變頻器技術(shù)在石油鉆機中的應(yīng)用

王永江

（中石油長城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司,北京 100101）

0 前言

作為提高石油行業(yè)綜合開采效率以及安全性、穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)，石油機械的開發(fā)與設(shè)計一直是推動石油行業(yè)的重要推動力之一。隨著經(jīng)濟全球化的不斷發(fā)展與推動，當(dāng)前我國的能源行業(yè)正處于機遇與挑戰(zhàn)的風(fēng)頭浪尖，如何抓住機遇、迎接挑戰(zhàn)，是每一個石油工作者都需要謹(jǐn)慎考慮的問題。變頻器技術(shù)在石油機械中的應(yīng)用十分廣泛，對于石油鉆機的工作效率以及穩(wěn)定性也具有十分重要的影響。要想充分了解變頻器技術(shù)在石油鉆機中的應(yīng)用現(xiàn)狀，就必須先了解什么是變頻器技術(shù)。

1 變頻器技術(shù)概述

變頻器技術(shù)是一種通過電子技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合，利用改變電源頻率的方式來實現(xiàn)對電機進行精準(zhǔn)控制的電力控制設(shè)備，在運行過程中通過電力半導(dǎo)體器件來進行工頻電源的轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)頻率之間的轉(zhuǎn)化的效果。根據(jù)構(gòu)造不同，一般將變頻器分為電壓型以及電流型。電壓型變頻器是通過電壓源來進行直流與交流轉(zhuǎn)化的一種變頻器，其中，電容作為直流的回路來進行濾波的處理。電流型則是通過電流源來實現(xiàn)直流與交流的轉(zhuǎn)化，直流回路的濾波是電感。盡管從設(shè)計原理以及基本構(gòu)成上存在明顯的區(qū)別，但是這兩種變頻技術(shù)在本質(zhì)上，都是通過一定的規(guī)律改變脈沖列脈沖幅度來實現(xiàn)對輸出量進行調(diào)節(jié)的，在我國現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也十分廣泛。

2 變頻器技術(shù)在石油鉆機中的應(yīng)用

2.1 在石油鉆機起升系統(tǒng)中的應(yīng)用

在石油鉆機的起升系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)中，為了節(jié)省能源，提高資源的綜合利用效率，企業(yè)一般會根據(jù)起升的重量以及速度進行綜合評定，然后得出電機較為合理的功率來進行能源傳輸與起升操作，在這個過程中，變頻器的作用十分顯著。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，我國的變頻器技術(shù)在石油鉆機起升中的系統(tǒng)根據(jù)起升重量與要求的不同，可以實現(xiàn)平均節(jié)能5%～30%，針對一些特殊的工況下還可能更高，可見，變頻器對于實現(xiàn)石油行業(yè)的機械開采的能源節(jié)約功不可沒。在運用過程中，需要關(guān)注3個方面的問題。

（1）在中低速運轉(zhuǎn)過程中，要通過帶轉(zhuǎn)速反饋的方式來進行功率控制與調(diào)節(jié)，對于電機的調(diào)速可以根據(jù)實際運轉(zhuǎn)情況進行適當(dāng)降低，但是要以不影響正常工作為基準(zhǔn)，不可以過分注重能源控制而影響了工作效率與安全性。

（2）吊鉤上升過程中，可以通過保持低速來實現(xiàn)最大扭矩的方式來提升吊鉤的上升動力，從而消除傳動間隙中出現(xiàn)的鋼繩拉緊的問題，以提升運輸?shù)姆€(wěn)定性。

（3）制動過程中，可以通過電磁機械制動與直流制動相結(jié)合的方式來實現(xiàn)制動，優(yōu)點是在直流制動出現(xiàn)機械故障時，不至于影響到電磁機械制動的控制，而相反如果電磁機械制動出現(xiàn)故障，也可以通過直流制動來實現(xiàn)緊急制動，從而提升了制動的安全性，提高了企業(yè)的風(fēng)險抵御能力。

2.2 在石油鉆機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

變頻器技術(shù)在石油鉆機控制系統(tǒng)中的主要應(yīng)用，是針對系統(tǒng)的可靠性以及安全性來進行設(shè)計與安裝的。這是由于PLC可控編程系統(tǒng)本身具有高速節(jié)能抗干擾的作用，當(dāng)應(yīng)用在石油鉆機的工況條件時，往往可以通過取代傳統(tǒng)電磁繼電器的方式來實現(xiàn)多點聯(lián)控，不但提高了控制的穩(wěn)定性，還能夠避免由于惡劣的戶外工裝條件影響到電磁繼電器的正常運轉(zhuǎn)，從而造成不必要的危險與隱患。另外，由于石油鉆機在實際運作中需要對上百噸的重物進行吊裝，對于變電器的運行穩(wěn)定性以及整體工作性能要求非常高，而變頻器通過電機電流來實現(xiàn)精準(zhǔn)電力控制，再與PLC的技術(shù)相結(jié)合，從而實現(xiàn)更高效的控制工作，為石油鉆機的控制提供了安全與保障。

2.3 在石油鉆機空氣熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用

石油鉆機的熱泵操作系統(tǒng)控制的主要目的，是通過降低運轉(zhuǎn)泵的電機軸承溫度來節(jié)約燃料，實現(xiàn)降低運行成本的目的。而在這個過程中，變頻器的作用也主要體現(xiàn)在自動對溫度進行感知，然后按照人工設(shè)計的方案進行控制，達到節(jié)能的效果。另外，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前也有一部分企業(yè)嘗試使用通過露天熱交換的方式來進行冷凝水與熱能的交換，效果也很好。

3 變頻器技術(shù)在石油鉆機中應(yīng)用的關(guān)鍵問題

3.1 干擾問題

干擾問題一直是困擾石油鉆機中變頻器技術(shù)應(yīng)用的頭號問題，特別針對變頻器對微機的控制板的干擾而言，一定要引起高度的重視。特別是近些年來一些石油鉆機的設(shè)備較為老舊，微機控制板的設(shè)計工藝已經(jīng)落后，在采用變頻器的過程中難免會出現(xiàn)傳導(dǎo)和干涉現(xiàn)象，從而導(dǎo)致操作系統(tǒng)工作異常問題的出現(xiàn)和發(fā)生，嚴(yán)重影響到正常的變頻設(shè)備的使用。針對類似問題，可以通過給微機安裝EMI濾波器的方式來降低和抵抗干擾的影響，如果效果不佳，可通過采取抗干擾措施來進行模擬傳感信號與控制信號的隔離，這樣就不會出現(xiàn)變頻器受到高頻沖擊影響，而影響正常工作。

3.2 環(huán)境問題

由于石油鉆機的工作環(huán)境相對惡劣，再加上一些鉆機在應(yīng)用過程中受成本限制，沒有大量的資金可以投入到變頻器控制房的建設(shè)中，所以變頻器在實際應(yīng)用中經(jīng)常會處于高溫、布滿粉塵的工作環(huán)境中，不僅影響到變頻器的使用狀態(tài)以及使用壽命，還會產(chǎn)生一些安全隱患。為了降低環(huán)境問題所帶來的影響，除了通過強化現(xiàn)場管理，加強資金投入，改善變頻器控制房間的環(huán)境外，還可以通過改善控制柜的設(shè)計來實現(xiàn)減少粉塵，以及減少水分對變頻器正常運轉(zhuǎn)的影響。在控制柜的安裝過程中，也要充分考慮到安裝技術(shù)以及設(shè)計對后續(xù)工作的影響，特別是安全以及穩(wěn)定的影響，做到科學(xué)、合理的設(shè)計手段，從而真正實現(xiàn)保障其功能性的目的，這也是預(yù)防工作環(huán)境對變頻器影響最為有效的手段之一。

3.3 穩(wěn)定性問題

電網(wǎng)穩(wěn)定性也是一個影響變頻器正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵問題之一，出現(xiàn)的原因是電網(wǎng)在高頻沖擊負載的條件下往往會出現(xiàn)電壓閃變的情況，從而導(dǎo)致一個車間中上百臺變頻器出現(xiàn)電網(wǎng)諧波，從而影響到整個電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時還會對硬件構(gòu)成一定危險，嚴(yán)重的會直接破壞設(shè)備。由于問題的突發(fā)性較強，往往難以進行根治，只能強化前期的工作來防患于未然。例如，可以通過用戶增加無功靜補裝置來實現(xiàn)提高電網(wǎng)功率的目的，同時還能夠協(xié)助改善電網(wǎng)質(zhì)量，強化電網(wǎng)穩(wěn)定性。由于這樣的整流方式能夠集中變頻器的諧波，在實現(xiàn)節(jié)能的同時，還能夠降低網(wǎng)絡(luò)波動的可能性，更加適合電動以及發(fā)電運行場所。此外，對于一些穩(wěn)定性變化不大的地區(qū)，也可以通過在變頻器中加入濾波器來實現(xiàn)減小諧波的效果，好處是成本低、見效快。如果追求長期的效果，還是建議使用PFC裝置，但此裝置的造價較高，所以成本壓力依然很大，需要根據(jù)企業(yè)實際狀況進行選擇。

3.4 故障問題

變頻器故障主要集中在電機的漏電，以及軸電壓的電流控制等方面。在高頻PWM脈沖的輸入中，特別是當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)波動時，容易引發(fā)對地漏電流以及軸承電流的問題。為此，首先要對舊設(shè)備進行專業(yè)的技術(shù)改造，在改造的過程中應(yīng)按照科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)的方法安裝變頻器，否則就容易出現(xiàn)絕緣損壞的問題，從而影響到正常的使用。在完成舊設(shè)備的變頻改造后，第一時間要進行絕緣測試，在達到相應(yīng)的絕緣標(biāo)準(zhǔn)后，才可以視為通過要求。其次，對于潛水深井泵的負載設(shè)計，也要通過接地阻抗電機進行計算，計算值要小于ZE變壓器及ZE變頻器之和，這樣才能夠形成良好的地環(huán)流，實現(xiàn)預(yù)期的抗干擾效果。

4 總結(jié)

綜上所述，作為一種高效、環(huán)保、穩(wěn)定性強的先進技術(shù)，變頻器技術(shù)已經(jīng)逐漸在我國的石油鉆機中得到廣泛應(yīng)用，并且也逐漸成為未來技術(shù)研發(fā)的主流方向，對國家的石油能源行業(yè)發(fā)展起到了積極的促進作用。在變頻技術(shù)的應(yīng)用過程中，通過對石油開采控制系統(tǒng)、起升系統(tǒng)以及熱水系統(tǒng)等進行干預(yù)，在極大提升工作效率與穩(wěn)定性的同時，還提高了安全性能，為安全生產(chǎn)起到了保駕護航的作用。但是，由于變頻技術(shù)屬于一種精度較高的電子技術(shù)，在使用過程中需要做好適當(dāng)?shù)穆╇姳Ｗo以及故障維修工作，時刻保持在最佳的運行狀態(tài)，只有這樣才能使變頻器技術(shù)發(fā)揮得最好。

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