ABB变频器在石油钻机中的应用

ABB变频器在石油钻机中的应用

李银顺

中海油田服务股份有限公司油田生产事业部深圳基地 广东省深圳市 518067

摘要：石油钻机是石油开采过程中所应用到的重要设备，当前随着相关技术的不断成熟，石油钻机设备也得到了相应的更新，正在向着智能化、信息化的方向发展。而就石油钻机设备现状来看，传统直流电机驱动的方式已经无法满足当下石油生产在效率和质量方面的要求，利用交流变频控制系统已经是势在必行。ABB变频器就是一种重要的电机控制器，将其应用到石油钻机中，能有效提高石油钻机的效率和质量，本文以此为出发点，就ABB变频器在石油钻机中的应用进行了深入的探讨，希望能够为石油钻井相关工作的进行提供一定的借鉴意义。

关键词：ABB变频器；石油钻机；应用分析

我国对石油资源的开采和利用已经有相当长一段时间，在过去的石油钻井过程当中，钻机多使用直流电机，虽然在过于一段时间内满足了石油钻井需求，但是随着石油工业的不断发展，直流电机在石油钻机中的应用弊端也逐渐显现出来，其已经无法满足当下石油钻井对钻机的要求，而ABB变频器虽然有着巨大的应用优势，但是其在石油钻机的实际应用仍然存在一定盲点，在这样的情况下，就ABB变频器在石油钻机中的应用进行研究，对推动石油行业的发展而言，有着非常积极的意义。

1.ABB变频器及其原理概述

1.1ABB变频器的含义

所谓ABB变频器，也就是由ABB公司所研究生产的一种交流变频器，其主要用于对三相交流异步电机转速和转矩的控制。ABB属于当前市面上较为先进的一种交流变频器，其不仅功能较多，并且具备极高的稳定性，过载性能也比较优秀，在对电机的控制方面表现出较好的动态特性，能够实现电机低速高扭等输出。ABB变频器的这些性能特点使得其能够适应石油钻井电机的控制环境，在石油钻机中有着巨大的应用空间。

1.2ABB变频器的原理分析

ABB变频器的对电机的控制原理在于其首先需要通过整流滤波作用，将380伏特的交流电转化为510伏特的直流电，继而在逆变器的作用下，将此510伏特的直流电转化为频率和电压均可以进行灵活调节的交流电，在使用的过程中只需要通过ABB变频器调整最终的交流电压和频率，就可以实现对交流电机的控制作用，达到电机无极变速的目的。在ABB变频器的作用下，电机所接受的交流电压和频率不再固定，其速度及转矩就可以根据实际需要进行精确的控制，使得其工作效率得到了进一步的提升。ABB变频器又被称之为标准变频器，不论是安装、设置还是使用，均十分简单和便捷，在各个领域的电机控制中均有着广泛地应用范围，石油钻机中的也同样如此。

2.石油钻机对电机的工作要求分析

石油钻机中对电机的应用主要有三个方面，分别是绞车，转盘、以及泥浆泵，下面就这三个方面分别进行论述。

2.1绞车系统

绞车主要是用来提升和下放钻杆、井架等设备，随着石油钻井深度的增大，绞车的工作时间也会相应的延长，荷载也相应的有所增大，因此绞车系统对电机的要求在于其能够进行正反转，以满足提升和下放的需求，并且要具备较大的荷载变化范围和一定的过载能力，以适应绞车随着钻井深度增加荷载增大的情况。

2.2转盘系统

转盘属于钻井系统的重要组成部分，钻具向深处钻进作用的实现均需要转盘来进行带动，也就是说转盘的压力和转速直接决定了钻井的速度，而在实际钻进过程中，转盘有正转和反转两种需求，若是转矩波动过大，正转时钻杆容易断裂。反转时容易脱落，因此转盘系统对电机的要求在于其不仅能够具备一定的正反转能力，同时还要保证稳定的转矩输出，可以承受短时间内的过载，并在发生故障的时候及时刹车，进而才能确保钻进过程的顺利性。

2.3泥浆泵系统

泥浆泵主要起到泵送泥浆的租用，在钻井的过程当中，通过泥浆的注入一方面达到冷却钻头等钻具的作用，另一方面则将钻井过程中产生的碎屑通过泥浆带出来，同时泥浆还能起到一定的平衡压力作用，避免井壁坍塌、井喷等情况的出现。泥浆泵送过程中需要调整的是输送冲数和压力，这与电机的转矩和速度有着直接的关系，因此泥浆泵系统对电机的要求在于其具备精确地速度和转矩调节能力，以确保泥浆泵送的准确性。

通过上文的论述我们可以知道，石油钻机对电机有着多方面的要求，而通过ABB变频器数字控制的方式，能够实现对电机的精准控制，以促使其满足石油钻机短时间内过载、自动刹车等方面的要求。

3.ABB变频器在石油钻机中的应用

目前在石油钻机中应用最多的是ABB集团的AC800系列的变频器，以50DBS石油钻机为例，共有五台电机，绞车两台、转盘一台、泥浆泵两台功率均为600kw，对变频器的选型如下：

3.1整流单元

整流单元需要将（DSU）ACS800-704-2721-7以及两套3×D4结构整流单元进行并联，由交流母线接收600V的交流电，通过断路器实现整流单元的供电。

3.2逆变单元

逆变单元的主要作用在于将直流电转化为电压和频率均可以控制的交流电源，实现对电机速度及转矩的控制，通常采用R8i的逆变模块，主控板对R8i的逆变模块的通讯主要依赖于光纤分配器的作用，借助通讯系统的作用达到控制逆变器以及检测参数和保护的作用。绞车电机需要两个R8i的逆变模块，功率900kw，转盘电机安装两个R8i的逆变模块，功率900kw，泥浆泵电机安装三个R8i的逆变模块，功率1400kw。这种模块化的安装具备一定的冗余性能，每个模块都是独立的，即便是其中某个模块出现故障，也可以调动其他模块来继续运行。

3.3能耗制动单元

能耗制动单元主要由房外制动电阻和斩波器组成，其中逆变柜中的斩波器需要安装两组六个，以当直流回路中的电压大于设定值的时候，接通能耗电路对电能进行消耗，释放多余的能量。房外制动电阻安装四组，长时制动功率1000KW，制动电阻单元和斩波器单元相互配合，对于逆变装置所产生的回馈能量进行消耗，达到能耗制动的目的。

3.4自动送钻单元

自动送钻单元采用的ABB变频器具体参数为400V/55KW，其与能耗制动单元共同作用，实现了对电机的四象限运以及无极调速、零速悬停等功能，在操作上也比较简单，安全性较高。自动送钻系统的自动性主要体现在其通过精密的压力变送器以及控制系统的作用下，能够对钻压、钻速以及转盘的扭矩进行精确地控制，实现恒压、恒速、恒扭矩等送钻模式。在实际的钻进过程当中，若是钻压、钻速或者扭矩过大，超出限定值的时候，自动送钻系统还会发出警报并对超出限定值得参数进行自动的调整，避免了卡钻等情况的出现，保证了系统的稳定性。

4.ABB变频器在是石油钻机中的应用优势分析

通过上文的分析可以发现，ABB变频器特点鲜明，也使得其在石油钻机中进行应用时，有着非常大的优势，很大程度上满足了石油钻机在钻井方面的工作要求和工艺标准。ABB变频器最为明显的优势在于，其通过数字化控制的方式实现了对电机的精确控制，即便是控制单元不同，也能够基于精确的参数设定实现数台电机并联驱动，同时还能够将每一台电机的功率差控制在很小的范围之内。以绞车电机为例，若是出现过载的情况，系统并不会立即停止工作，此时未应用ABB变频器的电机就需要设定固定的制动时间，配合对应的刹车系统才能进行刹车，而应用了ABB变频的电机不仅制动时间可以随意设定，同时还能给实现自动刹车，使得电机运行的安全性大大提升。此外，使用了ABB变频器的电机不会出现谐波污染，相对于以往电机的应用而言，是一种非常大的改善。

结束语：

综上所述，当前随着科技的不断进步，传统石油钻机设备已经无法满足当下石油钻井需要，ABB变频器的应用使得石油钻机变得越来越数字化和自动化，合理对其进行应用，能有效提升石油钻井的质量和效率，这对推动我国石油行业的发展而言，有着非常重要的帮助作用。

参考文献：

[1]朱延杰.公共直流母线变频技术在石油钻机中的运用[J].中国新技术新产品,2019(22):44-45.

[2]冯佳佳.变频器在石油钻井中应用的常见问题及对策[J].当代化工研究,2019(02):54-55.

[3]王永江.变频器技术在石油钻机中的应用[J].设备管理与维修,2017(10):26-27.

[4]张伟.ABB变频器在石油钻机中的应用研究[J].中国石油和化工标准与质量,2013,34(02):156.