1200KW/600V国产变频器在油田钻机泥浆泵上的应用
摘要：
1200KW/600V国产变频器在油田钻机泥浆泵上的应用
山东新风光电子科技发展有限公司 刘德田 孔亮 其其格
胜利油田渤海钻井西南分公司 雷晓程
Liu Detian Kong Liang Qiqige Lei Xiaocheng
摘 要：本文主要阐述了1200KW/600V变频器在油田钻机泥浆泵上的应用，并着重分析了其具有的主要性能特点和一些特殊功能。钻机设备的变频驱动也代表了钻井技术的发展方向。胜利油田渤海钻井西南分公司 雷晓程
Liu Detian Kong Liang Qiqige Lei Xiaocheng
关键词：泥浆泵 变频器 单元并联 三电平
Abstract: This article mainly elaborated the application of 1200KW/600V inverter to drilling machine mud pump in the oil-field, and emphasized to analyze it to have of main function characteristics and some special functions. The Inverter which the drilling equipment drives to also represent the well drilling technical development directions。
Key words: Mud pump ，Inverter，Cell-parallel，Three-level
1. 引言
泥浆泵是油田钻机最主要的设备之一，它的正常运转和工作效率直接关系到油井的经济建设和成井率。由于其钻井工艺的特殊性，对泥浆泵的电控设备要求特别苛刻，特别在变频器选用上非常谨慎，长期以来一直是国外产品的天下。由于国外变频器存在价格昂贵，调试周期长，维修周期长的特点，油田上因变频器故障得不到及时维修 , 造成质量事故的现象时有发生。在这种形式下，我公司自主研发了可替代进口机的专用变频器。该变频器体积小，重量轻，便于安装、调试、维护方便,效率高，性能稳定。
变频驱动泥浆泵较传统机械驱动有以下优点：节能，操作简单，无级调速，控制精度高，工作效率高。变频技术在油田钻机泥浆泵上的开发应用，不仅提高了钻机的水平，改善了钻机的操作性能，更重要的是加强了钻机的作业能力，提高了钻井效率和质量。
图1 1200KW/600V变频器运行现场
2.泥浆泵循环工艺
在钻井过程中，共分为起落井架，钻进，泥浆循环，钻具更换，下套管，测井等几大工序。主要设备分为绞车，转盘和泥浆泵等。而泥浆泵则相当于整个钻井设备的心脏，它所输出的泥浆的作用类似于人体内的血液。泥浆从钻杆内部自上而下注入，流过钻头后，再从钻杆和井壁的缝隙自下而上流出，在这一过程中，泥浆协助钻头冲击地壳，冷却钻头，带出碎屑，而更重要的是通过在泥浆中渗入重晶石粉等物质可保持井下一定的压力，以避免井喷，象血液在人体内循环一样，运送营养，带走废物。泥浆泵的压力和冲数分别与驱动电机的输出转矩和速度成正比。
3.技术改造方案
泥浆泵是钻机的主要组成部分，一旦泥浆循环系统不能运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失（如卡钻），还有可能威胁到现场生产人员的人身安全（如井喷），所以对泥浆驱动系统要求具有极高的可靠性 。 我公司是国内最早研制变频器的公司之一，具有大功率变频器多年成功运行的生产经验，且性价比高。根据 “经济、高效、可靠”的原则，胜利渤海钻井公司选择了我公司生产的风光牌 JD - BP33 - 1200Z( 1200KW/600V )变频器，该变频器采用单元并联结构，三电平技术，PLC控制，具备完善的保护功能，自动化程度高。
3.1泥浆泵供电系统组成框图
该系统组成框图如图2示。
在钻井过程中，共分为起落井架，钻进，泥浆循环，钻具更换，下套管，测井等几大工序。主要设备分为绞车，转盘和泥浆泵等。而泥浆泵则相当于整个钻井设备的心脏，它所输出的泥浆的作用类似于人体内的血液。泥浆从钻杆内部自上而下注入，流过钻头后，再从钻杆和井壁的缝隙自下而上流出，在这一过程中，泥浆协助钻头冲击地壳，冷却钻头，带出碎屑，而更重要的是通过在泥浆中渗入重晶石粉等物质可保持井下一定的压力，以避免井喷，象血液在人体内循环一样，运送营养，带走废物。泥浆泵的压力和冲数分别与驱动电机的输出转矩和速度成正比。
3.技术改造方案
泥浆泵是钻机的主要组成部分，一旦泥浆循环系统不能运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失（如卡钻），还有可能威胁到现场生产人员的人身安全（如井喷），所以对泥浆驱动系统要求具有极高的可靠性 。 我公司是国内最早研制变频器的公司之一，具有大功率变频器多年成功运行的生产经验，且性价比高。根据 “经济、高效、可靠”的原则，胜利渤海钻井公司选择了我公司生产的风光牌 JD - BP33 - 1200Z( 1200KW/600V )变频器，该变频器采用单元并联结构，三电平技术，PLC控制，具备完善的保护功能，自动化程度高。
3.1泥浆泵供电系统组成框图
该系统组成框图如图2示。
3.2．系统设备参数
（1）柴油发电机组参数
型号 3－1FC6 566-4LA92
额定容量 1900KVA
额定电压 600V
额定电流 1830A
额定频率 50HZ
功率因数 0.7
（2）变频调速异步电动机参数
型号 YJ13×4
额定功率 1200KW
额定电压 600V
额定电流 1354A
额定转速 1000 r/min
额定频率 50.5HZ
功率因数 0.9
冷却方式 强迫风冷
（3）泥浆泵参数
型号 F-1600
额定功率 1193KW
齿轮速比 4.206：1
冲数 120 r/min
缸套直径mm 180 170 160 150 140
压力MPa 23.1 25.9 29.2 33.2 35.0
3.3.JD-BP33-1200变频器主要性能指标
额定功率 1200KW
额定输入电压 600VAC 3相
允许电压波动 ±20%
额定输入频率 50Hz
允许频率波动 ±5%
额定输出电压 600VAC 3 相
额定输出频率 50Hz
额定输出电流 1354A
过载能力 1.5 倍电流 1 分钟
过流保护 1.8倍电流立即保护
工作方式 连续
3.4.JD-BP33-1200变频器主要技术性能
（1）单元并联技术
1200KW/600V变频器由八个完全相同的变频单元组成，八个单元并联输出，如图3所示。
（1）柴油发电机组参数
型号 3－1FC6 566-4LA92
额定容量 1900KVA
额定电压 600V
额定电流 1830A
额定频率 50HZ
功率因数 0.7
（2）变频调速异步电动机参数
型号 YJ13×4
额定功率 1200KW
额定电压 600V
额定电流 1354A
额定转速 1000 r/min
额定频率 50.5HZ
功率因数 0.9
冷却方式 强迫风冷
（3）泥浆泵参数
型号 F-1600
额定功率 1193KW
齿轮速比 4.206：1
冲数 120 r/min
缸套直径mm 180 170 160 150 140
压力MPa 23.1 25.9 29.2 33.2 35.0
3.3.JD-BP33-1200变频器主要性能指标
额定功率 1200KW
额定输入电压 600VAC 3相
允许电压波动 ±20%
额定输入频率 50Hz
允许频率波动 ±5%
额定输出电压 600VAC 3 相
额定输出频率 50Hz
额定输出电流 1354A
过载能力 1.5 倍电流 1 分钟
过流保护 1.8倍电流立即保护
工作方式 连续
3.4.JD-BP33-1200变频器主要技术性能
（1）单元并联技术
1200KW/600V变频器由八个完全相同的变频单元组成，八个单元并联输出，如图3所示。
图 3 八单元并联接线图
由于均流电抗的作用，强制八个变频单元的电流相等。这种方法与功率器件直接并联得到大容量输出相比，有如下优点：
a.功率器件直接并联运行，要求并联的器件参数一致性好，同时对于装配工艺要求相当高，而采用单元并联，由均流电抗完成均流作用，可以不要求器件选配，同时对装配工艺的要求简单的多。只要均流电抗选择合适，可以很容易将均流误差限制在5%之内，这是器件直接并联难以达到的结果。
b.器件直接并联的容量与器件容量之和相比并不相等，即器件并联时必须降额使用，并联数目越多，降额越大，当并联数量达到一定数值之后，增加并联器件数量，对增加容量作用甚小，即是说，器件直接并联，其最大容量数值是有限制的。
c.单元并联，则无上述限制。这台1200KW/600V变频器采用八个变频单元并联输出，各单元电流的差值在5%以下，均流系数为0.96。由此，采用同样的器件，用单元并联的方法可以得到比器件直接并联更大的输出。
（2）三电平技术
在PWM电压型380V级变频器中，一般采用两电平电路。若用两电平电路实现600V的输出，势必要用昂贵的高压管或采用低压管串联结构，由于器件串联动态均压问题不易解决，应尽量避免。在1200KW/600V变频器中，逆变电路部分采用三电平电路或称中点箝位(NeturalPointClamped—Npc)方式, 它不但能输出较高电压，而且能降低输出谐波和电压变化率（dv/dt），良好的波形正是本设计的目的之一。三相输入电压经全波整流后由两组大电容器相串联组成滤波器，两组电容器的连接点即本电路的中心点（三电平的中间电平）。
图4 三电平逆变电路
其输出波形为具有五个电平的三相SPWM波，即宽度按正弦规律分布的矩形脉冲波。这种波直接送给电动机，由于电机是感性负载，所以能获得近似的正弦波形。因此对电机和电缆无特殊要求，可直接用于普通异步电动机。三电平逆变电路输出波形如图5所示。
（3）PLC控制方式
1200KW/600V变频器内置PLC，易于改变控制逻辑关系，可灵活选择现场控制和远程控制，即可以从司钻房操作，也可以从MCC房变频器侧操作。同时，PLC预留一路通讯接口，可与上位机（商用 PC 机）进行通讯，可对变频器进行全部操作，包括参数设定、功能设定、运行操作、故障报警等等。
（4）具备完善的保护功能
在泥浆泵堵转时，电流会在瞬间升高很大，产生对功率模块的直接冲击，长此工作之后，会造成模块应力的的下降，为提高模块的使用寿命，采用了传感器取样和 IGBT 结压降保护相结合的双重保护，从而减少了特殊情况下对模块的极限冲击，即使输出相间直接短路 , 模块也能在 10us 内及时封锁输出 , 保护了变频器 , 提高了整机的安全性和可靠性。此外，变频器还具有过流、过压、欠压、过载、缺相、温升、失速等多种保护。
3.5.JD-BP33-1200变频器的特殊性能
（1）变频器能够从“零”开始调速，且下限频率无输出，方便司钻工操作，从而避免反复启停电机的情况，即当变频器频率低于 2 Hz时，电机无扭矩，处于自由状态。同时当电位器旋不到最低位置时，不论是开机位置还是停机位置，这时变频器均无输出。只有变频器检测到最低信号时，变频器才能开机。变频器的启动还受电机上的冷却风机及其它外部信号控制，冷却风机及其他信号备妥后指示灯亮方可允许开机，变频器故障信号也串入该回路，故障指示灯亮时变频器不能开机。当主电机长期停机时，变频器输出220V电压，以供电加热器（200W/220V）加温驱潮湿。
（2）提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，可是载波频率提高，会使开关损耗增加，散热负担加重，所以选择时必须权衡利弊，为了获得较好的控制特性，载波频率与变频器的最高运行频率的比值建议不要低于36。在这台1200KW/600V变频器中，载波频率选择为2kHz。载波频率与电机噪音，漏电流，干扰的关系如表所示：
|
载波频率
|
降低
|
升高
|
|
电磁噪声
|
↑
|
↓
|
|
漏电流
|
↓
|
↑
|
|
干扰
|
↓
|
↑
|
（3）在变频器功率特别大的情况下，强烈的电磁干扰很容易造成控制信号错乱。为了从根本上解决这个问题，我们用光纤来传输控制信号，并让非光纤部分尽量短，信号线与动力线分开配线，尽量使用双绞线降低共模干扰，在单片机、PLC等为核心的控制系统中，在编制软件的时候增加了对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增加系统自身的抗干扰能力。在主电路中，要求引线尽量短，以减少其电感量，并且在主回路中增加了直流电抗器，以提高功率因数，在变频器与电动机之间增加交流电抗器，以减少传输过程中的电磁辐射，这样处理后，工作现场电流再大，控制线再长，变频器也不干扰。
4．1200KW/600V变频器在川科一井上的运行情况
2007年5月，由胜利渤海钻井公司和山东新风光电子科技发展有限公司鉴定变频器购货合同，型号为JD-BP33-1200。2007年6月18日，变频器送达四川孝泉镇川科1井，负载是石油钻机上的泥浆泵。川科1井是中国人设计和施工的第一口超深井，该井设计井深8875米。川科1井是川西地区突破海相的一口重要的科学探井，预计用二三年时间才能完钻，钻成后将用于探索海相构造等科学研究和勘探川西地区的天然气储量与产量。该井是我国石油工业二次创业的一项标志性工程，鉴于这口井的重要性和特殊性，钻探时将会运用一系列新技术，在这种形式下，胜利渤海钻井公司决定对泥浆泵进行改造。2007年6月28日，变频器正式投入运行。
原设备控制方式为1200KW的柴油机直接通过皮带轮拖动泥浆泵，调节泵压时，操作工通过调节阀门来控制泵压大小。变频驱动泥浆泵，与原传统机械驱动比较，主要有以下优点：
（1）我山东新风光电子科技发展有限公司生产的 JD-BP33－1200变频器所有部分装在配电柜内，不需要另外的电抗器、滤波器等设备装置。体积小，结构紧凑，安装简单，现场配线少，调试周期短，投入生产快。
（2）电机运行平稳，启动时无冲击电流，无机械冲击，噪音较小。泥浆泵电机的运行参数是通过PLC进行数据采集的，并在触摸屏上显示泥浆泵泵压、泵冲。泵冲调速可通过电位器在0-120Spm调整，优化了泥浆排量、建立了稳定的无波动泵压，减少了对泵的损坏。
（3）提高了泥浆泵循环系统的运行效率，减轻了工人的劳动强度，实现了系统的最佳工况运行。操作工只需在司钻台对泥浆泵电机进行无极调速，就可满足钻井需要。司钻台还有电机的零位保护，具有风机的启停、故障复位、紧急停泵按钮，并有泥浆泵转速显示，变频器的各种工况指示、故障报警，冷却风机的工作状态，达到了操作方便、指示直观的目的。
（4）节能效果显著，大大降低了成本。在变频器投入正常运行后，我们对设备实际功率进行了测算和分析。其具体数据如下表所示：
|
输出频率
|
输入电流
|
输出电流
|
输入功率
|
|
36.62HZ
|
654A
|
960A
|
660KW
|
|
37.12HZ
|
700A
|
1000A
|
720KW
|
|
40.57HZ
|
810A
|
1100A
|
840KW
|
而原设备由于柴油机直接拖动泥浆泵，电机功率（1200KW）相对较大，存在着“大马拉小车”现象，无功损耗多，耗电量大。据最保守算法，节能率也在20％左右。
5．结束语
泥浆泵循环系统的变频运行，电机实现了软启动、软停车。泵压控制稳定，泵冲调节方便，真正实现了智能化和自动化。本变频器良好的驱动性能，保护了泥浆泵并提高钻井的质量，用户给予了很高的评价。在电力电子技术迅猛发展的今天，钻机设备采用交流变频驱动，代表着钻机驱动技术的发展方向，利用全数字变频控制技术和通讯网络优势，通过现场总线将各子系统组成三级网络，实现对生产全方位的控制和管理，按照司钻控制智能化、人性化和一体化设计理念，组成了完整的钻机自动化控制系统，并可以通过系统扩展和升级实现因特网远程监控，为油田最终实现钻井作业的远程网络控制提供了可能。我公司生产的风光牌JD-BP32-500Z大功率变频器在大庆油田钻机上的成功应用，为国产变频器又开辟出一个全新的市场，在油田钻机变频领域填补了国内空白。如今数十台钻机变频器已经投入运行，由此可见，变频器在油田设备上的广泛应用，将会有有着广阔的市场前景和发展潜力。
参考文献
【1】山东新风光电子低压使用手册. 山东新风光电子科技发展有限公司.
【2】刘德田，郭培彬，耿明金. 500KW/380V 国产大功率变频器在石油钻机上的应用. 变频器世界， 2006（1）
【3】高成海 变频器在石油钻机的应用和分析. 变频器世界, 2005（3）
【4】李瑞来，何洪臣，韩文昭. 2300V潜油电泵专用变频器.中国国际电源科技论文集, 2002（5）
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