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。鉆機設備的變頻驅動也代表了鉆井技術的發展方向。
關鍵詞：泥漿泵 變頻器 單元并聯 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備之一，它的正常運轉和工作效率直接關系到油井的經濟建設和成井率。由于其鉆井工藝的特殊性，對泥漿泵的電控設備要求特別苛刻，特別在變頻器選用上非常謹慎，長期以來一直是國外產品的天下。由于國外變頻器存在價格昂貴，調試周期長，維修周期長的特點，油田上因變頻器故障得不到及時維修 , 造成質量事故的現象時有發生。在這種形式下，我公司自主研發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、調試、維護方便,效率高，性能穩定。
變頻驅動泥漿泵較傳統機械驅動有以下優點：節能，操作簡單，無級調速，控制精度高，工作效率高。變頻技術在油田鉆機泥漿泵上的開發應用，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能力，提高了鉆井效率和質量。
2.泥漿泵循環工藝
在鉆井過程中，共分為起落井架，鉆進，泥漿循環，鉆具更換，下套管，測井等幾大工序。主要設備分為絞車，轉盤和泥漿泵等。而泥漿泵則相當于整個鉆井設備的心臟，它所輸出的泥漿的作用類似于人體內的血液。泥漿從鉆桿內部自上而下注入，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可保持井下一定的壓力，以避免井噴，象血液在人體內循環一樣，運送營養，帶走廢物。泥漿泵的壓力和沖數分別與驅動電機的輸出轉矩和速度成正比。
3.技術改造方案
泥漿泵是鉆機的主要組成部分，一旦泥漿循環系統不能運行，不但影響生產，造成巨大的經濟損失（如卡鉆），還有可能威脅到現場生產人員的人身安全（如井噴），所以對泥漿驅動系統要求具有極高的可靠性。 我公司是國內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經驗，且性價比高。根據 “經濟、高效、可靠”的原則，勝利渤海鉆井公司選擇了我公司生產的風光牌 JD - BP33 - 1200Z（ 1200KW/600V ）變頻器，該變頻器采用單元并聯結構，三電平技術，PLC控制，具備完善的保護功能，自動化程度高。
3.1泥漿泵供電系統組成框圖
該系統組成框圖如圖2示。
3.2．系統設備參數
（1）柴油發電機組參數
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 0.7
（2）變頻調速異步電動機參數
型號 YJ13×4
額定功率 1200KW
額定電壓 600V
額定電流 1354A
額定轉速 1000 r/min
額定頻率 50.5Hz
功率因數 0.9
冷卻方式 強迫風冷
（3）泥漿泵參數
型號 F-1600
額定功率 1193KW
齒輪速比 4.206：1
沖數 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
3.4.JD-BP33-1200變頻器主要技術性能
（1）單元并聯技術
1200KW/600V變頻器由八個完全相同的變頻單元組成，八個單元并聯輸出，如圖3所示。
圖 3 八單元并聯接線圖
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得到大容量輸出相比，有如下優點：
a.功率器件直接并聯運行，要求并聯的器件參數一致性好，同時對于裝配工藝要求相當高，而采用單元并聯，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，這是器件直接并聯難以達到的結果。
b.器件直接并聯的容量與器件容量之和相比并不相等，即器件并聯時必須降額使用，并聯數目越多，降額越大，當并聯數量達到一定數值之后，增加并聯器件數量，對增加容量作用甚小，即是說，器件直接并聯，其最大容量數值是有限制的。
c.單元并聯，則無上述限制。這臺1200KW/600V變頻器采用八個變頻單元并聯輸出，各單元電流的差值在5%以下，均流系數為0.96。由此，采用同樣的器件，用單元并聯的方法可以得到比器件直接并聯更大的輸出。
（2）三電平技術
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600V的輸出，勢必要用昂貴的高壓管或采用低壓管串聯結構，由于器件串聯動態均壓問題不易解決，應盡量避免。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計的目的之一。三相輸入電壓經全波整流后由兩組大電容器相串聯組成濾波器，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）。
圖4 三電平逆變電路
其輸出波形為具有五個電平的三相SPWM波，即寬度按正弦規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。
圖5 三電平逆變電路輸出波形如
（3）PLC控制方式
1200KW/600V變頻器內置PLC，易于改變控制邏輯關系，可靈活選擇現場控制和遠程控制，即可以從司鉆房操作，也可以從MCC房變頻器側操作。同時，PLC預留一路通訊接口，可與上位機（商用 PC 機）進行通訊，可對變頻器進行全部操作，包括參數設定、功能設定、運行操作、故障報警等等。
（4）具備完善的保護功能
在泥漿泵堵轉時，電流會在瞬間升高很大，產生對功率模塊的直接沖擊，長此工作之后，會造成模塊應力的的下降，為提高模塊的使用壽命，采用了傳感器取樣和 IGBT 結壓降保護相結合的雙重保護，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”開始調速，且下限頻率無輸出，方便司鉆工操作，從而避免反復啟停電機的情況，即當變頻器頻率低于 2 Hz時，電機無扭矩，處于自由狀態。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機及其它外部信號控制，冷卻風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，故障指示燈亮時變頻器不能開機。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，會使開關損耗增加，散熱負擔加重，所以選擇時必須權衡利弊，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，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光電子科技發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井是中國人設計和施工的第一口超深井，該井設計井深8875米。川科1井是川西地區突破海相的一口重要的科學探井，預計用二三年時間才能完鉆，鉆成后將用于探索海相構造等科學研究和勘探川西地區的天然氣儲量與產量。該井是我國石油工業二次創業的一項標志性工程，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，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。
原設備控制方式為1200KW的柴油機直接通過皮帶輪拖動泥漿泵，調節泵壓時，操作工通過調節閥門來控制泵壓大小。變頻驅動泥漿泵，與原傳統機械驅動比較，主要有以下優點：
（1）我山東新風光電子科技發展有限公司生產的 JD-BP33－1200變頻器所有部分裝在配電柜內，不需要另外的電抗器、濾波器等設備裝置。體積小，結構緊湊，安裝簡單，現場配線少，調試周期短，投入生產快。
（2）電機運行平穩，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是通過PLC進行數據采集的，并在觸摸屏上顯示泥漿泵泵壓、泵沖。泵沖調速可通過電位器在0-120Spm調整，優化了泥漿排量、建立了穩定的無波動泵壓，減少了對泵的損壞。
（3）提高了泥漿泵循環系統的運行效率，減輕了工人的勞動強度，實現了系統的最佳工況運行。操作工只需在司鉆臺對泥漿泵電機進行無極調速，就可滿足鉆井需要。司鉆臺還有電機的零位保護，具有風機的啟停、故障復位、緊急停泵按鈕，并有泥漿泵轉速顯示，變頻器的各種工況指示、故障報警，冷卻風機的工作狀態，達到了操作方便、指示直觀的目的。
（4）節能效果顯著，大大降低了成本。在變頻器投入正常運行后，我們對設備實際功率進行了測算和分析。其具體數據如下表2所示：
表2：
而原設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”現象，無功損耗多，耗電量大。據最保守算法，節能率也在20％左右。
5．結束語
泥漿泵循環系統的變頻運行，電機實現了軟啟動、軟停車。泵壓控制穩定，泵沖調節方便，真正實現了智能化和自動化。本變頻器良好的驅動性能，保護了泥漿泵并提高鉆井的質量，用戶給予了很高的評價。在電力電子技術迅猛發展的今天，鉆機設備采用交流變頻驅動，代表著鉆機驅動技術的發展方向，利用全數字變頻控制技術和通訊網絡優勢，通過現場總線將各子系統組成三級網絡，實現對生產全方位的控制和管理，按照司鉆控制智能化、人性化和一體化設計理念，組成了完整的鉆機自動化控制系統，并可以通過系統擴展和升級實現因特網遠程監控，為油田最終實現鉆井作業的遠程網絡控制提供了可能。我公司生產的風光牌JD-BP32-500Z大功率變頻器在大慶油田鉆機上的成功應用，為國產變頻器又開辟出一個全新的市場，在油田鉆機變頻領域填補了國內空白。如今數十臺鉆機變頻器已經投入運行，由此可見，變頻器在油田設備上的廣泛應用，將會有有著廣闊的市場前景和發展潛力。
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