鉆井現(xiàn)場高壓電代油設(shè)備試驗(yàn)應(yīng)用

代炳曉，王 臣

（1.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司裝備管理科，河北任丘 062552；2.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北任丘 062552）

0 引言

近幾年，石油鉆機(jī)電驅(qū)動(dòng)化得到長足發(fā)展，電代油設(shè)備因使用靈活、成本降低、環(huán)保優(yōu)勢突出等在各鉆探公司得到推廣應(yīng)用，其電控系統(tǒng)目前還主要使用600～690 V 低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)與變流技術(shù)的高速發(fā)展，10 kV 及以上高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在國內(nèi)外得到了長足的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)成熟，在大型石化項(xiàng)目的主管道泵、注水泵、鼓風(fēng)機(jī)、潛油泵、鍋爐給水泵方面等有著較為廣泛的應(yīng)用，但在鉆井行業(yè)尚未應(yīng)用。

1 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)

（1）高效率、低諧波。采用多脈沖移相整流變壓器技術(shù)，有效降低電源側(cè)諧波電流含量，諧波含量＜5%，符合IEEE 519—1992 標(biāo)準(zhǔn)，滿足電網(wǎng)對諧波要求；提高了功率因數(shù)，功率因數(shù)＞0.96；采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，無需輸出濾波器，輸出電壓波形近似正弦波，dv/dt 小，適用于遠(yuǎn)距離電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對電纜、電機(jī)絕緣無損害；系統(tǒng)效率＞96.5%。

（2）抗電源擾動(dòng)能力強(qiáng)、適用范圍廣。電源側(cè)電壓在90%～110%范圍波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可滿載運(yùn)行；電源側(cè)電壓低至70%，系統(tǒng)仍可降額運(yùn)行；具備電壓監(jiān)測功能，電源側(cè)電壓在90%～110%范圍波動(dòng)時(shí)，仍能保持輸出電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)電機(jī)長期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 高壓電代油設(shè)備主要優(yōu)勢

采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的電代油設(shè)備，相比原來的低壓電代油系統(tǒng)具有以下主要優(yōu)勢：

（1）進(jìn)一步提高了傳動(dòng)效率和電能利用率，整體運(yùn)行效率將顯著提高。

（2）可以將原低壓網(wǎng)電系統(tǒng)的3 個(gè)房體縮小成一個(gè)房體，提高整套系統(tǒng)的功率密度，減小了鉆井隊(duì)作業(yè)占地面積和搬家運(yùn)輸成本。

（3）整套系統(tǒng)采用智能化的設(shè)計(jì)，保障設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。

（4）設(shè)計(jì)有互聯(lián)網(wǎng)通信接口，方便系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，可為后續(xù)實(shí)施設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控打下基礎(chǔ)。

（5）高壓直驅(qū)電代油系統(tǒng)與現(xiàn)有高壓變低壓電代油系統(tǒng)設(shè)備對比（表1）。

表1 高壓直驅(qū)電代油系統(tǒng)與低壓電代油系統(tǒng)設(shè)備對比

綜合以上可以看出，高壓直驅(qū)電代油系統(tǒng)在與現(xiàn)用高壓變低壓的電代油系統(tǒng)相比，在不改變接入條件的情況下，進(jìn)一步簡化了設(shè)備、提高了效率，成套設(shè)備費(fèi)用更低，項(xiàng)目的應(yīng)用將進(jìn)一步提高鉆機(jī)電控、電代油設(shè)備應(yīng)用的先進(jìn)性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，是未來發(fā)展的必然趨勢。

3 高壓變頻直驅(qū)方案制定及設(shè)備配套

3.1 高壓直驅(qū)技術(shù)方案

結(jié)合在用鉆機(jī)電代油設(shè)備狀況及經(jīng)常應(yīng)用需求，高壓變頻傳動(dòng)電代油設(shè)備主要按2 個(gè)功能模塊和外圍電纜及輔材組成。

高壓VFD 系統(tǒng)：即網(wǎng)電高壓變頻傳動(dòng)模塊及操作控制臺(tái)。

網(wǎng)電高壓變頻傳動(dòng)裝置（VFD）采用高壓變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)鏈條或皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)，由高壓供配電、高壓變頻傳動(dòng)、低壓供配電、PLC 綜合控制四大部分組成。高壓供配電系統(tǒng)集中在高壓配電室，由1 臺(tái)高壓進(jìn)線柜、3 臺(tái)高壓出線柜組成，負(fù)責(zé)10 kV（或6 kV）電網(wǎng)電源的接入、保護(hù)、分配；高壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)分為整流變壓器室和功率單元室，共同組成高壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)2 臺(tái)1000 kW 高壓變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制；低壓供配電系統(tǒng)由1 臺(tái)1600 kV·A 雙副繞組變壓器（10 kV/0.6 kV、0.4 kV）和一個(gè)配電開關(guān)柜組成，為井場其他配套系統(tǒng)提供AC 600 V、AC 400 V 電源及相應(yīng)保護(hù)；PLC 綜合控制系統(tǒng)采用“PLC+旁路”冷備份手動(dòng)切換方案，實(shí)現(xiàn)司鉆臺(tái)與電氣控制房的通信以及電氣控制邏輯，按照鉆井工藝的要求，進(jìn)行鉆機(jī)的操作控制和系統(tǒng)設(shè)備的保護(hù)及聯(lián)鎖等自動(dòng)化控制。各模塊相對獨(dú)立，可根據(jù)鉆機(jī)現(xiàn)場實(shí)際情況（機(jī)械鉆機(jī)或電動(dòng)鉆機(jī)）互相搭配使用，并可分開運(yùn)輸。

3.2 系統(tǒng)技術(shù)配置與選型

本著成熟、夠用、安全、節(jié)約原則，主要部件配置與選型如下：

（1）邏輯控制系統(tǒng)（PLC）采用臺(tái)達(dá)AS`系列。

（2）變壓器采用山東金曼克或山東泰開產(chǎn)品。

（3）空氣斷路器采用正泰或二一三產(chǎn)品。

（4）電纜采用江蘇上上、江蘇寶勝或上海南洋品牌；插接件采用寶雞友泰或四川永貴。

（5）空調(diào)采用惠康空調(diào)。

（6）變頻器為完美無諧波的高壓變頻器，采用矢量控制技術(shù)，功率因數(shù)≥0.95，總諧波電壓畸變5.0%（含）以內(nèi)。

（7）系統(tǒng)能滿足10 kV 與6 kV 電網(wǎng)要求。

3.3 高壓網(wǎng)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)配套

3.3.1 高壓室

高壓配電室主要完成高壓接入及高壓的供配電，由1 臺(tái)高壓進(jìn)線柜、3 臺(tái)高壓出線柜及1 臺(tái)UPS 柜組成，負(fù)責(zé)10 kV（或6 kV）電網(wǎng)電源的接入、保護(hù)、分配。

高壓開關(guān)柜采用符合中壓10 kV/6 kV 配電要求的環(huán)網(wǎng)柜，系統(tǒng)具有控制回路功能，并具有防止系統(tǒng)過壓損壞設(shè)備的避雷器。

進(jìn)線柜含斷路器、隔離開關(guān)、熔斷器、避雷器、PT、CT、電流電壓表、計(jì)量表、微機(jī)控制單元和多功能電力儀表，完成高壓總進(jìn)線的控制。

出線柜含斷路器、隔離開關(guān)、避雷器、接地刀、CT、零序電流互感器、電流電壓表、變壓器綜保單元和多功能電力儀表，完成2 臺(tái)高壓變頻器，1 臺(tái)高壓變壓器的配電及保護(hù)控制。

3.3.2 高壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)

高壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)分為整流變壓器室和功率單元室，共同組成高壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)1000 kW 高壓變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，主要完成兩臺(tái)高壓交流變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。

3.3.3 低壓供配電系統(tǒng)

低壓供配電系統(tǒng)由一臺(tái)1600 kV·A 雙副繞組變壓器（10 kV/0.6 kV、0.4 kV）和一個(gè)配電開關(guān)柜組成，為井場其他配套系統(tǒng)提供AC 600 V、AC 400 V 電源及相應(yīng)保護(hù)。

3.3.4 PLC 綜合控制系統(tǒng)

（1）PLC 綜合控制系統(tǒng)由綜合控制柜及操作控制臺(tái)組成，采用“PLC+旁路”冷備份手動(dòng)切換方案，實(shí)現(xiàn)司鉆臺(tái)與電氣控制房的通信以及電氣控制邏輯，按照鉆井工藝的要求，進(jìn)行鉆機(jī)的操作控制和系統(tǒng)設(shè)備的保護(hù)及聯(lián)鎖等自動(dòng)化控制。

（2）綜合控制柜內(nèi)含1 套PLC、1 套繼電器應(yīng)急控制和1 臺(tái)一體化工控機(jī)。PLC 將司鉆操作控制臺(tái)（遠(yuǎn)程I/O 站）和2 臺(tái)變頻器采用現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)方式連接，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，滿足鉆井工藝要求。一體化工控機(jī)（IPC）對各個(gè)設(shè)備運(yùn)行的過程參數(shù)、狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

3.3.5 電機(jī)動(dòng)力機(jī)組模塊

電機(jī)動(dòng)力機(jī)組模塊包括2 臺(tái)高壓動(dòng)力機(jī)組能夠替換井隊(duì)2臺(tái)12 V190 柴油機(jī)，主軸中心高與12 V190 柴油機(jī)組一致（標(biāo)高：760 mm），并滿足皮帶并車鉆機(jī)及鏈條并車鉆機(jī)使用要求，動(dòng)力機(jī)組整體防護(hù)等級為IP55。高壓變頻電機(jī)應(yīng)適應(yīng)電壓源型高壓變頻器拖動(dòng)和控制要求，在環(huán)境溫度范圍內(nèi)使用時(shí)（－20～45 ℃），其性能、強(qiáng)度、溫升、振動(dòng)、噪聲等方面滿足使用要求。適用于野外，油田惡劣工況，風(fēng)沙雨雪較大的室外作業(yè)。

皮帶并車鉆機(jī)：2 臺(tái)交流變頻電機(jī)分別通過萬向軸、減速箱與并車傳動(dòng)箱聯(lián)接，為鉆機(jī)提供動(dòng)力。2 套動(dòng)力機(jī)組可以單機(jī)運(yùn)行、分機(jī)運(yùn)行或雙機(jī)運(yùn)行。

鏈條并車鉆機(jī)：2 臺(tái)交流變頻電機(jī)通過萬向軸與并車傳動(dòng)箱聯(lián)接，為鉆機(jī)提供動(dòng)力。2 套動(dòng)力機(jī)組可以單機(jī)運(yùn)行、分機(jī)運(yùn)行或雙機(jī)運(yùn)行。

電機(jī)動(dòng)力機(jī)組在底座上的安裝方式同時(shí)具備皮帶并車鉆機(jī)與鏈條并車鉆機(jī)對電機(jī)動(dòng)力機(jī)組安裝的要求，且安裝快捷方便。

電機(jī)動(dòng)力機(jī)組通過交流變頻調(diào)速滿足鉆井工藝要求，雙機(jī)運(yùn)行時(shí)兩機(jī)組間負(fù)荷自動(dòng)均衡，可實(shí)現(xiàn)恒扭矩?zé)o級調(diào)速，滿足皮帶并車鉆機(jī)與鏈條并車鉆機(jī)對速度的要求。交流變頻電機(jī)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 交流變頻電機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行的安全保障

（1）系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、產(chǎn)品選型、加工制造均需在供方公司取得的《安全標(biāo)準(zhǔn)化》《職業(yè)健康安全管理體系》《環(huán)境管理體系》下執(zhí)行，并滿足SY/T 6283—1997《石油天然氣鉆井健康、安全與環(huán)境管理體系指南》標(biāo)準(zhǔn)。

（2）總體設(shè)計(jì)需考慮系統(tǒng)整體的安全、高效、節(jié)能；產(chǎn)品選型在保證性能滿足技術(shù)要求下選擇綠色、環(huán)保、低碳的元器件及材料；加工制造方面需滿足電氣產(chǎn)品的防護(hù)等級及石油設(shè)施電氣設(shè)備的防爆要求。

（3）系統(tǒng)按照TN-S 電制設(shè)計(jì)，N 線與零線嚴(yán)格分開，房內(nèi)人行通道鋪絕緣膠皮，系統(tǒng)帶電設(shè)備掛“有電危險(xiǎn)”等提示標(biāo)牌，房內(nèi)配備絕緣棒、絕緣手套等安全防護(hù)工具，系統(tǒng)整體接地可靠，以上措施確保人身及設(shè)備安全。

（4）高壓直驅(qū)電代油系統(tǒng)采用安全互鎖設(shè)計(jì)：①整流變壓器室、配電變壓器室柜門與高壓進(jìn)線開關(guān)互鎖；②高壓進(jìn)線開關(guān)柜送電后與整流變壓器室、配電變壓器室柜門的電磁互鎖；③高壓變頻器運(yùn)行前、運(yùn)行時(shí)與整流變壓器室的互鎖；④高壓變頻器運(yùn)行前、運(yùn)行時(shí)與電機(jī)高壓接線盒的互鎖；⑤高壓變頻器功率單元柜門、故障與高壓出線柜的互鎖。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)綜述

現(xiàn)場在一部ZJ40J 鉆機(jī)共試驗(yàn)4 口井，用電145 萬kW·h，替代柴油388 t，結(jié)省柴油費(fèi)用近180 萬元，設(shè)備的現(xiàn)場適用性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性得到充分驗(yàn)證，對試驗(yàn)中存在問題進(jìn)行了改進(jìn)，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4.2 試驗(yàn)電氣參數(shù)與低壓電代油對比（表3）

表3 試驗(yàn)電氣參數(shù)與低壓電代油對比

5 總結(jié)

（1）通過試驗(yàn)，高壓網(wǎng)電直驅(qū)系統(tǒng)能夠滿足鉆機(jī)電代油需要，成套設(shè)備配置數(shù)量較現(xiàn)用低壓電代油少、線纜更輕便、成套設(shè)備成本更低，諧波干擾、效率等性能參數(shù)更優(yōu)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

（2）項(xiàng)目的成功實(shí)施解決了網(wǎng)電設(shè)備過多、功率因數(shù)低等問題，實(shí)現(xiàn)了高壓直驅(qū)交流變頻系統(tǒng)在鉆井現(xiàn)場的首次應(yīng)用，更為下一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（3）建議在配套電機(jī)小型化方面繼續(xù)研究，提高電機(jī)的運(yùn)移性。