剖析交流变频钻机的技术难点

剖析交流变频钻机的技术难点及其发展方向李军张继伟于继成佟旭明新疆石油管理局钻井二公司2005年7月10日目录摘要----------------------------------------------------------------------------11、概述-------------------------------------------------------------------------22、交流变频钻机的应用现状及技术难点-------------------------------33、交流变频技术在钻机行业的发展方向-------------------------------44、结论-------------------------------------------------------------------------5参考书目----------------------------------------------------------------------6剖析交流变频钻机的技术难点及其发展方向作者：李军张继伟于继成佟旭明新疆石油局钻井公司摘要：本文主要介绍了交流变频钻机所采用全数字变频调速矢量控制技术在国内钻机上的应用的现状及其发展方向进行探讨，对交流变频钻机的控制方式的选型具有一定的参考价值。关键词：电驱动钻机、变频技术、调速，仪表系统、控制、发展方向第一章概述传统的机械传动钻机由于结构复杂、性能差、可操作性差、效率低、机械维护费用高等弊端，逐渐退出了历史的舞台。1996年以来，新疆油田相继开发了ZJ10DB、ZJ30DB、ZJ50DB、、ZJ70DB等系列SIEMENS矢量控制全数字变频调速钻机,系统运行可靠、参数稳定、调试简便、维护方便、动态性能好，稳速精度高,并具有强大的通讯接口和扩展开发能力，可实现系统网络化、自动化。随着交流变频技术的不断成熟和发展，我公司交流变频钻机在钻井现场的到了广泛应用，以上钻机的成功开发和应用，为以后钻机提供了成熟的经验，打下了坚实的技术基础。第二章交流变频钻机的应用现状及技术难点探讨系统概述现以2001年集团公司、国家经贸委、新疆石油管理局钻井公司与宝鸡石油机械有限责任公司联合开发ZJ70/4500DB钻机为例来剖析交流变频钻机，该套交流变频钻机为国内第一台深井交流变频钻机，集数字化、自动化、网络化、智能化为一体，该套钻机于2003年3月20日由新疆石油管理局钻井二分公司70137队承接配套并在克八区T80288井顺利一开，于4月28日顺利完井，在该井对ZJ70DB钻机的各系统进行工业性试验，各项技术性能指标达到了预期目的。ZJ70DB钻机的控制系统，是在直流SCR钻机成熟技术基础上，充分吸收国外同类钻机控制系统的先进技术，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。1、发电机控制部分动力系统的配置选用4台CAT3512B/SR4B型电喷柴油发电机组,输出功率1310KW/1200KW,其控制系统由柴油机电喷电源系统、手动自启动电源电路、同步并车系统、接地检测系统、功率限制系统等组成，机组运行稳定，可靠性高，系统电网功率因数高（≥COSφ0.83）发电机组具有优异的闭环调节系统（ROSHILL控制系统），动态响应快。该钻机在克八区T80288井施工过程中，3#车启动怠速跑温，怠速不稳，并车后断路器自动掉线，柴油机并未自动停车，重新启动上线并网运行短暂时间，故障重现，针对此现象对交流柜AC交流组件、脉冲调速、油门执行器、励磁板、油门转速转换输入模块等电路进行了详细检查，最后确定为油门转速转换输入模块受温度影响性能劣化所至。由于发电机控制系统的所有数据采集与故障显示没有与PROFIBUS现场总线进行结合，不能对发电机运行参数、交流控制运行参数和运行故障进行监控，使故障不能得到及时的处理。2、变频传动系统采用“1对1”控制方案，由9+1套SIEMENS新型全数字矢量控制电压型交流变频调速装置，具有V/F特性曲线的频率控制和磁场定向矢量控制方式。驱动绞车、转盘和3台泥浆泵主电机及送钻电机，实现无级调速、满足传动要求。但因设计采用“1对1”控制方案，钻机第一次投入费用较高，如变频传动系统采用共直流母线方式，它不仅可以减少控制系统体积，还可以减少在整流单元的一半投入费用，在5000米以下的交流变频钻机得到了广泛的应用，但其可靠性和抗干扰性都不如“1对1”控制方案稳定，特别是7000米钻机大功率系统，对绞车能耗制动系统的稳定性尤为重要。3、单轴绞车驱动控制主要动力由两台功率为700KW的电机提供，转速为2800r/min,YJ13型交流电机提供，输入转速0-2800r/min范围内无级调节，挡数为1正1倒无级调节，采用矢量方式控制电机运行，在零速时可实现大转矩输出，可设定速率和上升时间上升，恒转矩输出100%（0-33.5Hz）恒功率输出100%（33.5Hz-61Hz）电动机通过调速手柄或调速手轮设定转速可精确控制游车起放位置，并可实现悬停功能，同时具有状态联锁，防碰与绞车联锁，盘刹与绞车的联锁，参数的联锁，绞车速度与钩载及与工程参数的联锁，无论那一项出现问题，电机变频器都会保护动作，使绞车停转，盘刹动作。绞车为双电机同轴驱动，两台电机可以单独运行。变频器之间都采用CBP2板与PROFIBUS总线相连，利用SIMLINK通讯板相互交换数据，采用PID调节，实时控制电压、电流、转速闭环，实现两台电机同步运行。但在实际使用过程中，还有部分缺陷，其主要表现在以下几点：1）绞车电机的负荷分配很难分配均匀，两电机同步调整较为困难，其传动精度，力矩误差都较大，同时由于保护联锁较多，绞车故障范围也较多。2）由于绞车和减速箱的制造工艺等原因，减速箱回油孔较小，回油不畅，易从呼吸孔返出。3）绞车电机的投入和切出都靠推盘离合器来实现，投入和切出电机时减速箱齿轮啮合响声较大，特别是在下钻过程中，如司钻忘挂推盘离合器，易造成严重的溜钻或顿钻事故。4）绞车手柄和手轮都属于电位器模拟输入方式，易造成设置速度的零位漂移，往往造成手柄和手轮速度在零位，而电机速度不在零位，此时需对手柄和手轮的零位进行调整。4、转盘、泥浆泵驱动控制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。泵冲调速可通过手轮在0-120Spm调整，PLC控制带泵电机的运行参数可实现三台泥浆泵电机负载均衡、优化泥浆排量、建立稳定的无波动泵压，减少对泵的损坏。但因泥浆泵的的传动方式是软传动，是靠皮带轮来传动的，在启动和停止时皮带波动较大，易造成泵的冲击，运行不稳定，特别是在10HZ左右频率段尤为严重，转盘启动要求平滑，运行要求平稳，转盘调速手轮0-53Hz可调，恒转矩输出，转矩限制手轮0-100%可调，PLC通过转盘电机控制程序可设定转盘扭矩，控制电机的运行参数，使扭矩动态工作在设定范围。当出现异常情况，扭矩超过最大设定值时，PLC控制电机停止，转盘惯刹气囊进气动作刹住转盘，再通过人工手动释放反扭拒来实现过扭矩保护。70137队盆五井区莫13井施工作业中，钻至井深3800米井深时，因下部地层发生变化，转盘实际扭矩超过设定扭矩，转盘变频器动作，造成转盘电机停转，转盘动力消失，转盘惯刹气囊受PLC控制进气，但井底钻具的高速反扭拒使惯刹气囊未能刹住转盘，井内钻具被倒开，造成钻具落井事故。其原因是转盘变频器的保护动作，电机停转，转盘失去了抗衡反扭矩的动力，转盘惯刹气囊进气需一定的时间，在瞬间达不到设计力矩。5、独立电机自动送钻系统自动送钻的控制部分由PLC，触摸屏，变频器，绞车转速传感器，钻压传感器和转盘扭矩传感器构成。可实现的功能有：自动送钻，手动送钻，同时显示送钻速度。6、游车位置自动控制系统通过PLC采集主电机的运行参数和滚筒编码器的数字信号，可精确计算出游车的具体位置，将计算的游车位置与设定的防止上碰下砸位置进行比较分析，与绞车控制系统结合，具有减速--刹车功能。可首先发出预警信号，并发出指令信号控制主电机进入安全速度，再对主刹车进行紧急刹车控7、绞车能耗制动绞车采用变频系统能耗制动替代辅助刹车，在下钻作业中，游动系统的悬重通过滚筒以反力矩拖动主电机反转，主电机工作在四象限处于发电工况。电能作用于直流母排，通过能耗电阻转化为热能散发，PLC工控机通过对采集的数字信号分析游动系统的悬重，控制主电机反转的速度，使钻具以设定的速度平稳安全地下放。交流变频矢量控制系统使主电机在0r/min转速时也能输出额定扭矩，因此，可实现钻具的悬停。8、司钻智能化控制系统采用PROFIBUS现场总线，所有气控系统、液控系统均采用电气联控，配以工业视频监视，语音双功对讲系统来实现司钻对钻机参数的控制和对井场全面监控。但司控房下部防爆性能较差，原设计为正压防爆，下部孔洞较多，密封性差。由于电控系统、气控系统、液压系统都从司控房底部进入，可靠性能较差，检查与维修均不方便。70137队从盆五井区莫13井搬往克拉2-12井区，设备安装就位后，通电试机发现触摸操作屏无操作画面显示，电源和PLC均工作正常，用手动启动变频器后，司控房所有操作失灵，盘刹联锁动作，释放无效，后修改变频器参数为旁路控制，重启变频器后，PMU显示变频器封锁状态，复位变频器无效，后排除旁路开关故障和更换触摸操作屏，整个系统才恢复正常，其司控房内部系统的可靠性和抗震性能有待进一部提高。9、变频通信系统控制方式通信系统控制部分分为网络控制方式和旁路控制方式，在正常情况下系统应采用网络控制方式，网络控制方式采用PROFIBUS-DP总线技术，旁路控制方式适用于紧急情况下的备用，采用点对点的控制方式。但控制系统只有一套通讯网络，整过系统在运行过程中，VFD房内部变频器与变频器之间，变频器与VFD房内部PLC基站之间，VFD房PLC与司控房PLC基站之间有一处通讯不畅或中断，都会造成整过通讯系统无法工作。其通讯网络示意图如下：控制网络示意图S7300绞车司钻箱PROFIBUSSIMLINK工控机主站SLB1SLB2CBP1CBP2泥浆泵1SIMLINKSLB3SLB4CBP3CBP4SIMLINKSLB5SLB6CBP5CBP6SIMLINKSLB7SLB8CBP7CBP8CBP9泥浆泵2泥浆泵3从站1从站2从站3从站4从站5从站6从站7从站8从站9MPITP37S7300主站ET200第三章交流变频技术在钻机行业的发展方向交流变频技术在超深井钻机上的成功应用，使钻机整体工作稳定性有了大幅提高，但还不能完全满足钻井新工艺的要求，其控制系统的可靠性达还有待进一部完善。交流变频技术在钻机行业的发展方向1、变频传动控制系统变频传动控制系统方式朝共直流母线方式发展，不仅可以减少控制系统体积，而且可以大大节省投资成本。在7000米以上的钻井进行应用，提高其可靠性、互换性和抗干扰性。2、绞车传动系统绞车传动系统采用多电动机传动系统可以满足不同井深对电动机的要求，多电动机负荷均匀分配，多电动机无冲击切入及切出，力矩误差1%，提高绞车传动精度，可以满足钻井工艺对绞车电传动的要求。3、讯系统的冗余控制与常规控制系统相比，钻机自动化控制系统网络一体化控制系统采用的是冗余控制系统，它包括冗余控制系统，冗余网络系统，冗余软启动系统，系统由是一个三级控制系统,由管理计算机；过程控制系统及直接控制系统组成,两套系统同时共作，互为冗余，可把电传动系统工控机、PLC、触摸屏和电、气、液钻井仪表参数进行一体化设计，实现司钻智能化的控制钻机，实现绞车、转盘、泥浆泵的全程无级调速，即使任意一套出现如PLC，输入、输出模块损坏及通讯中断等故障时，另一套都能自动地投入，其通讯网络示意图如下：绞车转盘泥浆泵2泥浆泵1操作显示液压系统热追踪MCCHM