摘要：海洋平臺修井機是一種排除油井生產故障，可以進行完井、修井及鉆井的系統，驅動絞車/轉盤、泥漿泵電機的驅動器在系統中起著關鍵作用，可靠的變頻驅動系統可以有效地降低設備故障率，優化操作過程，提高生產效率。本文介紹了匯川技術交流矢量變頻系統在渤海旅大10-1平臺修井機中的應用，對修井機系統做了簡要說明，對變頻驅動系統作了詳細介紹。

關鍵詞：修井機、交流變頻、矢量控制、共直流母線、無級調速、扭矩限幅

一、工程描述

1、項目背景

修井機可根據要求在平臺上的每一口井中進行側鉆，完成井口裝置的安裝，還可以完成油氣井小修、檢泵、打撈、修套、封堵等作業。修井機主要由司鉆臺、絞車、轉盤、泥漿泵、游吊系統、傳動系統、液路系統、氣路系統、井架等組成。

旅大10-1（后稱LD10-1）為中海油在渤海的一個鉆井平臺，位于距離綏中碼頭70海里左右的海域。平臺原來配置的柴油機直接驅動絞車和泥漿泵，存在噪音大、速度控制不靈活、方向切換復雜、操作難度大、能源損耗大等問題，嚴重影響業主的生產效率和能效考核，為了解決以上問題，業主決定給外掛C平臺修井機的絞車、泥漿泵安裝交流矢量變頻器。

2、方案介紹

中海油LD10-1海洋平臺修井機絞車（和轉盤共用變頻器）、泥漿泵驅動系統采用匯川HE300多機傳動變頻產品，電壓等級690V，配置2臺1250A進線柜，2臺1200kW基本整流柜組成共直流母線結構，配置2臺1000KW逆變柜分別驅動絞車和泥漿泵，絞車電機800kW/600V，泥漿泵電機600kW/600V，配置了1200kW的內置制動單元，實現絞車的快速啟停。通過Profibus總線聯接HE300變頻器與西門子S7-300 PLC，從而實現了鉆桿提升、下放，泥漿泵循環作業的遠程總線控制。下圖是修井機系統框圖。

圖1-1 修井機系統框圖

二、產品選型與配線

1、產品選型

依據中海油LD10-1海洋平臺修井機的電壓等級、電機功率并結合實際工況，選型如下：

2、電氣原理圖

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、方案優勢

1、現場總線控制技術

變頻器通過現場總線Profibus-DP 協議與PLC 監控軟件通信，采用人機監控組態軟件實現鉆、修機電控系統的參數設置、監控、數據顯示、數據記錄、故障自診斷、故障報警等功能。在相關畫面上通過選擇數據庫按鈕，人機界面操作簡單可以進行工藝流程全過程監視、顯示實時信息、歷史趨勢畫面等等。LD10-1油田綜合調整修井機在正常工作時，司鉆可以通過控制臺上的觸摸屏監控與鉆井工作/工序狀態相關的鉆井參數和相關鉆井設備的主要運行參數，并可以實現鉆壓、轉速、轉盤力矩限制等參數和某些功能的設定。

圖3-1 數據監控畫面

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，實時監控多個運行參數，并方便切換參數；同時SOP-30友好詳細的中文注釋，使得用戶可以無說明書的情況下更改監控參數、控制變頻器、故障分析等。

圖3-2 變頻器液晶操作器SOP-30

2、絞車驅動電制動及與泥漿泵驅動共直流母線

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，在下鉆作業中，游動系統通過滾筒拖動絞車驅動電機反轉，電機在矢量控制變頻器的作用下處于“發電”工況，當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，降低了系統的損耗，減少了前級柴油發電機的油耗，提高了電能的利用率。

3、轉盤的無級調速及快速正、反轉切換

轉盤的轉速可實現0～額定轉速范圍內的無級調速，速根據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、鉆進或地質需要等）設定轉盤轉速，可有效的提高鉆進速度，提高鉆井時效，降低鉆井成本。

司鉆控制臺設置有一轉盤轉向指配開關，根據鉆井工藝和鉆井工況需要，把轉盤轉向開關設置為“正轉”或“反轉”（轉盤反轉時，設置有反轉口令和確認按鈕，以免誤操作而造成鉆井事故）。根據實際情況順時針轉動轉盤扭矩限制給定手輪，給定當前的工作所需扭矩限定值，然后順時針旋轉轉盤轉速給定手輪，就可以控制轉盤按選擇的旋轉方向和給定轉動速度運轉，轉速給定手輪順時針旋轉的角度越大，則轉盤的轉速越高，根據鉆井工況的需要，司鉆可以隨時改變轉盤的轉速。

采用閉環矢量變頻驅動方案就能完美的實現無級調速和快速正反轉切換。這也是直接柴油機驅動方案不可避免的缺點。

4、轉盤的扭矩限幅功能

轉盤變頻器的扭矩限制功能可以在轉盤驅動電機最大輸出扭矩的0-100%之間任意調節設定。鉆進時，通過PLC采集變頻器（轉盤和絞車共用變頻器通過機械掛檔切換）的電壓、電流、頻率及實際轉矩并在觸摸屏上進行顯示。正常鉆井作業時，轉盤輸出扭矩應動態工作在扭矩限制設定的范圍內，當出現井下異常情況、轉盤扭矩超過扭矩限制設定值時，變頻器維持扭矩限制設定值超過設定時間報故障變頻器停機，并與轉盤慣性剎車聯鎖動作，實現轉盤扭矩限制保護，避免發生鉆具事故。鉆井工作過程中，司鉆可根據鉆井工藝及鉆具的實際情況，通過司鉆控制臺上的轉盤扭矩限制設定手輪，隨時調整轉盤扭矩限制值的設定。轉盤運行過程中，發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，結構復雜，每年都需要進行檢修。采用匯川變頻器的扭矩限幅靈活、電子無級調速功能完全可以省去液力變矩器，從而提高能源利用率，降低系統故障率，減少維修成本。

5、 閉環矢量控制優勢

采用匯川變頻器，驅動絞車電機時的數據可使內部進行高速、數字化，無錯誤的進行數據交換，抗干擾能力強，同步精度高。在低頻時能產生高的啟動轉矩并改善啟動及低速時轉矩的動態響應絞車采用單軸電機驅動，PLC 通過DP總線采集變頻器的運行數據和滾筒的轉數信號，判斷游車起下鉆工況，自動計算出游車的位置、速度，通過PLC 控制程序發出控制信號，使絞車驅動電機以給定的速度驅動滾筒，實現絞車起下鉆功率的合理利用和提高鉆井時效。利用交流變頻調速范圍寬的優勢，游車速度為0-1.2m/s,滿足鉆井的工藝要求，絞車速度的閉環控制和游車高度位置閉環控制的有機結合，不僅可大幅度的提高鉆井時效，而且增強了設備運行的安全性和可靠性。

絞車驅動變頻器由于采用了矢量控制方案，使的絞車驅動電機在零轉速時也能輸出額定扭矩(懸停狀態)，這是直流電驅動鉆機不能比擬的。

6、故障分級處理

系統出現警告類故障，四鉆臺遠程復位即可繼續使用；如出現嚴重故障，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，變頻器會檢測到電流瞬間很大輸出功率瞬間很大，發電機瞬間輸出電壓會降低當低于欠壓點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:故障降額繼續運行；

級別四:繼續運行，限制上限頻率；

級別五:繼續運行，不可以再啟動；

級別六:繼續運行，可以在啟動；

級別七:屏蔽故障

7、維護便利

熔斷式隔離開關，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，可快速安全保護，提高產品可靠性。迅速切除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 電控系統內部圖

變頻器采用單管為單元的模塊化設計，使之在高振動場合機械應力得以分散。功率模塊自重小于25kg,單人即可維護兆瓦級別大功率逆變器。采用低漏感的busbar技術，使系統的驅動性能達到最佳。

四、總結

本系統選擇了業界知名品牌匯川技術生產的HE300工程型變頻器產品。通過我司和中海油通力合作，定制化開發，滿足了客戶現場高鹽霧、高濕氣等惡劣工況與特殊需求，至今運行穩定可靠，已經無故障完井、修井多口，深得業主及井隊的一致好評。

相較進口品牌，快速的交貨周期，客戶工程進度的有效配合，為建設節省了時間成本；更低的投資費用及運行備件費用，為建設節省了資金成本，提高客戶的經濟效益30%以上；針對性的定制化開發，成套系統解決方案提供，為產品環境、工況適應性得到了滿足。使得系統可靠性、易用性、經濟效益等大幅提高。

該系統項目的成功應用，將加快海洋石油鉆/修井平臺變頻驅動系統國產化的步伐，推動海洋平臺行業產業升級。