石油装备变频驱动方案

目录一石油钻机1.石油钻机概述 (3)1.1 气动钻机 (3)1.2 电动钻机 (3)2.变频器在石油钻机中的应用状况 (4)3.陆地石油钻机动力部件变频驱动分析 (4)3.1 转盘变频驱动分析 (4)3.2 绞车变频驱动分析 (5)3.3 自动送钻变频驱动分析 (6)3.4 泥浆泵变频驱动分析 (7)3.5 石油钻机注意事项 (8)4.陆地石油钻机变频驱动方案初步建议 (8)4.1 自动送钻变频驱动方案 (9)4.2 独立转盘变频驱动方案 (9)4.3 独立顶驱变频驱动方案 (10)4.4 单传动变频驱动方案 (10)4.5 多传动变频驱动方案 (11)4.5.1 绞车变频驱动方案 (12)4.5.2 泥浆泵变频驱动方案 (15)4.5.3 多传动方案 (16)5.车载钻机和修井机 (17)6.关于海洋石油钻机 (18)二油田抽油机械1.磕头式抽油机高效节能调速方案 (19)1.1 磕头机工作原理 (19)1.2 磕头机变频调速的优点 (20)1.3 磕头机的高效节能调速方案 (21)1.3.1 磕头机高效节能调速方案一 (21)1.3.2 磕头机高效节能调速方案二 (21)2.潜油电泵抽油机的变频调速 (21)2.1 潜油电泵概述 (22)2.2 潜油离心泵变频驱动分析 (23)2.2.1 潜油离心泵采用变频调速的理由 (23)2.2.2 中压1140V潜油泵变频驱动方案 (23)2.2.3 2300V潜油泵变频驱动方案 (23)3.螺杆式抽油泵 (24)4.地面直驱螺杆式抽油泵 (24)5.直线电机抽油机 (24)6.其它抽油设备 (25)三油田注水泵1.油田注水系统概述 (25)2.注水泵变频节能调速 (25)2.1 注水泵概述 (25)2.2 注水泵变频调速分析 (26)四输油泵1.石油管道行业概述 (27)2.输油泵变频调速分析 (27)五天然气井抽气一，石油钻机1. 石油钻机概述石油钻机是石油装备中最重要的一员，它为整个石油行业链条中最为关键的环节工作。

钻机，就是用来打井的机器，但石油钻机(Drilling Rig)不同于普通钻机，它的最终目的是找到石油并且为开发石油打好通道，所以，它的目标在地下深处，钻机深度一般为1000至7000米，有的先进钻机可钻井深度达9000米。

石油勘探过程中，石油钻机承担钻勘探井的任务，石油规模采集时，石油钻机又承担大规模钻开采井的任务。

可见，石油钻机在得到石油过程中扮演着发现者和开路者的角色，是整个行业的关键装备。

另外，石油钻机也可以去钻天然气井，钻探不深。

石油钻机可以按照如下方式进行划分，各种分类互相交叉。

石油钻机按使用环境分类：⑴陆地钻机⑵海洋钻机⑶车载钻机按驱动方式分类：⑴机械钻机⑵气动钻机（国内井队用的比较多）⑶电动钻机（国外普及较好，国内钻机普及程度较低）钻机的主要机械动力部件有一台转盘，一台绞车，若干台（1到3台）泥浆泵。

机械钻机无电驱动，车载钻机基本为机械驱动，有改造潜力。

1.1 气动钻机转盘由一台600~800KW的变频调速电动机驱动；绞车的驱动设备由主驱动设备和辅助驱动设备组成，主驱动设备用柴油机作动力，辅助驱动设备用一台37~45KW的异步电机驱动；泥浆泵由柴油机驱动。

1.2 电动钻机转盘一般由一台600~800KW的变频调速电动机驱动；绞车的驱动设备由主驱动设备和辅助驱动设备组成，主驱动设备一般由2台600~800KW的变频调速电动机驱动（小型号钻机可能只由1台1000KW甚至更低的电机电机驱动），辅助驱动设备用一台37~45KW的变频调速电动机；泥浆泵一般由一台1200KW 的变频调速电动机驱动。

所有驱动电机根据钻机的型号不同而不同。

电动石油钻机主动力部件由变频器驱动，与柴油机驱动相比，有以下优点：可实现无极平滑调速，控制随心所欲。

以往的柴油机驱动装置主要靠调节传动变速箱档位来调节绞车和泥浆泵的速度，是气动控制的无级调速，而变频器是在额定转速内无级调速，这样就更加适应不同的工况尤其是低速时操作的简单性。

控制更简单更安静更省力，并且可以简化机械变速箱。

传统机械钻机的传动控制核心是各柴油机系统的变速箱，在司钻室有很多的硬件电路开关和气动阀门开关，整个操作室显得非常臃肿，气路管线也非常的多，往往简单的设计原理用了复杂庞大的电气线路和操作台面。

电动钻机中由于变频系统占据着传动控制的核心，它的融入全面提高了钻机控制系统的自动化和集成化，司钻室电气线路和操作台大大简化，操作方式甚至都由此发生了革命性的变化,所有控制都在一个HMI上完全完美的集成，司钻左椅上的绞车速度给定手柄操作起来更加舒适以致现在成了司控人员操作绞车首选的操作手段。

在启动动力设备时再也不会听到噪杂漫天的柴油机噪声，司钻室里也再也听不到气动阀排气的声音，司钻在钻进过程中再也不用时刻手握刹把机械送钻了。

由于电动钻机不再以控制变速箱为调速手段，所以大大简化了传动变速箱系统，并用电动机取代复杂的柴油机。

节能效果显著。

传统的钻机的柴油机油门是粗放的档位控制，柴油机驱动效率低下，而且机械齿轮链条传动有很大的功率损失，变频调速系统则很好的解决了这个问题，发电机组发电到电传系统用电都采用了当今先机的控制技术，使电能用多少发多少，浪费极小。

无需配备电磁刹车系统，节约成本减少故障点。

传统的气动钻机在绞车下放和钻机过程中，需要电磁刹车来辅助下放钻杆和钻进，使下放和钻进平稳，而变频调速系统电动机本身就具有这种电磁特性，电磁刹车装置便可以省除了，相应的故障点也没了。

启动时机械冲击降至最小，可延长机械的使用寿命。

传统的柴油机驱动控制的直接驱动机构为传动变速箱，且结构复杂，柴油机的控制又很粗放，每每启动设备时必然伴随着严重的机械冲击，变频调速系统应用后，大大简化了机械传动机构，而且变频器有着很高的控制性能，可以实现软启动，机械冲击将降低到最小。

井场规划布局更节地更合理。

传统的钻机每台泥浆泵和绞车都必须由一台体积较大的柴油机驱动，加上机械传动装置，规划布局显得拥挤。

变频系统只需增添一台体积较小的电动机，机械传动装置也大大简化，新增的发电机组也和原有的发电机组一起构成发电房，设备布局显得井井有条，便于日常井场管理。

可大量减少柴油机有害废气排放。

传统柴油机系统稍遇负载波动就浓烟滚滚，尤其是启动设备之时。

变频系统虽然增加了发电机组，但是，其精准的控制技术使得发电机组的柴油机效率很高，并且启动切换设备时也不用新启柴油机，而且整体来说电动钻机至少比气动钻机少2个烟囱。

所以，全变频电驱动钻机替代全机械半机械和气动钻机是大势所趋，变频器将会在石油钻机改造和新钻机工程项目中发挥不可取代的作用。

图1 陆地钻机2. 变频器在石油钻机中的应用状况新造钻机已经基本采用全变频电动方案，国内的改造工程项目也在增多，目前，石油钻机的驱动变频器大多采用ABB和西门子的品牌，这两家变频厂商已经基本上独揽国内石油钻机市场，国产品牌很难进入。

但是，2006年，山东新风光科技有限公司生产的JD-BP系列石油钻机专用变频调速器成功的在大庆油田应用，并且被科技部列为06年国家重点新产品。

这说明国产变频器的性能完全有能力满足石油钻井工艺的要求。

目前，在石油钻机行业中，国外品牌使用的变频器都是标准配置，并不是专门针对石油钻机而开发的，比如现在广泛采用的ACS800系列变频器，其变频器采用的是ABB的标准7.x软件版本，硬件中也为许多不必要的功能添加了成本，比如过程控制PID功能在钻机中就不可能用到，所以，如果能够按照石油钻机的工艺要求来专门为其量身定制变频驱动器，既可以节约成本又可以在简化的结构中获得高的性能，这是比较好的策略。

3. 陆地石油钻机动力部件变频驱动分析以下以陆地电动钻机50DBS（型号的意思是名义钻井深度最大为5000米的交流变频电动钻机）为例：整个钻机的动力来源由卡特3512B发电机组提供，动力母线上标准的600V，60Hz交流电，传动单元采用多传动方式，由2台整流提供公共直流电来带多个逆变单元。

图2 以上为示意图，整流有整流输入断路器，逆变有合闸开关，直流母线中间为联络开关，电机未画出3.1 转盘变频驱动分析转盘电机参数： ·额定电压 600V ·额定频率 37.5Hz ·额定电流 915A ·额定转速 741rpm ·输出功率 800KW转盘变频器必须具备的基本性能图3 转盘和转盘电动机·要求控制方式 带编码器的高精度速度闭环控制和不带编码器的矢量控制相结合·要求过载能力 要求变频器能承受一定的过载能力，130%/min 过载能力就能完全能够满足工况需要 ·启动扭矩 需要有满载启动的能力·调速范围转盘配有减速箱，1:1000完全可以满足要求·速度控制精度转盘配有减速箱，0.1%完全可以满足要求·为防止转盘在打钻的过程中发生卡钻的情况，变频器应具备类似于挖土机的电流特性或者有良好的扭矩限制能力·具备良好的低频特性，以保证低频时可以输出足够的扭矩。

转盘变频器必须具备的基本功能a)本地功能·速度/频率给定功能·编码器速度反馈接受处理·故障报警继电器输出及查询功能·速度，扭矩极限设置和保护·本地远程的切换b)Profibus远程通讯功能·远程控制（包括正反转）和速度/频率给定·远程扭矩限制设定值（包括正反扭矩限制）·故障报警代码远程可监控功能（故障字和警告字）·各种变频器及电机状态参数（比如电流，转速等）可监控功能·编码器要求有远程投放和切除的功能，用于检修3.2 绞车变频驱动分析绞车主电机参数：·额定电压 600V·额定频率 37.5Hz·额定电流 915A·额定转速 741rpm·输出功率 800KW绞车变频器必须具备的基本性能·要求控制方式带编码器的高精度速度闭环控制和不带编码器的矢量控制相结合·要求过载能力要求变频器能承受一定的过载能力，130%/1min过载能力就能完全能够满足工况需要·启动扭矩需要有120%启动的能力图4 绞车和绞车电动机·调速范围 1:1000完全可以满足要求·速度控制精度 0.1%完全可以满足要求·由于钻井工艺要求，变频器在带编码器时应具备良好的悬停功能·具备良好的低频特性，以保证低频时可以输出足够的扭矩。

绞车变频器必须具备的基本功能a）本地功能·速度/频率给定功能·编码器速度反馈接受处理·故障报警继电器输出及查询功能·速度，扭矩极限设置和保护·本地远程的切换·主从功率（扭矩）均衡模式（刚性轴承连接）·扭矩给定控制模式b）Profibus远程通讯功能·远程控制（包括正反转）和速度/频率给定·故障报警代码远程可监控功能（故障字和警告字）·各种变频器及电机状态参数（比如电流，转速等）可监控功能·主从模式可任意切换（本机为主机或从机可切换）·编码器要求有远程投放和切除的功能，用于检修c) 其它要求·要求具有良好的主从同步性能，尤其是低速，这是由钻进过程中的工况决定的。