一種新型電動(dòng)修井機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 菊 (渤海石油職業(yè)學(xué)院石油工程教學(xué)部，河北 任丘 062552)

一種新型電動(dòng)修井機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 菊 (渤海石油職業(yè)學(xué)院石油工程教學(xué)部，河北 任丘 062552)

設(shè)計(jì)一種配置蓄能器的新型電動(dòng)修井機(jī)控制系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的功能需求，介紹了系統(tǒng)總體架構(gòu)，并闡述控制系統(tǒng)各組成部分(包括AC/DC PWM整流器、DC/AC逆變器、電容蓄能器系統(tǒng)、DC/DC變換器、系統(tǒng)控制器等)的功能。現(xiàn)場(chǎng)施工表明，該系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)修井機(jī)原動(dòng)力“油改電”的目標(biāo)，從而滿足環(huán)保和節(jié)能減排要求，可以在各油田推廣應(yīng)用。

修井機(jī)；控制系統(tǒng)；整流器；逆變器；電容蓄能器

修井機(jī)是油田修井作業(yè)的主要設(shè)備，大部分以柴油機(jī)作為原動(dòng)力。隨著油田環(huán)保和節(jié)能減排要求的不斷提高，出現(xiàn)了以交流變頻技術(shù)為基礎(chǔ)的電動(dòng)修井機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)修井機(jī)原動(dòng)力“油改電”。下面，筆者對(duì)一種新型電動(dòng)修井機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)功能需求分析

修井作業(yè)的能量消耗主要是油管提升過(guò)程，其包括提升、懸停、卸扣、排放油管、摘掉卡、掛吊卡等。上述步驟的耗費(fèi)功率不同，其中最大功率需求主要出現(xiàn)在油管提升工況，其余步驟耗費(fèi)功率較小。根據(jù)修井機(jī)的工作特點(diǎn)，可在井場(chǎng)變壓器容量較小的情況下，利用蓄能器技術(shù)實(shí)現(xiàn)油管提升功率補(bǔ)償，滿足作業(yè)時(shí)效的要求。為此，電動(dòng)修井機(jī)控制系統(tǒng)重點(diǎn)解決以下2個(gè)問(wèn)題：①為了提高作業(yè)時(shí)效，配置高功率密度蓄能器，并具有蓄能器在線快速充放電、智能診斷的功能；②井場(chǎng)電網(wǎng)和蓄能器共同為修井機(jī)供電時(shí)，針對(duì)井場(chǎng)配置的不同容量變壓器，控制系統(tǒng)能自動(dòng)負(fù)載分配控制，最大限度地應(yīng)用井場(chǎng)電網(wǎng)電能，延長(zhǎng)蓄能器壽命。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 修井機(jī)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

修井機(jī)控制系統(tǒng)包括AC/DC PWM整流器、DC/AC逆變器、電容蓄能器系統(tǒng)、電容DC/DC變換器、備用電池系統(tǒng)、電池DC/DC變換器、系統(tǒng)控制器、其他用電設(shè)備等(見圖1)。

修井機(jī)修井作業(yè)時(shí)，由井場(chǎng)電網(wǎng)、電容蓄能器構(gòu)成的電-電混合系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)供電。根據(jù)井場(chǎng)電網(wǎng)變壓器容量的大小，系統(tǒng)控制器合理分配井場(chǎng)電網(wǎng)、電容蓄能器能量的輸出，最大限度地使用井場(chǎng)電能，同時(shí)在修井作業(yè)負(fù)荷輕的時(shí)間段內(nèi)，快速完成蓄能器充電，為下一個(gè)提升作業(yè)周期儲(chǔ)備能量。

為了提高系統(tǒng)的安全性，配備了備用電池系統(tǒng)。當(dāng)井場(chǎng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，可由電容器蓄能器和備用電池系統(tǒng)組成混合供電系統(tǒng)供電，從而保證修井作業(yè)過(guò)程順利進(jìn)行。

控制系統(tǒng)采用DP總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)控制器為主站，AC/DC PWM整流器、DC/AC逆變器和電容蓄能器系統(tǒng)均有DP總線接口，電容DC/DC變換器、電池DC/DC變換器帶有RS485通訊接口，通過(guò)485轉(zhuǎn)ProfibusDP模塊連接到DP網(wǎng)絡(luò)上。

2.1AC/DCPWM整流器

AC/DC PWM整流器可以將井場(chǎng)變壓器提供的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，從而為系統(tǒng)提供直流電源。同時(shí)，根據(jù)修井機(jī)作業(yè)特點(diǎn)，對(duì)電容器進(jìn)行恒壓、恒流充電控制，快速補(bǔ)充能量。該整流器采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其外環(huán)為直流母線電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過(guò)對(duì)電源電壓的相位檢測(cè)和坐標(biāo)變換以及PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)輸入電流的有功分量和無(wú)功分量的獨(dú)立控制。根據(jù)修井機(jī)的工作特點(diǎn)，AC/DC PWM整流器存在3種工作模式，即恒壓控制、恒流控制和電容器充電控制。

1)恒壓控制模式 當(dāng)電機(jī)負(fù)載功率低于井場(chǎng)變壓器容量時(shí)，該整流器按照恒壓控制模式運(yùn)行，將380V三相交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，由此作為一個(gè)可控的直流電壓源為系統(tǒng)提供能量(見圖2(a))。

2)恒流控制模式 當(dāng)電機(jī)負(fù)載功率高于井場(chǎng)變壓器容量時(shí)，該整流器按照恒流控制模式運(yùn)行，即為直流母線提供恒定的直流電流，恒定電流為井場(chǎng)變壓器提供的最大電流，其余能量由電容蓄能器提供，由此充分利用井場(chǎng)電網(wǎng)能源(見圖2(b))。

3) 恒流、恒壓控制模式 當(dāng)修井機(jī)輕負(fù)荷作業(yè)時(shí)，利用整流器的恒壓、恒流控制模式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電容蓄能器的恒流、恒壓充電功能(見圖2(c))。

圖2 PWM整流器工作模式圖

2.2DC/AC逆變器

DC/AC逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩、恒功率控制。DC/AC逆變器采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的定子電流，并經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電動(dòng)機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，然后再經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用、兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)的變換以及PWM脈沖調(diào)制控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)的快速、精確調(diào)速控制。

由于電動(dòng)修井機(jī)系統(tǒng)采用的是雙速電動(dòng)機(jī)，因而DC/AC逆變器具有以下功能：①能夠保存2組電動(dòng)機(jī)參數(shù)，即在電機(jī)變極對(duì)數(shù)切換后，不必重新輸入電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，該逆變器便能快速調(diào)出變極對(duì)數(shù)后的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，從而進(jìn)行相應(yīng)的控制。②啟動(dòng)預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能。為確保修井機(jī)的安全運(yùn)行，啟動(dòng)時(shí)逆變器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出軸上具有大于等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的輸出轉(zhuǎn)矩。③直流制動(dòng)懸停功能。為確保修井機(jī)的安全運(yùn)行，制動(dòng)停車時(shí)逆變器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上具有大于等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的輸出轉(zhuǎn)矩，并持續(xù)足夠的時(shí)間。

2.3電容蓄能器

電容蓄能器包括超級(jí)電容器組、均壓?jiǎn)卧?、管理單元等，能夠在修井機(jī)提升油管時(shí)補(bǔ)償電網(wǎng)的輸出功率，保證作業(yè)時(shí)效，并在其他作業(yè)時(shí)間內(nèi)由井場(chǎng)電網(wǎng)補(bǔ)充電能，為下一作業(yè)儲(chǔ)備能量。與電池組和普通電容器相比，超級(jí)電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、應(yīng)用溫度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，可快速充放電，適合修井機(jī)作業(yè)的工作特點(diǎn)。

圖3 電容蓄能器均壓原理圖

由于單支超級(jí)電容器的額定電壓很低，在應(yīng)用中需要進(jìn)行大量串聯(lián)以構(gòu)成超級(jí)電容器組，但由此帶來(lái)的問(wèn)題是電容器中各單體電壓不一致，造成超級(jí)電容器組的儲(chǔ)能下降或得不到充分利用，而在大電流快速充電時(shí)，其充電單體峰電壓又容易超過(guò)額定電壓，這會(huì)縮短超級(jí)電容器組的壽命。均壓?jiǎn)卧梢越鉀Q大電流充放電導(dǎo)致各個(gè)單體電容器上電壓不一致的問(wèn)題，具體設(shè)計(jì)如下：將若干支電容串聯(lián)后作為一個(gè)單元，均壓?jiǎn)卧捎弥绷麟娫?，管理單元測(cè)量每單元電容電壓值，并控制均壓電源對(duì)每組電容進(jìn)行恒流充電，達(dá)到規(guī)定的最低電壓后均壓電源停止充電，剩余能量由AC/DC PWM整流器大電流充電完成(見圖3)。

2.4DC/DC變換器

DC/DC變換器包括電容DC/DC變換器、電池DC/DC變換器，兩者的工作原理相同，能夠?qū)崿F(xiàn)電容(電池)到直流母線、直流母線到電容(電池)的雙向能量流動(dòng)，從而完成對(duì)電容器(電池)的快速充放電。

圖4 DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

DC/DC變換器采用的是兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)管采用IGBT。兩相并聯(lián)可以減小流過(guò)開關(guān)管的電流等級(jí)，錯(cuò)相控制可以有效減小等效電感值和輸出電流波紋。DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。V1側(cè)為PWM整流器的直流母線側(cè)，V2側(cè)為超級(jí)電容側(cè)。正常工作時(shí)，V1電壓高于V2電壓，這樣有利于提高超級(jí)電容器的利用率，在滿足正常運(yùn)行所需的條件下盡量減小超級(jí)電容器的數(shù)量，從而提高儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。電容器充電時(shí)，能量從V1側(cè)流向V2側(cè)，變換器工作在Buck變換器模式。電容器放電時(shí)，能量從V2側(cè)流向V1側(cè)，變換器工作在Boost變換器模式。

3 基于Profibus-DP總線的修井機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化平臺(tái)

圖5 基于Profibus-DP總線的修井機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

修井機(jī)控制系統(tǒng)為模塊化設(shè)計(jì)，由各個(gè)獨(dú)立的電氣模塊單元組成，各模塊單元通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，從而構(gòu)成修井機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化平臺(tái)(見圖5)。系統(tǒng)控制器是修井機(jī)控制系統(tǒng)的控制中心，為DP 總線上的主站，用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)修井機(jī)控制系統(tǒng)的安全、協(xié)調(diào)的運(yùn)行；整流器、逆變器、電容蓄能器管理單元為總線的從站，電容DC/DC、電池DC/DC通過(guò)485轉(zhuǎn)Profibus網(wǎng)橋連接到DP總線上。主站根據(jù)操作面板的輸入命令，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與各從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)讀寫狀態(tài)字、控制字獲得各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并控制各設(shè)備的運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了滿足油田環(huán)保和節(jié)能減排的要求，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)修井機(jī)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠較好地解決了修井機(jī)原動(dòng)力“油改電”的問(wèn)題。例如，將該系統(tǒng)運(yùn)用在1500m左右井深油井的施工作業(yè)后，其生產(chǎn)成本只占常規(guī)柴油動(dòng)力修井機(jī)的70%左右，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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2013-06-14

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大科技項(xiàng)目(2011B-1707) 。

韓菊(1972-)，女，碩士，講師，現(xiàn)主要從事石油化工設(shè)備方面的教學(xué)與研究工作。

TE935

A

1673-1409(2013)28-0070-04

[編輯] 李啟棟