摘 要：本文主要闡述了1200KW/600V變頻器在油田鉆機泥漿泵上的應(yīng)用，并著重分析了其具有的主要性能特點和一些特殊功能。鉆機設(shè)備的變頻驅(qū)動也代表了鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞：泥漿泵 變頻器 單元并聯(lián) 三電平 Abstract:This article mainly elaborated the application of 1200KW/600V inverter to drilling machine mud pump in the oil-field, and emphasized to analyze it to have of main function characteristics and some special functions.The Inverter which the drilling equipment drives to also represent the well drilling technical development directions。 Key words:Mud pump ，Inverter，Cell-parallel，Three-level 1. 引言 泥漿泵是油田鉆機最主要的設(shè)備之一，它的正常運轉(zhuǎn)和工作效率直接關(guān)系到油井的經(jīng)濟建設(shè)和成井率。由于其鉆井工藝的特殊性，對泥漿泵的電控設(shè)備要求特別苛刻，特別在變頻器選用上非常謹慎，長期以來一直是國外產(chǎn)品的天下。由于國外變頻器存在價格昂貴，調(diào)試周期長，維修周期長的特點，油田上因變頻器故障得不到及時維修 , 造成質(zhì)量事故的現(xiàn)象時有發(fā)生。在這種形式下，我公司自主研發(fā)了可替代進口機的專用變頻器。該變頻器體積小，重量輕，便于安裝、調(diào)試、維護方便,效率高，性能穩(wěn)定。 變頻驅(qū)動泥漿泵較傳統(tǒng)機械驅(qū)動有以下優(yōu)點：節(jié)能，操作簡單，無級調(diào)速，控制精度高，工作效率高。變頻技術(shù)在油田鉆機泥漿泵上的開發(fā)應(yīng)用，不僅提高了鉆機的水平，改善了鉆機的操作性能，更重要的是加強了鉆機的作業(yè)能力，提高了鉆井效率和質(zhì)量。 [align=center] 圖1 1200KW/600V變頻器運行現(xiàn)場[/align] 2.泥漿泵循環(huán)工藝 在鉆井過程中，共分為起落井架，鉆進，泥漿循環(huán)，鉆具更換，下套管，測井等幾大工序。主要設(shè)備分為絞車，轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等。而泥漿泵則相當于整個鉆井設(shè)備的心臟，它所輸出的泥漿的作用類似于人體內(nèi)的血液。泥漿從鉆桿內(nèi)部自上而下注入，流過鉆頭后，再從鉆桿和井壁的縫隙自下而上流出，在這一過程中，泥漿協(xié)助鉆頭沖擊地殼，冷卻鉆頭，帶出碎屑，而更重要的是通過在泥漿中滲入重晶石粉等物質(zhì)可保持井下一定的壓力，以避免井噴，象血液在人體內(nèi)循環(huán)一樣，運送營養(yǎng)，帶走廢物。泥漿泵的壓力和沖數(shù)分別與驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩和速度成正比。 3.技術(shù)改造方案 泥漿泵是鉆機的主要組成部分，一旦泥漿循環(huán)系統(tǒng)不能運行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失（如卡鉆），還有可能威脅到現(xiàn)場生產(chǎn)人員的人身安全（如井噴），所以對泥漿驅(qū)動系統(tǒng)要求具有極高的可靠性。 我公司是國內(nèi)最早研制變頻器的公司之一，具有大功率變頻器多年成功運行的生產(chǎn)經(jīng)驗，且性價比高。根據(jù) “經(jīng)濟、高效、可靠”的原則，勝利渤海鉆井公司選擇了我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌 JD - BP33 - 1200Z（ 1200KW/600V ）變頻器，該變頻器采用單元并聯(lián)結(jié)構(gòu)，三電平技術(shù)，PLC控制，具備完善的保護功能，自動化程度高。 3.1泥漿泵供電系統(tǒng)組成框圖 [align=center] 該系統(tǒng)組成框圖如圖2示。[/align] 3.2．系統(tǒng)設(shè)備參數(shù) （1）柴油發(fā)電機組參數(shù) 型號 3－1FC6 566-4LA92 額定容量 1900KVA 額定電壓 600V 額定電流 1830A 額定頻率 50Hz 功率因數(shù) 0.7 （2）變頻調(diào)速異步電動機參數(shù) 型號 YJ13×4 額定功率 1200KW 額定電壓 600V 額定電流 1354A 額定轉(zhuǎn)速 1000 r/min 額定頻率 50.5Hz 功率因數(shù) 0.9 冷卻方式 強迫風(fēng)冷 （3）泥漿泵參數(shù) 型號 F-1600 額定功率 1193KW 齒輪速比 4.206：1 沖數(shù) 120 r/min 缸套直徑mm 180 170 160 150 140 壓力MPa 23.1 25.9 29.2 33.2 35.0 3.3.JD-BP33-1200變頻器主要性能指標 額定功率 1200KW 額定輸入電壓 600VAC 3相 允許電壓波動 ±20% 額定輸入頻率 50Hz 允許頻率波動 ±5% 額定輸出電壓 600VAC 3 相 額定輸出頻率 50Hz 額定輸出電流 1354A 過載能力 1.5 倍電流 1 分鐘 過流保護 1.8倍電流立即保護 工作方式 連續(xù) 3.4.JD-BP33-1200變頻器主要技術(shù)性能 （1）單元并聯(lián)技術(shù) 1200KW/600V變頻器由八個完全相同的變頻單元組成，八個單元并聯(lián)輸出，如圖3所示。 [align=center] 圖 3 八單元并聯(lián)接線圖[/align] 由于均流電抗的作用，強制八個變頻單元的電流相等。這種方法與功率器件直接并聯(lián)得到大容量輸出相比，有如下優(yōu)點： a.功率器件直接并聯(lián)運行，要求并聯(lián)的器件參數(shù)一致性好，同時對于裝配工藝要求相當高，而采用單元并聯(lián)，由均流電抗完成均流作用，可以不要求器件選配，同時對裝配工藝的要求簡單的多。只要均流電抗選擇合適，可以很容易將均流誤差限制在5%之內(nèi)，這是器件直接并聯(lián)難以達到的結(jié)果。 b.器件直接并聯(lián)的容量與器件容量之和相比并不相等，即器件并聯(lián)時必須降額使用，并聯(lián)數(shù)目越多，降額越大，當并聯(lián)數(shù)量達到一定數(shù)值之后，增加并聯(lián)器件數(shù)量，對增加容量作用甚小，即是說，器件直接并聯(lián)，其最大容量數(shù)值是有限制的。 c.單元并聯(lián)，則無上述限制。這臺1200KW/600V變頻器采用八個變頻單元并聯(lián)輸出，各單元電流的差值在5%以下，均流系數(shù)為0.96。由此，采用同樣的器件，用單元并聯(lián)的方法可以得到比器件直接并聯(lián)更大的輸出。 （2）三電平技術(shù) 在PWM電壓型380V級變頻器中，一般采用兩電平電路。若用兩電平電路實現(xiàn)600V的輸出，勢必要用昂貴的高壓管或采用低壓管串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于器件串聯(lián)動態(tài)均壓問題不易解決，應(yīng)盡量避免。在1200KW/600V變頻器中，逆變電路部分采用三電平電路或稱中點箝位（NeturalPointClamped—Npc）方式, 它不但能輸出較高電壓，而且能降低輸出諧波和電壓變化率（dv/dt），良好的波形正是本設(shè)計的目的之一。三相輸入電壓經(jīng)全波整流后由兩組大電容器相串聯(lián)組成濾波器，兩組電容器的連接點即本電路的中心點（三電平的中間電平）。 [align=center] 圖4 三電平逆變電路[/align] 其輸出波形為具有五個電平的三相SPWM波，即寬度按正弦規(guī)律分布的矩形脈沖波。這種波直接送給電動機，由于電機是感性負載，所以能獲得近似的正弦波形。因此對電機和電纜無特殊要求，可直接用于普通異步電動機。三電平逆變電路輸出波形如圖5所示。 [align=center] 圖5 三電平逆變電路輸出波形如[/align] （3）PLC控制方式 1200KW/600V變頻器內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，可靈活選擇現(xiàn)場控制和遠程控制，即可以從司鉆房操作，也可以從MCC房變頻器側(cè)操作。同時，PLC預(yù)留一路通訊接口，可與上位機（商用 PC 機）進行通訊，可對變頻器進行全部操作，包括參數(shù)設(shè)定、功能設(shè)定、運行操作、故障報警等等。 （4）具備完善的保護功能 在泥漿泵堵轉(zhuǎn)時，電流會在瞬間升高很大，產(chǎn)生對功率模塊的直接沖擊，長此工作之后，會造成模塊應(yīng)力的的下降，為提高模塊的使用壽命，采用了傳感器取樣和 IGBT 結(jié)壓降保護相結(jié)合的雙重保護，從而減少了特殊情況下對模塊的極限沖擊，即使輸出相間直接短路 , 模塊也能在 10us 內(nèi)及時封鎖輸出 , 保護了變頻器 , 提高了整機的安全性和可靠性。此外，變頻器還具有過流、過壓、欠壓、過載、缺相、溫升、失速等多種保護。 3.5.JD-BP33-1200變頻器的特殊性能 （1）變頻器能夠從“零”開始調(diào)速，且下限頻率無輸出，方便司鉆工操作，從而避免反復(fù)啟停電機的情況，即當變頻器頻率低于 2 Hz時，電機無扭矩，處于自由狀態(tài)。同時當電位器旋不到最低位置時，不論是開機位置還是停機位置，這時變頻器均無輸出。只有變頻器檢測到最低信號時，變頻器才能開機。變頻器的啟動還受電機上的冷卻風(fēng)機及其它外部信號控制，冷卻風(fēng)機及其他信號備妥后指示燈亮方可允許開機，變頻器故障信號也串入該回路，故障指示燈亮?xí)r變頻器不能開機。當主電機長期停機時，變頻器輸出220V電壓，以供電加熱器（200W/220V）加溫驅(qū)潮濕。 （2）提高載波頻率對改善波形、降低噪聲大有好處，可是載波頻率提高，會使開關(guān)損耗增加，散熱負擔(dān)加重，所以選擇時必須權(quán)衡利弊，為了獲得較好的控制特性，載波頻率與變頻器的最高運行頻率的比值建議不要低于36。在這臺1200KW/600V變頻器中，載波頻率選擇為2kHz。載波頻率與電機噪音，漏電流，干擾的關(guān)系如表1所示： 表1： （3）在變頻器功率特別大的情況下，強烈的電磁干擾很容易造成控制信號錯亂。為了從根本上解決這個問題，我們用光纖來傳輸控制信號，并讓非光纖部分盡量短，信號線與動力線分開配線，盡量使用雙絞線降低共模干擾，在單片機、PLC等為核心的控制系統(tǒng)中，在編制軟件的時候增加了對檢測信號和輸出控制部分的軟件濾波，以增加系統(tǒng)自身的抗干擾能力。在主電路中，要求引線盡量短，以減少其電感量，并且在主回路中增加了直流電抗器，以提高功率因數(shù)，在變頻器與電動機之間增加交流電抗器，以減少傳輸過程中的電磁輻射，這樣處理后，工作現(xiàn)場電流再大，控制線再長，變頻器也不干擾。 4．1200KW/600V變頻器在川科一井上的運行情況 2007年5月，由勝利渤海鉆井公司和山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司鑒定變頻器購貨合同，型號為JD-BP33-1200。2007年6月18日，變頻器送達四川孝泉鎮(zhèn)川科1井，負載是石油鉆機上的泥漿泵。川科1井是中國人設(shè)計和施工的第一口超深井，該井設(shè)計井深8875米。川科1井是川西地區(qū)突破海相的一口重要的科學(xué)探井，預(yù)計用二三年時間才能完鉆，鉆成后將用于探索海相構(gòu)造等科學(xué)研究和勘探川西地區(qū)的天然氣儲量與產(chǎn)量。該井是我國石油工業(yè)二次創(chuàng)業(yè)的一項標志性工程，鑒于這口井的重要性和特殊性，鉆探時將會運用一系列新技術(shù)，在這種形式下，勝利渤海鉆井公司決定對泥漿泵進行改造。2007年6月28日，變頻器正式投入運行。 原設(shè)備控制方式為1200KW的柴油機直接通過皮帶輪拖動泥漿泵，調(diào)節(jié)泵壓時，操作工通過調(diào)節(jié)閥門來控制泵壓大小。變頻驅(qū)動泥漿泵，與原傳統(tǒng)機械驅(qū)動比較，主要有以下優(yōu)點： （1）我山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 JD-BP33－1200變頻器所有部分裝在配電柜內(nèi)，不需要另外的電抗器、濾波器等設(shè)備裝置。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單，現(xiàn)場配線少，調(diào)試周期短，投入生產(chǎn)快。 （2）電機運行平穩(wěn)，啟動時無沖擊電流，無機械沖擊，噪音較小。泥漿泵電機的運行參數(shù)是通過PLC進行數(shù)據(jù)采集的，并在觸摸屏上顯示泥漿泵泵壓、泵沖。泵沖調(diào)速可通過電位器在0-120Spm調(diào)整，優(yōu)化了泥漿排量、建立了穩(wěn)定的無波動泵壓，減少了對泵的損壞。 （3）提高了泥漿泵循環(huán)系統(tǒng)的運行效率，減輕了工人的勞動強度，實現(xiàn)了系統(tǒng)的最佳工況運行。操作工只需在司鉆臺對泥漿泵電機進行無極調(diào)速，就可滿足鉆井需要。司鉆臺還有電機的零位保護，具有風(fēng)機的啟停、故障復(fù)位、緊急停泵按鈕，并有泥漿泵轉(zhuǎn)速顯示，變頻器的各種工況指示、故障報警，冷卻風(fēng)機的工作狀態(tài)，達到了操作方便、指示直觀的目的。 （4）節(jié)能效果顯著，大大降低了成本。在變頻器投入正常運行后，我們對設(shè)備實際功率進行了測算和分析。其具體數(shù)據(jù)如下表2所示： 表2： 而原設(shè)備由于柴油機直接拖動泥漿泵，電機功率（1200KW）相對較大，存在著“大馬拉小車”現(xiàn)象，無功損耗多，耗電量大。據(jù)最保守算法，節(jié)能率也在20％左右。 5．結(jié)束語 泥漿泵循環(huán)系統(tǒng)的變頻運行，電機實現(xiàn)了軟啟動、軟停車。泵壓控制穩(wěn)定，泵沖調(diào)節(jié)方便，真正實現(xiàn)了智能化和自動化。本變頻器良好的驅(qū)動性能，保護了泥漿泵并提高鉆井的質(zhì)量，用戶給予了很高的評價。在電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，鉆機設(shè)備采用交流變頻驅(qū)動，代表著鉆機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展方向，利用全數(shù)字變頻控制技術(shù)和通訊網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，通過現(xiàn)場總線將各子系統(tǒng)組成三級網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對生產(chǎn)全方位的控制和管理，按照司鉆控制智能化、人性化和一體化設(shè)計理念，組成了完整的鉆機自動化控制系統(tǒng)，并可以通過系統(tǒng)擴展和升級實現(xiàn)因特網(wǎng)遠程監(jiān)控，為油田最終實現(xiàn)鉆井作業(yè)的遠程網(wǎng)絡(luò)控制提供了可能。我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP32-500Z大功率變頻器在大慶油田鉆機上的成功應(yīng)用，為國產(chǎn)變頻器又開辟出一個全新的市場，在油田鉆機變頻領(lǐng)域填補了國內(nèi)空白。如今數(shù)十臺鉆機變頻器已經(jīng)投入運行，由此可見，變頻器在油田設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，將會有有著廣闊的市場前景和發(fā)展?jié)摿Α? 參考文獻 【1】山東新風(fēng)光電子低壓使用手冊. 山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司. 【2】劉德田，郭培彬，耿明金. 500KW/380V 國產(chǎn)大功率變頻器在石油鉆機上的應(yīng)用. 變頻器世界， 2006（1） 【3】高成海 變頻器在石油鉆機的應(yīng)用和分析. 變頻器世界, 2005（3） 【4】李瑞來，何洪臣，韓文昭. 2300V潛油電泵專用變頻器.中國國際電源科技論文集, 2002（5）