公共直流母线变频技术在石油钻机中的运用
朱延杰
摘? ?要：模块钻机在运行过程中存在绞车与泥浆泵变频系统占地面积过大、变频器母线电压升高时耗能高的缺点，这会明显降低钻机运行效率，影响石油产品的开采质量。为了有效解决以上现实问题，该文以泥浆泵和绞车变频系统为基础设计了公共直流母线变频技术，其保证了绞车回馈能量利用的有效率，在降低能耗的同时保证了设备的高效运行，较明显地提升系统运行的可靠性。
关键词：公共直流母线;变频技术;石油钻机;应用实践
中图分类号：TM464? ? ? ? 文献标志码：A
在海上油气田开发领域中，不管是新的勘探、项目研发，还是老油田钻调井提升采收率等诸多项目中，均需要钻勘探井、注水井、侧钻井等機械设备的辅助，其在具体实践中还需对油、气、水等进行有效维护，以保证生产的有效性、安全性。现阶段，国内海上油气田开发过程中，海上固定式平台上的钻井数目相对较多时，选用模块机钻井耗用的资金较少，能取得较理想的效益。但是最近几年，有实践表明，模块机钻井中的绞车属于位能性负载，在管柱下放期间会倒放电，造成变频器直流母线电压上升，散发大量热能导致浪费资源，因此对其优化改进具有很大的现实意义，以实现节能、减排、增效目标。
1 传统模块钻机变频系统
近些年，变频技术持续发展，分布式的公共直流母线变频技术逐渐将过往一对一变频取而代之，在模块钻机的绞车泥浆泵系统中有较广泛应用。该文以某投产的5 000 m模块钻机变频系统为实例进行分析。
分布式的公共直流母线变频等同于对泥浆泵与绞车分别安置公共直流母线变频模块，泥浆泵数目是决定模块数量的主要因素，该模块钻机工安设3套泥浆泵。该钻机应用公共直流母线变频等同于一对一变频，进而降低了整流模块的数目，减少了平台电气房的占地面积。但是在多种情况下，以上设计形式会造成绞车下放管柱过程中出现倒发电现象，造成能量反流，此时就需要对电阻实施制动措施消损能量，也会对变频设备造成一定损伤，减少其使用年限。在生产实践中，为有效应用绞车符合的运行特征，提升能源的有效利用率，该文提出构建集中式的钻机公共直流母线变频模式。
2 公共直流母线变频技术分析
该中心处理平台钻机由平台组块电站11.0 kV系统历经2台4 000 kVA 11.0 kV/690 V变压器降压处理后供电，钻机安设了3台泥浆泵 （涵盖6台600 kW泥浆泵电机 ）、绞车电机2台、920 kW顶驱1台。因为顶驱是成撬装备，因此针对其变频问题应单独分析，为将变频设备数目与尺寸降至最低水平，并提升绞车回馈能量利用的合理性，该文在设计过程中提出对6台泥浆泵电机与 2台绞车电机使用集中公共直流母线变频的方案，这一方面能提升对回馈能量的利用率，另一方面也能减少对变频器形成的冲击。
经测量发现，公共直流母线变频整流模块的容量和所供电的电机或逆变器设备容量之和相比更小，这也是该类直流母线占据优势的主要原因之一、结合不同作业状况下钻机内绞车与泥浆泵的实际出力状况，可以计算出正常运行状态下泥浆泵A、B、C对应的负荷系数依次为60.0%、60.0%、0，而绞车A、绞车B对应的负荷系数分别为40.0%、0，机械设备运行负荷始终为1 870 kW。
电压源型变频器是钻机上普遍应用的类型之一，其功能是输入电路一段能把交流电源转换成直流电源。大功率二极管整流器是造成系统谐波出现畸形的主要原因，其中5、7次谐波最为典型，对平台形成不同程度的污染。因此该模块钻机应用PWM整流模块或 24脉波移相变压器从根源上实现对谐波的有效调控。
3 在石油钻机上公共直流母线变频技术的具体应用
3.1钻机起升系统
石油钻机起升系统在正常运行过程中，为了实现降低能耗量、提升资源整体利用率的目标，油田企业一般整体评估起升的重量与速度，继而获得较为合理的功能以进行能量传导与起升过程。在以上过程中，若能科学使用公共直流母线变频技术，则能取得更好的效果。有研究表明，结合系统起升重量及要求的差异性，变频技术使用后平均节能为5.0%～30.0%，针对特殊工况可能更高，可见公共直流母线变频技术在提升石油钻机能源利用率方面体现出良好效能。但技术在使用过程中，应对如下2点问题给予一定重视。1）在低中速运转期间，可以采用带转速反馈形式实现对功率的有效调控，立足于实际调节电机运转速度。2）吊钩上升过程中，可以采用维持低速的形式达到最大扭力增强吊钩的上升动力，保证运输过程的安稳性。3）制动期间，可以采用电磁机械与直流两者相整合的形式去实现，这样若某一制动环节出现问题时也能实现紧急制动，进而保证了制动的安全性，提升企业对风险的抵御能力。
3.2 控制系统
将公共直流母线变频技术应用于石油钻机控制系统中，主要是针对系统的可靠性与安全性进行设计与安装的。这主要是因为PCL可控编程系统自身具备较高节能及抗干扰性能，因此将其应用于石油钻机的作业条件中，通常能代替以往的电磁继电器，建立多点联控模式，增强了系统运行过程的稳定性，还能规避因作业条件恶劣而干扰电磁继电器正常运行的情况，杜绝不必要的隐患。另外，石油钻机在作业期间需吊装上百吨的重物，因此对变电器运行的安稳性及综合作业性能等均提出较高要求，而公共直流母线变频技术能以电机电流为支撑，实现对电气的精确化控制，再和PCL技术相联合，能进一步优化控制工作质量，使石油钻机的有效控制得到安全与保障。
3.3 空气热水系统
公共直流母线变频技术用于石油钻机热泵操作系统控制中的宗旨是采用减少运转泵的电机轴承温度形式降低燃料耗用量，最终实现降低钻机运行成本的目标。而在以上过程中，该变频技术的作用主要体现在智能化感知温度，进而依照人工预先设计的方案实施调控措施，实现节能减排的目标。
4 现场使用情况
该5 000 m模块钻机平台占地面积约为450㎡，共计有生产井9口，3个配电柜，变压器2台，容量为800 kW。现将公共直流母线变频技术的具体应用效果汇总在表1中。
经现场测试后发现，当发热电阻有电流通行时，能测算出变频器发热电阻的能耗量，平均单井每天能够节省的电量为18.4度。
5 结语
公共直流母线变频技术应用于石油钻机中，不仅能实现对谐波的有效集中式治理，还有益于减少设备的规格尺寸，降低资金投入量，减少系统在运行期间的能耗量，也减轻绞车回馈能量对电网系统形成冲击作用，进而更好地实现节能、减排及减少造价成本的目标，这提示该技术在我国油田视野后续发展中有较大的应用空间。
参考文献
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