10kV高压变频控制的石油钻机电驱系统

摘要：本文以石油钻机“电代油”技术为研究背景，研究10kV高压变频器控制的电驱动石油钻机，并与石油钻机现有主流驱动方案对比。

关键词：石油钻机驱动 电代油 高压变频 节能

1、行业现状

1.1 概述

目前大部分钻机依然采用柴油机驱动方式，而石油资源愈加紧张，节能减排的压力越来越大，企业降本增效的要求越发强烈。因此，为了提高钻机工作的可靠性、先进性和经济性，降低钻井成本和工人的劳动强度，降低噪音、减少污染，对使用柴油机驱动的钻机进行“电代油”技术改造已成必然趋势。随着电网的不断发展，各个地区电网密布，已基本上不存在电力不足的因素，推广应用前景非常广泛。

1.2 “电代油”技术现状

现在主流钻机的“电代油”技术改造方案有以下两种：

①.750V直流调速控制方案

该技术方案非常成熟，已运用近百年时间，可以连续平滑无极调节。缺点是调速范围有限，不能做到从0～100%调整;电流大，散热损耗大;直流电动机的换向器和碳刷需定期更换，保养维护麻烦;换向器和碳刷接触点有火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境;调速有回馈制动过程，有能量损失，对电网有一定冲击;调速后转矩需经过一段时间波动才能重新达到稳定;响应速度较慢，不能快速调节。

②.690V交流变频调速方案

技术成熟，已有几十年的运行经验;任何转速下电动机的转矩恒定;无极调速，平滑性好;调速响应速度快;可平滑启动和停机，对电网和设备无冲击;电动机结构简单，免维护，无火花放电，适应各种环境;无需停车，电动机可在任何状态下启动。缺点是对于钻机采用的大功率电动机来说，电流大、散热损耗大;大电流设备较同功率的高压设备价格更高。

1.3 高压变频器发展现状

1.3.1高压变频器技术简介

高压电动机广泛用于水压机、引风机、破碎机、水泵、鼓风机、磨煤机、轧钢机、皮带机等大型用电设备，以前受限于高压变频器技术未能突破，只得采用液力耦合器或机械变速箱调速。

现在最主流的“功率模块串联多电平高压变频器”采用8台690V低压变频器串联的方式实现高压，是电压源型变频器。它的输入侧采用移相降压型变压器，实现48脉冲的整流方式，满足国际上对电网谐波的最严格的要求。在带负载时，电网侧功率因数可达到95%以上。在输出侧采用多级PWM技术，dv/dt小、谐波少，满足普通异步电动机的需要，是现阶段解决10kV电动机调速最好的办法。功率电路采用IGBT作为逆变元件，标准模块化设计，当变频器模块出现故障时，更换简单。

1.3.2应用案例

高压变频器多用于调速范围较大的风机、水泵、压缩机、皮带运输机、水压机等负载，要求控制精度高、转矩恒定、节能效果明显。自2011年起在电力、水泥、冶金、石油化工、设备制造、市政行业、港口岸电已有上几百个项目，上千套高压变频设备投运，而且高压变频器市场规模迅速增长 可以说明高压变频器已经是技术稳定可靠的产品。

2、技术和经济分析

2.1 改造方案简介

经过分析，石油钻机可采用替换1至2台柴油机为电动机，并备用1台柴油机方案。既可验证技术的可行性，费用支出也较低，而且保留1台柴油机动力，不必担心停电或设备故障造成钻井施工受影响。选用输出参数与现有柴油机接近的10kV高压电动机替代钻机柴油动力，通过成套可移动的高压柜、高压变频器、PLC控制柜等组成的HVFD房保护和控制电动机，钻井平台上配备1至2台现场操作台，可查看电动机运行参数、调整电动机转速和启＼停电动机。

2.2 优势

2.2.1.技术优势

（1）技术成熟，近十年来已大量用于替换大型电动机直流调速设备;

（2）额定转速以下电动机的转矩恒定;

（3）无极调速，平滑性好;

（4）调速响应速度快;

（5）可平滑启动和停机，对电网和设备无冲击;

（6）电动机结构简单，免维护，无火花放电，适应各种环境;

（7）无需停车，电动机可在任何状态下启动;

（8）电流小，散热需求较低，运行噪音小。

2.2.2.经济优势

（1）采购成本更低

例如：为5000米钻机配套的动力系统，采用柴油机和发电机动力系统成本约350万;采用直流调速电驱系统需要近400万;采用低压交流变频电驱系统约需300万;而高压电驱系统仅需250万左右。

（2）使用成本极大降低

高压电驱系统较柴油动力节约费用75%以上，比直流调速系统节约费用30%以上，与现在最主流的低压交流变频驱动系统对比也有7%以上的节能效果。

同样以5000米钻机为例，按钻机月耗电量22万度估算，电费均价0.6元/kwh。以直流调速系统为基准，其总体电能转换效率约63%，每两个月更换一次碳刷0.5万，月使用成本=22*0.6+0.5/2=13.45万元。

690V交流变频，其总体电能转换效率约83%，无维护费，月使用成本=（22*0.63/0.83）*0.6=10.01万元。

10kV交流变频，其总体电能转换效率约90%，无维护费，月使用成本=（22*0.63/0.9）*0.6=9.24万元。

190型柴油机燃油消耗量（209.4g/kw·h），柴油密度845g/L，0#柴油8元/L，忽略机油消耗，月使用成本=（209.4*22/0.845）*8=43.6万元。

（3）更能适应野外作业环境

钻机经常需要各地搬迁，而高压变频驱动系统体积较低压设备更小，长途运输费用节约一半（因为低压驱动系统需要至少两辆板车才能完成运输，而高压变频驱动仅需1辆）;

再有深井钻探中最常见的“同一作业区域内多井眼连续钻探”场景中，现有低压VFD房必须随钻机搬迁，而每次搬迁后重新接电、试验、接地网敷设等费用接近10万元，而高压系统供电距离非常远，几公里供电范围内HVFD房都不需要搬迁，大大节约了搬迁成本;

另外，电机电缆使用成本也更为节约，低压电机需要3拼以上的185电缆供电，相当笨重且采购价格高昂，而高压设备仅需1根50电缆，大大降低电缆采购、敷设和拆除成本。

总结

采用10kV高压变频器控制的电动机驱动石油钻机，能耗大幅降低，噪音下降效果显著，对比柴油机驱动系统还有井场及周边无尾气污染，动力性能提升显著，处理事故能力增强等优点，其经济效益和社会效益均有极大提高，推广应用前景非常广泛。

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作者介绍：

姓名：刘茂宇（1985-），四川盐业地质钻井大队，输配电及用电工程高级工程师，研究方向：电气设计。