钻井现场高压电代油设备试验应用

雷创国

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摘要：近几年，石油钻机电驱动化得到长足发展，电代油设备因使用灵活、成本降低、环保优势突出等在各钻探公司得到推广应用，其电控系统目前还主要使用600～690 V低压变频调速系统。随着电力电子技术与变流技术的高速发展，10 kV及以上高压变频调速系统在国内外得到了长足的发展，技术已经成熟，在大型石化项目的主管道泵、注水泵、鼓风机、潜油泵、锅炉给水泵方面等有着较为广泛的应用，但在钻井行业尚未应用。

关键词：钻井；高压

1 高压变频调速系统主要优点

（1）高效率、低谐波。采用多脉冲移相整流变压器技术，有效降低电源侧谐波电流含量，谐波含量<5%，符合IEEE 519—1992标准，满足电网对谐波要求；提高了功率因数，功率因数>0.96；采用单元串联多电平技术，无需输出滤波器，输出电压波形近似正弦波，dv/dt小，适用于远距离电机驱动，对电缆、电机绝缘无损害；系统效率>96.5%。

（2）抗电源扰动能力强、适用范围广。电源侧电压在90%～110%范围波动时，系统可满载运行；电源侧电压低至70%，系统仍可降额运行；具备电压监测功能，电源侧电压在90%～110%范围波动时，仍能保持输出电压稳定，实现电机长期、安全、稳定运行。

2 高压电代油设备主要优势

采用高压变频调速系统的电代油设备，相比原来的低压电代油系统具有以下主要优势：

（1）进一步提高了传动效率和电能利用率，整体运行效率将显著提高。

（2）可以将原低压网电系统的3个房体缩小成一个房体，提高整套系统的功率密度，减小了钻井队作业占地面积和搬家运输成本。

（3）整套系统采用智能化的设计，保障设备运行的安全性、可靠性、稳定性。

（4）设计有互联网通信接口，方便系统数据的远程传输，可为后续实施设备的远程监控打下基础。

综合以上可以看出，高压直驱电代油系统在与现用高压变低压的电代油系统相比，在不改变接入条件的情况下，进一步简化了设备、提高了效率，成套设备费用更低，项目的应用将进一步提高钻机电控、电代油设备应用的先进性、适用性和经济性，是未来发展的必然趋势。

3 高压变频直驱方案制定及设备配套

3.1 高压直驱技术方案

结合在用钻机电代油设备状况及经常应用需求，高压变频传动电代油设备主要按2个功能模块和外围电缆及辅材组成。

高压VFD系统：即网电高压变频传动模块及操作控制台。

网电高压变频传动装置（VFD）采用高压变频电机直接驱动钻机链条或皮带传动系统，由高压供配电、高压变频传动、低压供配电、PLC综合控制四大部分组成。高压供配电系统集中在高压配电室，由1台高压进线柜、3台高压出线柜组成，负责10 kV（或6 kV）电网电源的接入、保护、分配；高压变频传动系统分为整流变压器室和功率单元室，共同组成高压变频传动系统，实现2台1000 kW高压变频电机的驱动控制；低压供配电系统由1台1600 kV·A双副绕组变压器（10 kV/0.6 kV、0.4 kV）和一个配电开关柜组成，为井场其他配套系统提供AC 600 V、AC 400 V电源及相应保护；PLC综合控制系统采用“PLC+旁路”冷备份手动切换方案，实现司钻台与电气控制房的通信以及电气控制逻辑，按照钻井工艺的要求，进行钻机的操作控制和系统设备的保护及联锁等自动化控制。各模块相对独立，可根据钻机现场实际情况（机械钻机或电动钻机）互相搭配使用，并可分开运输。

3.2 系统技术配置与选型

本着成熟、够用、安全、节约原则，主要部件配置与选型如下：

（1）逻辑控制系统（PLC）采用台达AS`系列。

（2）变压器采用山东金曼克或山东泰开产品。

（3）空气断路器采用正泰或二一三产品。

（4）电缆采用江苏上上、江苏宝胜或上海南洋品牌；插接件采用宝鸡友泰或四川永贵。

（5）空调采用惠康空调。

（6）变频器为完美无谐波的高压变频器，采用矢量控制技术，功率因数≥0.95，总谐波电压畸变5.0%（含）以内。

（7）系统能满足10 kV与6 kV电网要求。

3.3 高压网电系统设计配套

3.3.1 高压室

高压配电室主要完成高压接入及高压的供配电，由1台高压进线柜、3台高压出线柜及1台UPS柜组成，负责10 kV（或6 k V）电网电源的接入、保护、分配。

高压开关柜采用符合中压10 kV/6 kV配电要求的环网柜，系统具有控制回路功能，并具有防止系统过压损坏设备的避雷器。

进线柜含断路器、隔离开关、熔断器、避雷器、PT、CT、电流电压表、计量表、微机控制单元和多功能电力仪表，完成高压总进线的控制。

出线柜含断路器、隔离开关、避雷器、接地刀、CT、零序电流互感器、电流电压表、变压器综保单元和多功能电力仪表，完成2台高压变频器，1台高压变压器的配电及保护控制。

3.3.2 高压变频传动系统

高压变频传动系统分为整流变压器室和功率单元室，共同组成高压变频传动系统，实现两台1000 kW高压变频电机的驱动控制，主要完成两台高压交流变频电机的驱动控制。

3.3.3 低压供配电系统

低压供配电系统由一台1600 kV·A双副绕组变压器（10 kV/0.6 kV、0.4 kV）和一个配电开关柜组成，为井场其他配套系统提供AC 600 V、AC 400 V电源及相应保护。

3.3.4 PLC综合控制系统

（1)PLC综合控制系统由综合控制柜及操作控制台组成，采用“PLC+旁路”冷备份手动切换方案，实现司钻台与电气控制房的通信以及电气控制逻辑，按照钻井工艺的要求，进行钻机的操作控制和系统设备的保护及联锁等自动化控制。

（2）综合控制柜内含1套PLC、1套继电器应急控制和1台一体化工控机。PLC将司钻操作控制台（远程I/O站）和2台变频器采用现场网络方式连接，进行协调控制，满足钻井工艺要求。一体化工控机（IPC）对各个设备运行的过程参数、状态进行实时显示。

3.4 系统运行的安全保障

（1）系统的总体设计、产品选型、加工制造均需在供方公司取得的《安全标准化》《职业健康安全管理体系》《环境管理体系》下执行，并满足SY/T 6283—1997《石油天然气钻井健康、安全与环境管理体系指南》标准。

（2）总体设计需考虑系统整体的安全、高效、节能；产品选型在保证性能满足技术要求下选择绿色、环保、低碳的元器件及材料；加工制造方面需满足电气产品的防护等级及石油设施电气设备的防爆要求。

（3）系统按照TN-S电制设计，N线与零线严格分开，房内人行通道铺绝缘胶皮，系统带电设备挂“有电危险”等提示标牌，房内配备绝缘棒、绝缘手套等安全防护工具，系统整体接地可靠，以上措施确保人身及设备安全。

4总结

（1）通过试验，高压网电直驱系统能够满足钻机电代油需要，成套设备配置数量较现用低压电代油少、线缆更轻便、成套设备成本更低，谐波干扰、效率等性能参数更优，实现了试验目的。

（2）项目的成功实施解决了网电设备过多、功率因数低等问题，实现了高压直驱交流变频系统在钻井现场的首次应用，更为下一步推广应用奠定了基础。

（3）建议在配套电机小型化方面继续研究，提高电机的运移性。