一、工程描述 1、項目背景 修井機可根據要求在海洋平臺上的每一口井中進行側鉆井，完成側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。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）為我司在渤海區域的一個井口平臺，位于渤海距離綏中碼頭70海里左右的海域。現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，設有井口、修井機，井槽排列為4×6。

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

由于海洋鉆/修井平臺環境惡劣，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品。隨著近年國產品牌變頻器技術的迅速提升，我司已經掌握了相應的技術能力。

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

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

1、現場總線控制技術與人機界面交互監視與顯示 綜合控制柜中的西門子工業計算機掛接到SIEMENS-300-PLC 網絡，實現與PLC 主站的數據通訊。變頻器通過現場總線Profibus-DP 協議與PLC 監控軟件通信，實現現場主要設備的狀態和主要參數的監控；主要鉆井參數的數據采集、數據處理、實現對整個LD10-1 油田綜合調整修井機服務項目的保護、故障檢測與報警顯示；實現控制系統故障記錄、系統故障自診斷、變量記錄，實時和歷史數據的趨勢分析及打印，數據瀏覽查詢與打印；在相關畫面上通過選擇數據庫按鈕，實現歷史數據與實時數據的瀏覽與打印。 鉆/修井機電控系統由人機監控組態軟件、控制程序軟件、變頻程序軟件組成。人機界面操作簡單，工藝流程全過程監視、顯示實時信息、歷史趨勢畫面等等。 自動控制系統的構成由綜合控制柜中的PLC S7-315 作為主站，司鉆控制臺內安裝的ET200M、觸摸屏、司泵控制臺內的ET200M、絞車變頻器、自動送鉆變頻器、轉盤變頻器、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，實現鉆/修井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。 LD10-1 油田綜合調整修井機服務項目在正常工作時，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、轉盤扭矩限幅等參數和功能的設定。 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，使得用戶可以在無說明書的情況下進行監控參數更改、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，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，再通過手輪設定扭矩限幅，給定當前的工作所需扭矩限定值，然后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幅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，轉盤輸出扭矩動態工作在扭矩限幅設定的范圍內，當出現井下異常情況、轉盤扭矩超過扭矩限幅設定值時，變頻器維持扭矩限幅設定值，超過設定時間時，變頻器報故障、停機，并與轉盤慣性剎車聯鎖動作，實現轉盤扭矩限幅保護，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幅設定手輪，隨時調整轉盤扭矩限幅值的設定。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。采用變頻器的扭矩限幅功能，以及無級調速功能，可以省去液力變矩器，從而提高能源利用率，降低系統故障率，減少維修成本。

5、閉環矢量控制優勢 采用變頻器，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 通過采集主電機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，實現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,不僅可大幅度地提高鉆井時效，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，使得絞車驅動電機在零轉速時也能輸出額定轉矩(懸停狀態)，這是直流電機驅動鉆機所不能比擬的。

6、故障分級處理 系統出現警告類故障時，司鉆臺遠程復位即可繼續使用；出現嚴重故障時，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 系統配置有熔斷式隔離開關，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，可實現快速安全保護，提高產品可靠性，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&電控系統內部圖

四、總結 該系統選擇了我司生產的HE300工程型變頻器產品。通過與客戶的通力合作，定制化開發，滿足了海洋石油現場高鹽霧、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：國產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。尤其我司設計的IGBT單元式封裝結構，大大減小了變頻系統的體積，并且在兆瓦級功率等級變頻器創新地實現了單人現場拆裝維護。

該系統項目的成功應用，將加快海洋石油鉆/修井平臺關鍵電控部件系統國產化的步伐，推動海洋平臺行業產業升級，也提高了設備的綜合運營效益。