采用国产变频器的ZJ90DB石油钻机电传动系统

2022-01-26安建钧李西方张鹏飞郭振东李云龙段继国解晓勇张恒敬

电气传动自动化 2021年6期

安建钧，李西方，2，张鹏飞，2，郭振东，李云龙，段继国，解晓勇，张恒敬

（1．宝石电气设备有限责任公司，北京 100192；2．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002；3．苏州汇川技术有限公司，江苏苏州 215000）

变频调速在石油钻机中广泛应用，采用变频调速的石油钻机在满足石油钻井工艺要求方面具有控制性能好、维护简单、配置灵活、节能降耗等优越性。目前国产化大功率高性能变频器技术已经成熟，其核心技术均已掌握在国内领先的变频器厂家。国产化变频器亟待在石油钻机中推广应用，更需要在7000米以上深井钻机中进行性能验证。

1 国产化大功率MD880系列变频器

MD880变频器属于高端变频调速产品，分为单机传动和多机传动两种拓扑形态，是一款定位于高端传动应用、高性能调速及转矩控制、高可靠性、灵活的系统集成能力、便捷的调试维护、高功率密度覆盖的驱动产品。无论是模块结构、功率密度、响应和精度，还是产品的适用范围，均达到了国产化行业标准，已经大量应用于冶金、造纸、港机、起重设备、船舶、风电、矿山等行业。

在石油钻机行业，MD880多传动变频器在海洋钻机上得到了多年的应用。单传动变频器也大量使用于泥浆泵变频控制房、机械钻机电代油改造项目中，运行状况较好，取得了国产化改造的较大效益。下面简要说明一下MD880多传动变频器的产品特点。

（1）高度灵活的模块化设计：软件硬件模块自由组合；自由编程；开放的数据流图，灵活调试；扩展模块灵活配置。如图1所示。

图1 可编程的数据流图

（2）性能稳定可靠：现场故障快速处理；远程实时诊断；总线软件冗余设计；黑匣子故障记录；故障等级自诊断。

（3）兼容的适配能力：兼容各类上位机；内置电机仿真模型；选配结构安装支架；逆变器采用全电容结构。

（4）多传动结构：公共直流母线方式，统一的进线结构与整流模块；整流器、逆变器功能、功率可以方便地组合为功率并联方式或者多机传动模式；功率等级齐全、控制功能丰富、满足绝大部分传动控制场合使用；便捷、简单的调试软件，容易掌握；配置快速调试智能操作面板。

（5）变频器标配输入输出电抗器，降低了网侧谐波电流与电机端的谐波。

（6）标准的V／f控制模式、无编码器矢量控制、有编码器矢量控制功能。多机传动控制功能、多环控制功能、多模块并联技术，能够匹配多传动方式。

（7）针对于直接接入电网项目，整流单元可以采用IGBT脉冲整流形式，电网侧谐波指标满足国家标准，功率因数接近于1。

（8）密闭金属结构设计、光纤信号传输，解决了控制系统的抗干扰问题。

MD880变频器在电机控制策略上使用矢量控制模式。结构上采用模块化组合，尤其是整流模块、逆变模块均设计为标准化的三相模块，可通过并联模块、并联柜体等多种方式扩大功率、节省体积，比较适合于钻机电控房内布置。

MD880另一个较大优势是制动单元选用三相制动模块，功率以持续功率标定，很适合于接近持续下放（100s左右）的绞车类负载。在转盘或者顶驱等不需要持续制动的场合，也可选用单相制动单元降低成本。

2 ZJ90DB电控系统方案配置

ZJ90DB电传动系统如图3所示。动力系统为5台柴油发电机组，单机额定功率1200kW，辅助柴油发电机组额定功率550kW，交流主动力为600V，MCC为400V。系统预留5000A网电接口柜，以2×2500A双断路器引入。

钻机主电机配置：绞车2×1100kW，转盘1×800kW，3台2200hp泥浆泵均为2×900kW，自动送钻为2×45kW。

变频系统全部选用MD880系列多传动变频系统。进线柜2×3200A，整流柜2×3456kW，绞车逆变柜2×1400kW，转盘变频柜1×800kW，3台2200hp泥浆泵变频柜均为2×900kW，顶驱逆变柜为2×710kW柜体。绞车、转盘、顶驱、自动送钻的传动采用有编码器矢量控制，同时为转盘设置了无编码器矢量控制操作模式，泥浆泵传动采用无编码器矢量控制。

在公共直流母线上配置了2套三相制动单元模块，其持续制动功率均为870kW，相应的制动电阻为800kW。

系统采用S7－1500 PLC和Profinet现场总线，VFDII设置一台工控机并采用WINCC组织监控画面，司钻房设置3台15＂MP377触摸屏做显示、操作、一体化仪表使用，取消了仪表厂家的独立仪表显示器。PLC与总线控制系统实时采集、监测、显示全部电传动系统的操作与运行数据。MCC系统中30kW以上电机配置了软启动器，设置了远控、本柜控制、软起、直起的组合功能。司钻台内分站配置了SM551位控模块，游车高度编码器为绝对位置型，可使编程简单并有位置记忆功能。

采用三相制动单元，持续功率充足，运行可靠。为了实现节能，开发了能量回馈电路（节能柜），在直流母线上并联了200kW节能模块，设置在节能柜内。节能模块输出并接于主变压器400V端。当有能量回馈时，节能模块将直流母线上，由MCC回路即时吸收。节能模块监视直流母线电压与400V母线电压，采用柔性算法，将绞车下放多余能量逆变至400V母线，保证400V母线不过压。ZJ90DB电传动系统的基本控制功能如下：

（1）采用矢量控制的绞车电机四象限运行、机械档位监控、游车位置闭环的综合防碰、脱档防跌落功能（预留井口自动化设备集成操作控制接口）。

（2）恒钻压自动送钻技术、恒泵压送钻技术、恒扭矩送钻技术，可提供软泵控制技术。

（3）PLC和Profinet双总线控制，交换机技术、远程诊断技术。

（4）顶驱控制集成，提高自动化程度及安全联锁保护，节约成本，减少运输单元。

（5）一体化布局司钻台，一体化仪表系统，取消独立仪表，提高系统集成度，信息共享，内嵌式连锁保护功能。

（6）全数字化的柴油发电机组控制，柴油机运行与报警数据的通信读取及显示；发电机运行与报警数据的通信读取及显示，电控房集成一体化报警。

（7）所有主电机测温及部分重要辅助设备监控。

（8）操作和钻井参数实时显示、电气系统运行监控与显示、故障显示、报警与安全停车的齐备功能，为钻井工艺创建一个数字化、信息化、智能化的管理平台和友好的人机界面；人机界面的友好性：任何报警与故障，同时给出原因解释及解决措施，使司钻工与电气工程师对设备问题及时了解清楚，不存在操作障碍。

（9）绞车四段速度控制，定义为四挡电气档位，与机械2挡档位结合使用，司钻工根据实际负载自主选择档位，操作简单，同时设置有档位选择错误自动保护及挂挡、锁档反馈保护，保证了绞车安全运行，避免发生操作事故。不设置电气档位自动变档，那样容易使操作者误以为速度失控。

（10）系统运行的节能要求：设置节能柜回收部分能量。系统设置了冷备份的双PLC双总线，对于现场用户能够起到备份支持功能。为了总线控制的稳定性，系统设计了许多抗干扰措施，保证系统抗干扰性能过关。

系统主网络设计如图2所示。

图2 ZJ90DB电传动系统的网络控制结构

通过交换机将大量现场设备接入Profinet总线系统，各网络设备不会互相影响，网络断线影响范围缩小，提高了系统的可靠性。顶驱控制设置独立CPU与主站CPU通信，提高了顶驱调试与运行的灵活性。

一体化仪表系统主要显示监控以下参数：柴油机数据、发电机组数据、传动系统数据、钻台仪表数据、罐区仪表数据、电气设备运行状况等。

在钻台区域设置一个仪表传感器采集箱，进入司钻房PLC分站；罐区设置一个仪表传感器采集箱，直接进入VFDI房PLC分站。这样减少了电缆路径，安装方便。

各个设备连锁保护功能：例如绞车主电机与送钻电机的运行连锁、绞车运行对减速箱的状态连锁、绞车与顶驱运行连锁、顶驱与泥浆泵运行连锁、柴油机功率保护连锁（包括突加负载）、柴油机发电机故障监控报警、电机参数监控保护、一体化仪表信息连锁保护。

系统设置了远程网络接口，网络条件下，可以在工厂连接现场设备，直接进入PLC程序进行监控，帮助用户快速诊断故障。

根据以上思路，ZJ90DB设计布局为2个电控房，如图3所示。

图3 ZJ90DB电传动系统房体布局图

2台整流柜布局于1号房，1号房给2号房只传输直流，不需要同时传输交流600V，简化了主电源接线。1号房房端设置了5只声光报警器，对应于5台柴油发电机组，可以编程不同的声音与颜色进行机组报警。

3 钻机运行效果、国产化评价及整体设计的一些问题

该ZJ90DB钻机已在现场开钻运行半年以上，井深8764米。运行过程中电传动系统情况良好，设备操控简单，布局合理，尤其是绞车运行平稳，完全能够满足用户的起下钻速度和安全要求。系统开钻以后获得了用户的好评。

具备钻柱悬重条件后进行了节能柜的现场调试，采用步进算法，投入运行后，节能柜节能回馈平稳安全，投入运行不到四天即节电计量500kWh。钻深至8229米，节能柜节电计量26686kWh。根据实际试验，以后可以配置300kW节能柜。

在节能柜运行期间，减少了制动单元与制动电阻的投入时间和次数，减小了噪音和发热量，又减少了制动电阻风机（4×4kW）的电耗，这部分没有计入节能计量，预计其年节电量为10000kWh。

ZJ90DB陆地钻机上使用MD880国产化变频器，在国内是5000米以上钻机的首次。随后有90DB、70DB等7套项目，均采用MD880变频器，陆续在钻井现场开钻，有的已经完成钻井2口，电控系统均运行稳定。

MD880变频器在控制上采用通用的矢量控制，控制技术指标与国际通用品牌一致。同时实现了多模块并联、多机同步、多环控制、网络化控制等复杂功能，应用于高性能控制系统上不存在短版。结构上开发了模块化结构模式，相比较大功率变频器传统结构具有明显优势，与ACS880模块化结构类似。单个模块最大功率达到了710kW，2×710kW模块并机可装于600mm（宽）×2200 mm（高）×600 mm（深）柜体内，可以实现单柜控制2×710kW双电机，也可以并联为1×1300kW单柜，驱动1×1300kW。最大可以做到10个逆变模块的多模块并联。

国产化大功率变频器目前只有微处理器芯片与大功率IGBT为进口产品，其控制模块制造、器件选型、功率模块均为自制。小功率变频器采用了国产IGBT。

在ZJ90DB钻机电控系统中，PLC及Profinet总线系统仍然使用了国外高端产品。国内公司已经有相关的PLC产品布局，很快将有国产系列化高端PLC及总线产品，我们会予以积极推进并早日应用于钻机电控，实现高性能控制系统的彻底国产化。

根据长期的实践与现场经验及首次使用国产化大功率变频器应用于90DB钻机电控相同的情况，我们做了一些思考，供后续设计参考。

（1）钻机整体设计的标准化、模块化、系列化问题：目前国内钻机及其电控系统的生产厂家较多，各自的产品差异较大。这给厂家的设计制造和用户的使用、维护、组织备件都造成很大困难。执行强制性的行业标准使钻机及其电控系统的设计制造达到标准化、模块化、系列化，会对厂家与用户极为有利。

（2）司钻房设计的机电配合：司钻房为电气设备与线路的集中之地，要尽量减少或避免液路、气路进入司钻房。随着司钻操作自动化程度的要求越来越高，电气系统的主导作用也越来越强，它将井口自动化工具全部集成，形成了司钻集成操控系统。电控系统厂家在此具有天然的优势，并负有优化设计的责任。

（3）钻机整体设计对环境的适应性：无论是机械还是电气设计，都要考虑防尘、防雨、防潮措施，考虑安装拆卸与维护的方便性。现场维护有诸多不便因素，应考虑一定的冗余设计和可靠性验证。环境因素要考虑温度、湿度、海拔、尘土或沙漠地带等等，真正做到适应相应的环境。对环境的适应性也包括对电磁环境的适应性，即系统抗干扰与电磁兼容。

（4）总线与网络的方案及其兼容性问题：总线与网络系统及软件要选用主流产品并利于系统扩展与技术发展。要考虑与各种系统的接口功能，以低成本的方式采集大量非实时数据。

（5）技术发展的国产化推进问题：对于成熟的国产化设备或系统要大力推广，同时兼顾技术发展问题，创造真正的国产化品牌。

（6）根据电控系统全部在线数据，采集尽量多的机电运行数据，开发新的计算模型，计算某些数据从而取代部分传感器；预测系统运行状态，及早发现故障并排除，实现系统智能化。