用于油氣勘探的電代油驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

王春霖，劉 暢，楊 華，覃 鴻，陳國(guó)柱

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江 杭州 310011）

為油氣勘探提供動(dòng)力的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不僅能耗高，而且運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪音和排出的尾氣會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成嚴(yán)重污染［1-2］。文獻(xiàn)［3-4］指出，在碳中和背景下，油氣勘探企業(yè)加快推進(jìn)清潔生產(chǎn)，助力新能源、新產(chǎn)業(yè)發(fā)展成為必然。為提升油氣勘探的效率和效益，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，國(guó)內(nèi)各大油田逐漸開(kāi)始使用電代油驅(qū)動(dòng)裝置，即在電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)利用交流變頻電動(dòng)機(jī)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)為電機(jī)）為鉆井平臺(tái)提供動(dòng)力。

然而，現(xiàn)有的電代油驅(qū)動(dòng)裝置普遍缺乏系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計(jì)，存在運(yùn)輸不易、性能不佳等問(wèn)題，無(wú)法適應(yīng)需頻繁切換的使用場(chǎng)景。隨著頁(yè)巖氣勘探需求的增加，壓裂泵組的功率需求不斷提升［5］，一體式結(jié)構(gòu)的電代油驅(qū)動(dòng)裝置已無(wú)法滿足油氣勘探的功率需求。基于此，筆者擬對(duì)電代油驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即分別設(shè)計(jì)高壓變電、低壓傳動(dòng)分體模塊箱式結(jié)構(gòu)，以提高裝置調(diào)度使用的便捷性。此外，因需要頻繁搬運(yùn)的特殊性，電代油驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較高的要求，但目前缺乏對(duì)集裝箱式電代油驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)［6-7］，筆者擬利用SolidWorks軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電代油驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行應(yīng)變有限元分析，以完善其箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信息化提升一直是電代油驅(qū)動(dòng)裝置的研發(fā)難點(diǎn)。SY/T 6725.1—2014規(guī)定［8］：石油鉆機(jī)用電氣設(shè)備主電動(dòng)機(jī)的最高電壓為690 V，且應(yīng)實(shí)現(xiàn)集中控制和電機(jī)側(cè)、司鉆臺(tái)側(cè)兩地操作。張新國(guó)［9］對(duì)常規(guī)鉆井的絞車(chē)和泥漿泵的功率進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)鉆井所需的功率因鉆進(jìn)情況不同分布在600～2 000 kW之間。由此可知，直接采用單臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的成本高，損耗大，可靠性低且不具有經(jīng)濟(jì)性。而選用2臺(tái)型號(hào)相同的電機(jī)，可在小功率時(shí)采用單電機(jī)運(yùn)行，在大功率時(shí)采用2臺(tái)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行。因此，采用雙電機(jī)時(shí)，須設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電機(jī)的協(xié)同運(yùn)行和三地操作控制。

在多電機(jī)調(diào)速應(yīng)用中，電機(jī)協(xié)同運(yùn)行存在轉(zhuǎn)矩分配不均的問(wèn)題一直是研究熱點(diǎn)。靳運(yùn)莘［10］介紹了基于主從控制結(jié)構(gòu)的多電機(jī)協(xié)同運(yùn)行控制策略，可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡，但是其主、從電機(jī)為固定設(shè)置，不適用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)。畢云峰［11］提出將電機(jī)分成直流電機(jī)組和交流電機(jī)組，并引入模糊控制等算法，實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)的組內(nèi)和組間控制，該控制系統(tǒng)控制精度較高，適用于多臺(tái)交流、直流電機(jī)并機(jī)運(yùn)行場(chǎng)合。李軍超等［12］設(shè)計(jì)了一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)螺旋壓力機(jī)PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)，通過(guò)單臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷均衡，且PLC控制系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，但是2臺(tái)電機(jī)共用1臺(tái)變頻器并不適用于對(duì)功率等級(jí)和可靠性要求較高的鉆井現(xiàn)場(chǎng)。王桂榮等、陸晟波等［13-14］提出了針對(duì)多電機(jī)協(xié)同運(yùn)行的先進(jìn)控制算法，但這些算法對(duì)處理器的運(yùn)算速度等性能均有嚴(yán)苛的要求，不適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。基于此，筆者擬研究基于主從控制結(jié)構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)，其既可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行控制，又可實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的并機(jī)運(yùn)行控制以及負(fù)荷均衡，且2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差可控制在要求范圍內(nèi)；同時(shí)，該控制系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)低壓傳動(dòng)模塊、電機(jī)側(cè)和司鉆臺(tái)側(cè)的三地同步操作以及人機(jī)交互，旨在提升實(shí)用性和降低誤操作的可能性，使得電代油驅(qū)動(dòng)裝置更有利于鉆井現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用。此外，基于OPC UA（object linking and embedding for process control unified architecture，用于過(guò)程控制對(duì)象鏈接和嵌入的統(tǒng)一架構(gòu)）協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控和共享，以進(jìn)一步提升電代油驅(qū)動(dòng)裝置的可靠性。

1 電代油驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在油氣勘探現(xiàn)場(chǎng)，利用電代油驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)電網(wǎng)為機(jī)械鉆機(jī)提供動(dòng)力的傳動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，調(diào)速型液力耦合器（簡(jiǎn)稱(chēng)為液耦）與電機(jī)同轉(zhuǎn)軸連接，用于調(diào)整電機(jī)的輸入/輸出轉(zhuǎn)速比，同時(shí)在調(diào)速時(shí)進(jìn)行能量緩沖，起到?jīng)_擊保護(hù)作用。每臺(tái)電機(jī)單獨(dú)配置1個(gè)充氣式離合器，當(dāng)離合器斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)近似無(wú)負(fù)荷；當(dāng)離合器閉合時(shí)，電機(jī)經(jīng)液耦與鏈條箱相連，通過(guò)鏈條連接驅(qū)動(dòng)泥漿泵和絞車(chē)，從而為機(jī)械鉆機(jī)提供動(dòng)力。在該傳動(dòng)系統(tǒng)中，2臺(tái)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行時(shí)為柔性連接。

圖1 油氣勘探現(xiàn)場(chǎng)傳動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of transmission system of oil and gas exploration site

1.2 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的電氣系統(tǒng)采用單臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)單臺(tái)電機(jī)的方式，10 kV高壓電經(jīng)過(guò)變壓器后輸出兩路690 V的三相電，一路為Y形連接，另一路為△形連接，兩路三相電輸出的相位角相差30°；兩路三相電分別通入變頻器的2個(gè)不控整流模塊，構(gòu)成十二脈整流系統(tǒng)。變頻器的逆變部分采用三相全橋，結(jié)合制動(dòng)電阻和制動(dòng)開(kāi)關(guān)，在電機(jī)剎車(chē)時(shí)快速消耗再生電能，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Electrical system structure of new electricity-replaceoil driving device

而傳統(tǒng)電代油驅(qū)動(dòng)裝置采用六脈整流方式，其電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)電代油驅(qū)動(dòng)裝置電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Electrical system structure of traditional electricity-replace-oil driving device

假定交流側(cè)電抗為0 Ω，直流電感為無(wú)窮大。對(duì)于采用六脈整流方式的傳統(tǒng)電代油驅(qū)動(dòng)裝置，其交流側(cè)變壓器的輸出電流iA1、iA2的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)為：

式中：Id為變頻器直流母線的輸出電流；ω為交流電角頻率；t為時(shí)間。

對(duì)于采用十二脈整流方式的新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置，其交流側(cè)變壓器的輸出電流iA1、iA2的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)分別為：

由此可得，采用十二脈整流方式的新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置交流側(cè)變壓器的總輸出電流iA為：

由式（4）可知，采用十二脈整流方式時(shí)，電代油驅(qū)動(dòng)裝置的2個(gè)整流模塊產(chǎn)生的5，7，17，19，…次諧波相互抵消，注入電網(wǎng)的為12k±1（k為正整數(shù)）次諧波，即11，13，23，25，…次諧波。通過(guò)理論計(jì)算得到采用六脈整流方式和十二脈整流方式的電代油驅(qū)動(dòng)裝置的諧波含量，如表1所示。由此可得，電代油驅(qū)動(dòng)裝置采用十二脈整流方式可以有效抑制電網(wǎng)諧波，降低濾波成本。

表1 不同電代油驅(qū)動(dòng)裝置的理論諧波含量對(duì)比Table 1 Comparison of theoretical harmonic content of different electricity-replace-oil driving devices

采用十二脈整流方式的新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置在某鉆進(jìn)工況下的實(shí)測(cè)功率因數(shù)與視在功率的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，在場(chǎng)用電占比低的大功率鉆進(jìn)段，新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)測(cè)功率因數(shù)達(dá)0.95以上。因此，新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置需要配置的有源電力濾波（active powe filter，APF）容量大幅減小。

圖4 某鉆進(jìn)工況下新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)測(cè)功率因數(shù)與視在功率的關(guān)系Fig.4 Relationship between measured power factor and apparent power of new electricity-replace-oil driving device under a certain drilling condition

1.3 模塊化箱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

油氣勘探現(xiàn)場(chǎng)通常位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，不僅路況復(fù)雜，而且各勘探點(diǎn)之間相距幾十千米以上。因此，電代油驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)具備易運(yùn)輸、高可靠性和高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的特點(diǎn)。

在新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置中，高壓變電模塊需引入10 kV交流電，而置于低壓傳動(dòng)模塊中的控制系統(tǒng)因生產(chǎn)需要而頻繁被工作人員操作。因此，高壓變電模塊不宜與低壓傳動(dòng)模塊集成設(shè)計(jì)。本文采用高壓變電、低壓傳動(dòng)分體模塊箱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。獨(dú)立的高壓變電模塊和低壓傳動(dòng)模塊更有利于掛車(chē)運(yùn)輸，提高了裝置調(diào)度使用的便捷性。

所設(shè)計(jì)的高壓變電模塊和低壓傳動(dòng)模塊的三維結(jié)構(gòu)分別如圖5和圖6所示。高壓變電模塊和低壓傳動(dòng)模塊通過(guò)絕緣電纜連接，低壓傳動(dòng)模塊與電機(jī)通過(guò)三芯變頻電纜連接。此外，低壓傳動(dòng)模塊采用空調(diào)與風(fēng)道散熱系統(tǒng)，以及時(shí)將變頻器等電氣設(shè)備因損耗而產(chǎn)生的熱量散出。

圖5 高壓變電模塊三維結(jié)構(gòu)Fig.5 Three-dimensional structure of high-voltage transformer module

圖6 低壓傳動(dòng)模塊三維結(jié)構(gòu)Fig.6 Three-dimensional structure of low-voltage transmission module

對(duì)于模塊化箱式結(jié)構(gòu)，最重要的是解決其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題。以低壓傳動(dòng)模塊為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。根據(jù)實(shí)際工況，利用SolidWorks軟件建立低壓傳動(dòng)模塊箱體底座的應(yīng)變有限元計(jì)算模型。低壓傳動(dòng)模塊所承受的總載荷為20 t，根據(jù)其內(nèi)部各電氣設(shè)備的實(shí)際分布情況分配載荷；低壓傳動(dòng)模塊箱體底座采用寬度為300 mm的C型槽鋼。由圖7所示的低壓傳動(dòng)模塊箱體底座應(yīng)變?cè)茍D可知，其形變極值為0.232 mm，說(shuō)明其具有可靠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖7 低壓傳動(dòng)模塊箱體底座的應(yīng)變?cè)茍DFig.7 Strain nephogram of box base of low-voltage transmission module

2 電代油驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)控制策略

所設(shè)計(jì)的新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)選用2臺(tái)同型號(hào)的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，其參數(shù)如表2所示。當(dāng)機(jī)械鉆機(jī)的鉆頭在鉆地表層時(shí)，所需功率較小，采取單電機(jī)運(yùn)行模式，另一臺(tái)電機(jī)備用；當(dāng)鉆頭向地層深部鉆進(jìn)時(shí)，所需功率開(kāi)始增大，當(dāng)單臺(tái)電機(jī)的功率無(wú)法滿足要求時(shí)，2臺(tái)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行。此外，在鉆進(jìn)過(guò)程中，還有下套管等操作，且負(fù)荷非平滑變化，存在沖擊負(fù)荷，單電機(jī)運(yùn)行和并機(jī)運(yùn)行應(yīng)可靈活切換。

表2 三相交流異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of three-phase alternating current asynchronous motor

2.1 電機(jī)調(diào)速原理

根據(jù)文獻(xiàn)［15］中的電機(jī)調(diào)速原理，新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)采用矢量控制策略（如圖8所示，圖中坐標(biāo)系變換指靜止-旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換），其實(shí)際轉(zhuǎn)速通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器輸入變頻器控制器，作為反饋信號(hào)；電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定通過(guò)PLC和人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)；利用PLC結(jié)合變頻器的矢量控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制。

圖8 新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)的矢量控制調(diào)速原理Fig.8 Vector control speed regulation principle of motor in new electricity-replace-oil driving device

2.2 并機(jī)控制原理

電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s為：

式中：n1、n分別為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速。

電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T為：

式中：p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；U1為電機(jī)定子輸入電壓；f1為電機(jī)定子輸入電壓的頻率；R1為電機(jī)定子回路電阻；X1為電機(jī)定子回路漏抗；R′2為電機(jī)轉(zhuǎn)子回路電阻折算值；X′2為電機(jī)轉(zhuǎn)子回路漏抗折算值。

三相交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖9所示。然而，即使是同一廠家生產(chǎn)的同一批次的電機(jī)，其參數(shù)和機(jī)械特性曲線也不會(huì)完全一致。此外，當(dāng)2臺(tái)電機(jī)共同拖動(dòng)1個(gè)負(fù)載時(shí)，即使轉(zhuǎn)速給定方式相同，其轉(zhuǎn)速仍會(huì)存在微小的偏差，從而導(dǎo)致其輸出轉(zhuǎn)矩有較大差別。當(dāng)2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不一致時(shí)，電機(jī)之間會(huì)相互拖曳，即轉(zhuǎn)矩大的電機(jī)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得轉(zhuǎn)矩小的電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，則電動(dòng)的轉(zhuǎn)差率為負(fù)，電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，即圖9所示的區(qū)域Ⅱ，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。通過(guò)逆變模塊為直流側(cè)電容充電，使得直流母線電壓上升，當(dāng)電壓上升到直流側(cè)設(shè)定的最高保護(hù)電壓時(shí)，變頻器會(huì)故障停機(jī)，從而導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)。

圖9 三相交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線Fig.9 Mechanical characteristic curve of three-phase alternating current asynchronous motor

主從控制是實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)負(fù)荷均衡的一種常用控制策略，典型的主從控制策略有：1）主機(jī)速度控制+從機(jī)轉(zhuǎn)矩控制；2）主機(jī)PI（proportional integral，比例積分）控制+從機(jī)P（proportional，比例）控制。采用前一種控制策略時(shí)，主機(jī)與從機(jī)必須剛性連接，在主機(jī)速度控制模式下，從機(jī)轉(zhuǎn)速始終跟隨主機(jī)；在從機(jī)轉(zhuǎn)矩控制模式下，轉(zhuǎn)矩給定來(lái)自主機(jī)，從而完成轉(zhuǎn)矩分配。采用后一種控制策略時(shí)，主、從機(jī)均在速度控制模式下工作，其轉(zhuǎn)速給定方式相同，其中主機(jī)的速度調(diào)節(jié)器采用PI控制器，從機(jī)的速度調(diào)節(jié)器采用P控制器，將主機(jī)速度調(diào)節(jié)器的積分分量疊加到從機(jī)速度調(diào)節(jié)器的輸出中，從而完成轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)態(tài)分配。

在同一生境中，植物必然會(huì)競(jìng)爭(zhēng)空間、養(yǎng)分等，甚至?xí)a(chǎn)生一些次生物質(zhì)，對(duì)其他植物產(chǎn)生不利的影響，即化感作用[20-22]。紫莖澤蘭具有較強(qiáng)的化感作用，其提取物能抑制多種植物的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)[23]。而地桃花是在紫莖澤蘭下可正常生長(zhǎng)并表現(xiàn)出一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的一種植物。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地桃花提取物在濃度為10 mg/mL時(shí)對(duì)刺莧和稗的抑制效果分別達(dá)75.70%、62.01%，但其效果比已成功研發(fā)的植物源除草劑癸酸低15%左右?？梢酝ㄟ^(guò)活性成分分離、鑒定來(lái)提高產(chǎn)品效果[24]，具體原因還需要進(jìn)一步深入研究。

常用的主從控制策略是主機(jī)和從機(jī)采用不同的控制方式，即在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，主機(jī)和從機(jī)不可相互切換。然而，在油氣勘探過(guò)程中，通常先任意起動(dòng)一臺(tái)電機(jī)，當(dāng)功率不足時(shí)，起動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)；而當(dāng)所需功率迅速減小時(shí)，停止任意一臺(tái)電機(jī)，執(zhí)行單電機(jī)運(yùn)行。由此可知，主從控制策略并不適用于油氣勘探現(xiàn)場(chǎng)。

基于此，針對(duì)2臺(tái)電機(jī)并機(jī)時(shí)為柔性連接且主電機(jī)不確定的情況，對(duì)2臺(tái)電機(jī)采用下垂控制策略，下垂控制時(shí)2臺(tái)電機(jī)間無(wú)須進(jìn)行通信。實(shí)際轉(zhuǎn)速較快的電機(jī)承受較大的轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)負(fù)反饋來(lái)自動(dòng)降低給定轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)向其他電機(jī)分配轉(zhuǎn)矩。下垂控制框圖如圖10所示。采用下垂控制策略可使2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于同步，負(fù)荷分配趨于平衡。由于不同負(fù)載的機(jī)械特性不同，在雙電機(jī)協(xié)同控制調(diào)試時(shí)，通過(guò)調(diào)整下垂系數(shù)可以較好地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡。

圖10 新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)的下垂控制框圖Fig.10 Droop control block diagram of motor in new electricity-replace-oil driving device

對(duì)于本文的新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置，當(dāng)其控制系統(tǒng)先起動(dòng)變頻器1（2）和電機(jī)1（2）后，需要2臺(tái)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行的控制流程如圖11所示。并機(jī)運(yùn)行時(shí)的下垂控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍不超過(guò)液耦允許的滑差。當(dāng)起動(dòng)變頻器2（1）和電機(jī)2（1）后，在系統(tǒng)無(wú)故障的前提下，需要先將2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整為一致，以減小轉(zhuǎn)矩偏差；然后才允許離合器2（1）閉合，2臺(tái)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行以共同拖動(dòng)負(fù)載，通過(guò)變頻器的下垂控制實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡。

圖11 新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的并機(jī)控制流程Fig.11 Paraller control flow of new electricity-replace-oil driving device

2.3 起動(dòng)、調(diào)速與停機(jī)控制

當(dāng)電代油驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)接收到電機(jī)起動(dòng)命令后，判斷三地同步控制是否就地允許。出于安全考慮，任一時(shí)刻只允許一地對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。當(dāng)就地允許后，通過(guò)本地控制面板和觸摸屏進(jìn)行電機(jī)控制操作。當(dāng)電代油驅(qū)動(dòng)裝置起動(dòng)變頻器時(shí)，首先進(jìn)行初始化設(shè)置，包括寫(xiě)入變頻器的初始控制狀態(tài)和設(shè)置電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速為0 r/min；然后，讀取變頻器內(nèi)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，以及寫(xiě)入需要傳送到變頻器的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，判斷變頻器是否有故障，電機(jī)是否有故障（包括電機(jī)超溫、急停、檢修和電機(jī)散熱風(fēng)機(jī)風(fēng)壓故障等），以及是否有外部故障（如制動(dòng)電阻故障等）。若無(wú)故障，則可以進(jìn)行電機(jī)調(diào)速控制，電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速送入變頻器的通信基值為：

在本文中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定采用斜坡給定方式，并且限幅輸出。電機(jī)轉(zhuǎn)速的突增或突減可能會(huì)造成變頻器的轉(zhuǎn)矩超調(diào)達(dá)到上限，從而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)操作人員難以及時(shí)反應(yīng)。

當(dāng)電機(jī)停機(jī)時(shí)，為避免因機(jī)械大慣量負(fù)荷而造成電機(jī)拖曳，從而使變頻器直流側(cè)過(guò)壓，需要斷開(kāi)離合器。當(dāng)單臺(tái)電機(jī)停機(jī)時(shí)，離合器斷開(kāi)，制動(dòng)開(kāi)關(guān)接通，制動(dòng)電阻工作，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸減小至0 r/min。對(duì)于電機(jī)并機(jī)運(yùn)行時(shí)的停機(jī)情況，若2臺(tái)電機(jī)均需停機(jī)，則需要斷開(kāi)2個(gè)離合器，每臺(tái)電機(jī)單獨(dú)制動(dòng)；若只需1臺(tái)電機(jī)停機(jī)時(shí)，首先需要解除2臺(tái)電機(jī)的并機(jī)狀態(tài)，然后斷開(kāi)需要停機(jī)的電機(jī)所對(duì)應(yīng)的離合器，電機(jī)制動(dòng)停機(jī)。新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置并機(jī)運(yùn)行時(shí)的停機(jī)控制流程如圖12所示，其雙電機(jī)協(xié)同控制流程如圖13所示。

圖12 新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置并機(jī)運(yùn)行時(shí)的停機(jī)控制流程Fig.12 Shutdown control flow of new electricity-replace-oil driving device during parallel operation

圖13 新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的雙電機(jī)協(xié)同控制流程Fig.13 Dual-motor cooperative control flow of new electricity-replace-oil driving device

3 電代油驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的控制系統(tǒng)由1套西門(mén)子S7-300 PLC以及2套現(xiàn)場(chǎng)就地操作柜組成。其中，低壓傳動(dòng)模塊的控制柜處理器為主站，電機(jī)側(cè)、司鉆臺(tái)側(cè)采用ET200M遠(yuǎn)程I/O（input/output，輸入/輸出）口作為從站，即結(jié)構(gòu)上采用主從形式，以實(shí)現(xiàn)三地同步控制?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)PROFIBUS DP（process field bus decentralized peripheral，過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線分布式外設(shè)）協(xié)議與2臺(tái)變頻器通信，從而實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的協(xié)同控制和并機(jī)運(yùn)行。電機(jī)側(cè)和司鉆臺(tái)側(cè)操作柜與低壓傳動(dòng)模塊控制柜采用光纖通信，以防止雷電危害，從而增強(qiáng)通信可靠性。司鉆臺(tái)側(cè)操作柜采用腳踏開(kāi)關(guān)通過(guò)航插與ET200M遠(yuǎn)程I/O口連接，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速控制。新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖14所示，2臺(tái)電機(jī)和電機(jī)側(cè)操作柜的放置現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示。

圖14 新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.14 Hardware structure block diagram of control system of new electricity-replace-oil driving device

圖15 電機(jī)和電機(jī)側(cè)操作柜放置現(xiàn)場(chǎng)Fig.15 Placement site of motor and operation cabinet on the motor side

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：PLC控制程序和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，其中PLC控制程序采用順序控制，利用梯形圖進(jìn)行編程。

PLC控制程序主要包括：三地互鎖控制程序；變頻器初始控制狀態(tài)的設(shè)定及2臺(tái)電機(jī)初始轉(zhuǎn)速為0 r/min的給定程序；電機(jī)起動(dòng)、停機(jī)、急停、調(diào)速和并機(jī)控制程序；電機(jī)故障及外部故障停機(jī)控制程序。為增加該控制程序的可理解性和易維護(hù)性，采用結(jié)構(gòu)化編程方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置PLC控制程序的設(shè)計(jì)框圖如圖16所示。當(dāng)處理器的操作系統(tǒng)完成啟動(dòng)后，將循環(huán)執(zhí)行主程序模塊OB1，以處理OB1中被調(diào)用的各個(gè)功能模塊。OB34為調(diào)速和并機(jī)中斷模塊，當(dāng)有調(diào)速和中斷的響應(yīng)時(shí)，執(zhí)行調(diào)速和中斷程序。

圖16 新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置PLC控制程序設(shè)計(jì)框圖Fig.16 Block diagram of PLC control program design for new electricity-replace-oil driving device

圖17 某實(shí)際工況下新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置并機(jī)運(yùn)行時(shí)的人機(jī)交互界面Fig.17 Human computer interaction interface of new electricity-replace-oil driving device during parallel operation under a certain actual working condition

3.3 運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)共享

人機(jī)交互界面僅可就地實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電代油驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的監(jiān)控，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享。鑒于TP700型觸摸屏可用作OPC UA服務(wù)器，首先，利用上位機(jī)通過(guò)OPC UA協(xié)議讀取觸摸屏上顯示的數(shù)據(jù)，然后結(jié)合4G無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)編程將上位機(jī)中的數(shù)據(jù)信息提取到服務(wù)器中，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)共享。

本文所采用的新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)共享方案如圖18所示。其中，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可供操作人員通過(guò)TCP/IP（transmission control protocol/internet protocol，傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）遠(yuǎn)程訪問(wèn)；遠(yuǎn)程服務(wù)器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)編制可視化列表和圖形，以10 min為間隔記錄數(shù)據(jù)。圖19所示為某一鉆進(jìn)時(shí)段新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置高壓變電模塊總表有功功率的動(dòng)態(tài)監(jiān)控界面。

圖18 新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)共享方案Fig.18 Remote monitoring and data sharing scheme for operation status of new electricity-replaceoil driving device

圖19 高壓變電模塊總表有功功率動(dòng)態(tài)監(jiān)控界面Fig.19 Dynamic monitoring interface of active power of high-voltage transformer module total meter

4 電代油驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用效果分析

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

傳統(tǒng)的柴油驅(qū)動(dòng)裝置由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和配套電機(jī)組成。目前，常用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)大部分由國(guó)外企業(yè)生產(chǎn)，成本較高。此外，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)需要使用大量柴油，隨著能源逐漸枯竭，其使用成本進(jìn)一步提高。以峰值功率為2.4 MW的柴油驅(qū)動(dòng)裝置30 d滿負(fù)荷運(yùn)行為例進(jìn)行分析。其中，設(shè)備成本取當(dāng)前主流設(shè)備的平均成本，柴油價(jià)格取2021年3月的平均價(jià)格。使用柴油驅(qū)動(dòng)裝置的成本如表3所示。

表3 柴油驅(qū)動(dòng)裝置使用成本分析Table 3 Cost analysis of diesel driving device

本文新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置主要由高低壓開(kāi)關(guān)柜、雙路十二脈整流變壓器、高壓變電模塊箱體、交流變頻器（含制動(dòng)電阻）、無(wú)功補(bǔ)償裝置、PLC控制系統(tǒng)、空調(diào)、低壓傳動(dòng)模塊箱體和三相交流異步電動(dòng)機(jī)組成。隨著電機(jī)調(diào)速在電氣領(lǐng)域的使用日益頻繁且技術(shù)日益成熟，對(duì)應(yīng)變頻器和電機(jī)的成本逐漸降低，目前國(guó)產(chǎn)設(shè)備正逐漸代替價(jià)格高昂的進(jìn)口設(shè)備。新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置主要消耗電力能源，隨著新能源發(fā)電技術(shù)的日益成熟，電力資源日益豐富，特別是在石油勘探所處的西北、西南地區(qū)，風(fēng)力和光照資源豐富，電力價(jià)格相對(duì)較低且更加清潔。針對(duì)新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置，同樣以峰值功率為2.4 MW的系統(tǒng)30 d滿負(fù)荷運(yùn)行為例進(jìn)行分析。其中，設(shè)備成本取當(dāng)前主流國(guó)產(chǎn)設(shè)備的平均價(jià)格，電力價(jià)格取2021年西部工業(yè)用電的平均價(jià)格。使用新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的成本如表4所示。

對(duì)比表3和表4可知，新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的使用成本較傳統(tǒng)柴油驅(qū)動(dòng)裝置大幅下降，月平均使用成本降低了52%。

4.2 節(jié)能減排效果分析

采用新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油驅(qū)動(dòng)裝置可以顯著減少油氣勘探過(guò)程中二氧化碳（CO2）、氮氧化物和可吸入顆粒物等的排放，積極響應(yīng)“碳中和”政策。

所設(shè)計(jì)的新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的節(jié)能減排效果可以通過(guò)節(jié)能率和CO2減排量來(lái)衡量［16］。節(jié)能率可通過(guò)對(duì)比電代油驅(qū)動(dòng)裝置使用前后的單功率（每kWh）標(biāo)煤消耗量得到，其表達(dá)式為：

式中：ψ為節(jié)能率；ηt為變壓器效率；ηc為變頻器效率；ηy為液耦效率；ηm為電機(jī)效率；Q為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率；ce為電力折標(biāo)煤系數(shù)；cd為柴油折標(biāo)煤系數(shù)。

2種油氣勘探驅(qū)動(dòng)裝置主要?jiǎng)恿υO(shè)備的能效參數(shù)如表5所示，其單功率標(biāo)煤消耗量分別為413.4 gce和137.4 gce，利用式（7）計(jì)算得到新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的節(jié)能率為66.8%。其中，電力折標(biāo)煤系數(shù)取122.9 gce/kWh；柴油折標(biāo)煤系數(shù)取1.457 1 gce/g。

表5 油氣勘探驅(qū)動(dòng)裝置主要?jiǎng)恿υO(shè)備的能效參數(shù)Table 5 Energy efficiency parameters of main power equipment of oil and gas exploration driving device

柴油驅(qū)動(dòng)裝置單功率燃燒柴油的CO2排放量為：

式中：WCO2為使用柴油驅(qū)動(dòng)裝置的CO2排放量；EFCO2為柴油燃燒的CO2排放系數(shù)。

使用新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，單功率消耗電力所等效的CO2排放量為：

根據(jù) IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)）給出的參考數(shù)據(jù)［17］，取EFCO2=4.0 g/g，EECO2=740.0 g/kWh。

根據(jù)式（8）和式（9）結(jié)果可知，使用新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置的CO2排放量較使用傳統(tǒng)柴油驅(qū)動(dòng)裝置顯著減少，單功率CO2排放量減少了27%。

5 結(jié)論

本文針對(duì)油氣勘探的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、可靠性生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)了一套新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置，并對(duì)其系統(tǒng)、控制性能和應(yīng)用效果進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到結(jié)論如下：

1）新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置采用十二脈整流方式，在場(chǎng)用電占比低的大功率鉆進(jìn)段，不配置無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)其功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，從而降低了無(wú)功補(bǔ)償成本。

2）高壓變電、低壓傳動(dòng)分體模塊箱式結(jié)構(gòu)極大地提高了新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置調(diào)度使用的便捷性，其中低壓傳動(dòng)模塊箱體底座采用寬度為300 mm的C型槽鋼，其仿真形變極值為0.232 mm，說(shuō)明該裝置具有可靠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3）新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)采用主從控制結(jié)構(gòu)，并機(jī)運(yùn)行時(shí)采用轉(zhuǎn)速匹配控制結(jié)合變頻器的下垂控制策略，使2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差控制在10%以內(nèi)，避免了因負(fù)荷不均衡而引起的變頻器故障。

4）所開(kāi)發(fā)的運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)共享平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行信息的共享與管理，提高了其可靠性。

5）相較傳統(tǒng)柴油驅(qū)動(dòng)裝置，新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置每月可節(jié)省52%的成本，減少27%的CO2排放。

所設(shè)計(jì)的新型電代油驅(qū)動(dòng)裝置已在實(shí)際工程中應(yīng)用，其具有性能可靠、調(diào)整靈活等優(yōu)點(diǎn)，在油氣勘探節(jié)能領(lǐng)域具有一定的實(shí)用價(jià)值。