供电。前一种配置的优点在于钻机安装初期,只要有AC400V的电压(例如应急机组工作)时,就能够测试电控系统,但缺点是钻机正常工作时,和直接从AC600V获取相比,由于600V/400V变压器容量的限制,容易导致DC24V电压波动,后一种配置的优点是电压稳定性好,但缺点是电源模块抗电网谐波[2]能力差,容易损坏。
4 存在问题
按照上述的负载配置和供电方案,在钻机实际使用中,用户反映电控系统存在运行不稳定和可靠性较差的问题,主要现象为运行过程中钻台PLC会随机的、没有任何征兆的出现通讯故障而突然停机,重新启动后又可以正常工作。虽然这种现象出现的次数不多,电控系统重新启动的时间也比较短,自身没有损坏任何器件,也没有其他相关器件损坏,但突然停机对钻井工作影响很大,从停机到重新开始正常工作需要进行一系列的处理工序,一方面耽误钻井时效,另一方面当碰到井下地质情况比较复杂时,会给钻井安全带来一定的隐患。
5 原因分析
针对上述问题,电控系统集成商早期曾根据显示的通讯故障,围绕钻台PLC系统,重点处理通讯线路、屏蔽层连接、接地线、控制软件等与现场总线通讯有关的环节,结果是故障仍然时有发生。后来经过长时间多次观察、归类,终于找到一些规律,表现为在起动功率比较大的电机,比如灌注泵、剪切泵时,容易发生;在钻台内DC24V控制继电器抖动时也容易发生。经过对这些现象分析,联系到钻台控制电源配置特点,再测量司钻房的控制电压,发现DC24V供电电源偏低。对其中采用上述第一种配置DC24V供电电源的一套钻机测量,在SCR房,DC24V的实际电压空载时接近27V,带上负载(包括房内和钻台)时25V多一点;在司钻台测量,空载时23V多一点,负载时21V左右,用示波器观察,有时只有19V~20V。经过分析、研究,认为通讯故障最大的可能,是由司钻台DC24V控制电压偏低所致。理由如下:当DC24V控制电压实际只有21V左右时,已经到了钻台PLC通讯模块不能稳定工作的电压范围,从表面上看虽然还在正常工作,但已经为临界正常状态。当电压由于某种原因持续或者瞬间(通讯总线数据循环周期)降低到模块允许的最小工作电压(DC19V)以下时,一定会报出PLC通讯故障。电压持续降低的原因是当电磁阀、继电器同时带电工作的数量增多时,负载电流增大,由于供电线路长而损耗增大,供出的实际电压自然降低;所谓瞬间是指电机起动的过渡过程,大功率(如多台小功率电机同时,或者一到两台75kW以上电机同时)电机起动影响控制电压的过程是这样的:由于电机的空载起动电流大约是其额定电流的4~7倍[3](带载起动时,起动电流不变,但过渡过程加长),对于75kW电机来说,额定电流约为150A左右,如果有2台同时起动时,总的起动电流按最高倍数为7时,起动电流 Id=7×2×150=2100A,持续时间约为20ms左右,这个电流将在阻抗压降为7%、容量为1000(或1250)kVA的600V/400V变压器副边产生压降,降幅值为:,降低的百分数为。按照上述第一种DC24V配法,钻台控制电源,在实际只有21V左右时,当有2台75kW电机同时空载启动,则实际电压在原电压基础上将再降低7.3(5.8)%,即:21-24×7.3(5.8)%=21-1.8(1.4)=19.2(19.6)V,这个电压已经降到了PLC通讯模块最低允许电压附近,如果持续时间超过了通讯循环周期,通讯很有可能会报出故障。基于同样的原因,钻台内的DC24V控制继电器也会工作不可靠,有时会闪断—断而复通,当送到PLC模块的一些关键控制信号的闪断状态被扫描到并被当作人为操作时,运行中的钻机将会出现一些莫名其妙的停机或者故障状态。
6 应对措施
由以上原因分析,应对钻台DC24V控制电压偏低的措施主要有两个方面,一是加大源头容量,降低线路损耗,即增大DC24V电源容量(或者减小电源内抗,但不是提高供电电压),增大从电控房到司钻房供电电源线面积(也就是减小负载时线路损耗),这个措施非常适用于在用钻机,但无论如何也消除不了线路损耗,钻台控制电压也不能达到电控房的电压水平,如果配置成保证在负载时钻台电压为DC24V,则电控房控制电压将升高到DC27V以上,又将影响到电控房内相关器件的安全工作。二是对新造钻机来讲,建议在电控房和司钻房同时配置相同的电源系统且负载后电压为DC25V,两个系统之间只连接电源零线(电压参考点),如此配置的优点在于两房内的控制电压都在最可靠的范围之内,即使波动超过负20%,只要相关配置合适,电压在10个通讯周期内也不会低于DC21V!对于信号抖动问题,需要在控制软件中对相关信号做数字滤波处理。
7 结束语
传统的电动(SCR/VFD)钻机司钻房控制电压配置模式虽然简单、成本低,但随着用户要求的提高,需要控制的对象范围和器件越来越多,控制电压的负载越来越大,不可避免的造成供电线路损耗增加,实际供出电压降低,当其降低到系统稳定运行的临界范围内时,供电回路任何一个环节的风吹草动都将影响到整个钻机的可靠运行,特别是司钻房的现场总线通讯系统,表象是通讯故障,其实更多电压低故障。加大电源容量和减小线路损耗不是最佳方法,解决这个问题的根本措施是在需要控制电源的地方配置电源,所有电源之间独立工作,只进行电源零线(电压参考点)之间的相互连接,同时充分考虑钻机电网波电压动达到20%和闪断在20ms左右的特点。