一、工程描述 1、項目背景 修井機可根據(jù)要求在海洋平臺上的每一口井中進行側(cè)鉆井，完成側(cè)鉆井井口裝置的安裝，還可完成油氣井小修、檢泵、打撈、修套、封堵等作業(yè)。修井機主要由司鉆臺、絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、游吊系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、液路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、井架等組成。

旅大10-1（后稱LD10-1）為我司在渤海區(qū)域的一個井口平臺，位于渤海距離綏中碼頭70海里左右的海域?，F(xiàn)新增一四腿井口平臺旅大10-1 WHPC平臺，外掛在原旅大10-1WHPA平臺南側(cè)，設(shè)有井口、修井機，井槽排列為4×6。

WHPA平臺現(xiàn)有一個柴油機直接驅(qū)動的絞車、泥漿泵修井機系統(tǒng)，由于噪音大、速度控制不靈活、方向切換過程復(fù)雜、設(shè)備操作難度大、系統(tǒng)損耗大等原因；在WHPC平臺新配置一臺修井機，兼顧2個平臺的鉆修井作業(yè)，我們在外掛C平臺上修井機系統(tǒng)時，選擇了交流矢量變頻器驅(qū)動的絞車、泥漿泵系統(tǒng)。

由于海洋鉆/修井平臺環(huán)境惡劣，可靠性要求高，一直以來，只選用國外ABB、西門子兩個品牌的變頻器產(chǎn)品。隨著近年國產(chǎn)品牌變頻器技術(shù)的迅速提升，我司已經(jīng)掌握了相應(yīng)的技術(shù)能力。

通過我司與客戶的緊密配合，專門定制了針對海洋鉆/修井平臺環(huán)境的變頻驅(qū)動修井機電控系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)簡介 LD10-1海洋平臺修井機系統(tǒng)采用我司HE300工程型變頻器傳動方案。變頻系統(tǒng)電壓等級為690V，由2臺1250A進線柜，2臺1200kW基本整流柜經(jīng)整流后組成共直流母線架構(gòu)，逆變側(cè)配置2臺1000KW逆變柜分別驅(qū)動絞車/轉(zhuǎn)盤和泥漿泵，其中絞車/轉(zhuǎn)盤電機額定功率800kW/600V，泥漿泵電機600kW/600V。為了實現(xiàn)絞車的快速啟停，配置了1200kW的內(nèi)置制動單元。整套驅(qū)動控制系統(tǒng)通過Profibus-DP總線連接HE300工程型變頻器、西門子S7-300 PLC以及司鉆臺等設(shè)備，從而實現(xiàn)了絞車對鉆桿的提升、下放作業(yè)，泥漿泵對泥漿的循環(huán)作業(yè)。下圖是修井機系統(tǒng)控制框圖。 圖1-1 修井機系統(tǒng)框圖

二、產(chǎn)品選型與配線 1、產(chǎn)品選型 依據(jù)LD10-1海洋平臺修井機的電壓等級、電機功率并結(jié)合實際工況，作如下選型：

2、電氣接線圖 以下接線圖中主要包含主回路、輔助電源回路、制動單元回路、編碼器的接線方式。

圖2-1 變頻器電氣接線圖

三、現(xiàn)場使用情況

1、現(xiàn)場總線控制技術(shù)與人機界面交互監(jiān)視與顯示 綜合控制柜中的西門子工業(yè)計算機掛接到SIEMENS-300-PLC 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與PLC 主站的數(shù)據(jù)通訊。變頻器通過現(xiàn)場總線Profibus-DP 協(xié)議與PLC 監(jiān)控軟件通信，實現(xiàn)現(xiàn)場主要設(shè)備的狀態(tài)和主要參數(shù)的監(jiān)控；主要鉆井參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實現(xiàn)對整個LD10-1 油田綜合調(diào)整修井機服務(wù)項目的保護、故障檢測與報警顯示；實現(xiàn)控制系統(tǒng)故障記錄、系統(tǒng)故障自診斷、變量記錄，實時和歷史數(shù)據(jù)的趨勢分析及打印，數(shù)據(jù)瀏覽查詢與打印；在相關(guān)畫面上通過選擇數(shù)據(jù)庫按鈕，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)的瀏覽與打印。 鉆/修井機電控系統(tǒng)由人機監(jiān)控組態(tài)軟件、控制程序軟件、變頻程序軟件組成。人機界面操作簡單，工藝流程全過程監(jiān)視、顯示實時信息、歷史趨勢畫面等等。 自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成由綜合控制柜中的PLC S7-315 作為主站，司鉆控制臺內(nèi)安裝的ET200M、觸摸屏、司泵控制臺內(nèi)的ET200M、絞車變頻器、自動送鉆變頻器、轉(zhuǎn)盤變頻器、泥漿泵變頻器等作為從站，司鉆控制臺中安裝的觸摸屏、綜合控制柜面板上安裝的PC 機通過各自的DP 接口連接到Profibus—DP 總線上，實現(xiàn)鉆/修井機電控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄、故障自診斷、故障報警等功能。 LD10-1 油田綜合調(diào)整修井機服務(wù)項目在正常工作時，司鉆可以通過司鉆控制臺上的觸摸屏監(jiān)控與鉆井工作/工序狀態(tài)相關(guān)的鉆井參數(shù)和相關(guān)鉆井設(shè)備的主要運行參數(shù)，并可以實現(xiàn)鉆壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤扭矩限幅等參數(shù)和功能的設(shè)定。 圖3-1 數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面

變頻器配置有液晶操作器SOP-30，SOP-30通過CANLINK總線與變頻器實時通信，實時監(jiān)控多個運行參數(shù)，并方便切換參數(shù)；同時SOP-30友好詳細的中文注釋，使得用戶可以在無說明書的情況下進行監(jiān)控參數(shù)更改、控制變頻器、進行故障分析等。

圖3-2 變頻器液晶操作器

2、絞車驅(qū)動電制動及與泥漿泵驅(qū)動共直流母線 制動單元具有電子檢測和控制回路，可以實時檢測絞車變頻器直流回路的電壓，在下鉆作業(yè)中，游動系統(tǒng)通過滾筒拖動絞車驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，電機在矢量控制變頻器的作用下處于“發(fā)電”工況，當(dāng)變頻器直流回路的電壓超過閾值后，制動單元以斬波的方式控制外部的制動電阻接入變頻器直流回路，并以能耗制動的方式將能量消耗在制動電阻上，這種能耗制動單元加外部制動電阻的制動方案稱為電制動，保證了絞車在最大鉤載下放時的制動特性，彌補了液壓盤式剎車的不足，提高了操作的安全性和可靠性。而且絞車驅(qū)動電機的能耗制動具有與液壓盤式剎車的連鎖控制功能。

泥漿泵變頻器和絞車變頻器共直流母線的多傳方案，在絞車“發(fā)電”工況下，可以為共母線的泥漿泵變頻器提供能量，降低了系統(tǒng)的損耗，減少了前級柴油發(fā)電機的油耗，提高了電能的利用率。

3、轉(zhuǎn)盤的無級調(diào)速及正、反轉(zhuǎn)切換 轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)0～額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級調(diào)速，根據(jù)鉆井工藝實際工況的需要（井深、泥漿性能、鉆頭類型、鉆頭直徑、地層巖性、鉆進或地質(zhì)需要等）設(shè)定轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，可有效地提高鉆進速度，提高鉆井時效，降低鉆井成本。

司鉆控制臺設(shè)置有一轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向指配開關(guān)，根據(jù)鉆井工藝和鉆井工況需要，把轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向開關(guān)設(shè)置為“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”（轉(zhuǎn)盤反轉(zhuǎn)時，設(shè)置有反轉(zhuǎn)口令和確認按鈕，以免誤操作而造成鉆井事故）。根據(jù)實際情況順時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，再通過手輪設(shè)定扭矩限幅，給定當(dāng)前的工作所需扭矩限定值，然后旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速給定手輪，就可以控制轉(zhuǎn)盤按選擇的旋轉(zhuǎn)方向和給定轉(zhuǎn)動速度運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速給定手輪旋轉(zhuǎn)的角度越大，則轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速越高，根據(jù)鉆井工況的需要，司鉆可以隨時改變轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。

采用閉環(huán)矢量變頻驅(qū)動方案就能完美的實現(xiàn)無級調(diào)速和快速正反轉(zhuǎn)切換。這也是直接柴油機驅(qū)動方案不可避免的缺點。

4、轉(zhuǎn)盤的扭矩限幅功能 轉(zhuǎn)盤變頻器的扭矩限幅功能可以在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機最大輸出扭矩的0-100%之間任意調(diào)節(jié)設(shè)定。鉆進時，通過PLC采集變頻器（轉(zhuǎn)盤和絞車共用變頻器通過機械掛檔切換）的電壓、電流、頻率及實際轉(zhuǎn)矩并在觸摸屏上進行顯示。正常鉆井作業(yè)時，轉(zhuǎn)盤輸出扭矩動態(tài)工作在扭矩限幅設(shè)定的范圍內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)井下異常情況、轉(zhuǎn)盤扭矩超過扭矩限幅設(shè)定值時，變頻器維持扭矩限幅設(shè)定值，超過設(shè)定時間時，變頻器報故障、停機，并與轉(zhuǎn)盤慣性剎車聯(lián)鎖動作，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤扭矩限幅保護，避免發(fā)生鉆具事故。鉆井工作過程中，司鉆可根據(jù)鉆井工藝及鉆具的實際情況，通過司鉆控制臺上的轉(zhuǎn)盤扭矩限幅設(shè)定手輪，隨時調(diào)整轉(zhuǎn)盤扭矩限幅值的設(shè)定。轉(zhuǎn)盤運行過程中，發(fā)生扭矩超限時變頻器具有扭矩緩釋功能。

早期修井機方案采用的液力變矩器，本身有較大的傳動損失，效率較低，配備必要的供油、冷卻等輔助系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每年都需要進行檢修。采用變頻器的扭矩限幅功能，以及無級調(diào)速功能，可以省去液力變矩器，從而提高能源利用率，降低系統(tǒng)故障率，減少維修成本。

5、閉環(huán)矢量控制優(yōu)勢 采用變頻器，驅(qū)動絞車電機時的數(shù)據(jù)可使內(nèi)部進行高速、數(shù)字化、無錯誤的數(shù)據(jù)交換，抗干擾能力強，同步精度高。在低頻時能產(chǎn)生高的啟動轉(zhuǎn)矩并改善啟動及低速時轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應(yīng)。

絞車采用單軸電機驅(qū)動，PLC 通過采集主電機的運行數(shù)據(jù)和滾筒的轉(zhuǎn)數(shù)信號，判斷游車起下鉆工況，自動計算出游車的位置、速度，通過PLC 控制程序發(fā)出控制信號，使絞車驅(qū)動電機以給定的速度驅(qū)動滾筒，實現(xiàn)絞車起下鉆功率的合理利用和提高鉆井時效。

利用交流變頻調(diào)速范圍寬的優(yōu)勢，游車速度為0-1.2m/s，滿足鉆井的工藝要求，實現(xiàn)絞車速度的閉環(huán)控制和游車高度位置閉環(huán)控制的有機結(jié)合,不僅可大幅度地提高鉆井時效，而且增強了設(shè)備運行的安全性和可靠性。

絞車驅(qū)動變頻器由于采用了矢量控制方案，使得絞車驅(qū)動電機在零轉(zhuǎn)速時也能輸出額定轉(zhuǎn)矩(懸停狀態(tài))，這是直流電機驅(qū)動鉆機所不能比擬的。

6、故障分級處理 系統(tǒng)出現(xiàn)警告類故障時，司鉆臺遠程復(fù)位即可繼續(xù)使用；出現(xiàn)嚴重故障時，變頻器會斷開進線柜斷路器并提示故障。例如，在高速情況下緊急抱閘剎車，變頻器會檢測到瞬時電流以及瞬間輸出功率很大，發(fā)電機瞬間輸出電壓會降低，當(dāng)?shù)陀谇穳狐c時變頻器報欠壓故障，緊急停車。

故障級別分為： 級別一 故障自由停車； 級別二 故障減速停車； 級別三 故障降額繼續(xù)運行； 級別四 繼續(xù)運行，限制上限頻率； 級別五 繼續(xù)運行，不可以再啟動； 級別六 繼續(xù)運行，可以在啟動； 級別七 屏蔽故障

7、維護便利 系統(tǒng)配置有熔斷式隔離開關(guān)，隔離和保護一體，支持本組逆變柜在線維護，柜外操作，安全可靠。高分斷能力快速熔斷器，可實現(xiàn)快速安全保護，提高產(chǎn)品可靠性，迅速分離故障部件并投入冗余備件，大大提高了維護的便利性，縮短了故障停機時間。

圖3-3 平臺實景&電控系統(tǒng)內(nèi)部圖

四、總結(jié) 該系統(tǒng)選擇了我司生產(chǎn)的HE300工程型變頻器產(chǎn)品。通過與客戶的通力合作，定制化開發(fā)，滿足了海洋石油現(xiàn)場高鹽霧、高濕氣等惡劣工況與特殊需求，至今運行穩(wěn)定可靠，已經(jīng)無故障完井、修井多口，深得業(yè)主及井隊的一致好評。

相較進口品牌：國產(chǎn)品牌快速的交貨周期，客戶工程進度的有效配合，為建設(shè)節(jié)省了時間成本，更低的投資費用及運行備件費用，為建設(shè)節(jié)省了資金成本，提高客戶的經(jīng)濟效益30%以上；針對性的定制化開發(fā)，成套系統(tǒng)解決方案提供，為產(chǎn)品環(huán)境、工況適應(yīng)性得到了滿足。使得系統(tǒng)可靠性、易用性、經(jīng)濟效益等大幅提高。尤其我司設(shè)計的IGBT單元式封裝結(jié)構(gòu)，大大減小了變頻系統(tǒng)的體積，并且在兆瓦級功率等級變頻器創(chuàng)新地實現(xiàn)了單人現(xiàn)場拆裝維護。

該系統(tǒng)項目的成功應(yīng)用，將加快海洋石油鉆/修井平臺關(guān)鍵電控部件系統(tǒng)國產(chǎn)化的步伐，推動海洋平臺行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，也提高了設(shè)備的綜合運營效益。