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1200KW/600V国产变频器在油田钻机泥浆泵上的应用

--1200KW/600V国产变频器在油田钻机泥浆泵上的应用

供稿:新风光电子科技股份有限公司 2010/10/21 10:10:00

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  • 关键词: 泥浆泵 变频器
  • 摘要:本文主要阐述了1200KW/600V变频器在油田钻机泥浆泵上的应用,并着重分析了其具有的主要性能特点和一些特殊功能。钻机设备的变频驱动也代表了钻井技术的发展方向。

Abstract: This article mainly elaborated the application of 1200KW/600V inverter to drilling machine mud pump in the oil-field, and emphasized to analyze it to have of main function characteristics and some special functions. The Inverter which  the drilling equipment drives to also represent the well drilling technical development directions。
Key words: Mud pump ,Inverter,Cell-parallel,Three-level
1. 引言
  泥浆泵是油田钻机最主要的设备之一,它的正常运转和工作效率直接关系到油井的经济建设和成井率。由于其钻井工艺的特殊性,对泥浆泵的电控设备要求特别苛刻,特别在变频器选用上非常谨慎,长期以来一直是国外产品的天下。由于国外变频器存在价格昂贵,调试周期长,维修周期长的特点,油田上因变频器故障得不到及时维修 , 造成质量事故的现象时有发生。在这种形式下,我公司自主研发了可替代进口机的专用变频器。该变频器体积小,重量轻,便于安装、调试、维护方便,效率高,性能稳定。
  变频驱动泥浆泵较传统机械驱动有以下优点:节能,操作简单,无级调速,控制精度高,工作效率高。变频技术在油田钻机泥浆泵上的开发应用,不仅提高了钻机的水平,改善了钻机的操作性能,更重要的是加强了钻机的作业能力,提高了钻井效率和质量。 

    
 
    图1    1200KW/600V变频器运行现场
2.泥浆泵循环工艺
  在钻井过程中,共分为起落井架,钻进,泥浆循环,钻具更换,下套管,测井等几大工序。主要设备分为绞车,转盘和泥浆泵等。而泥浆泵则相当于整个钻井设备的心脏,它所输出的泥浆的作用类似于人体内的血液。泥浆从钻杆内部自上而下注入,流过钻头后,再从钻杆和井壁的缝隙自下而上流出,在这一过程中,泥浆协助钻头冲击地壳,冷却钻头,带出碎屑,而更重要的是通过在泥浆中渗入重晶石粉等物质可保持井下一定的压力,以避免井喷,象血液在人体内循环一样,运送营养,带走废物。泥浆泵的压力和冲数分别与驱动电机的输出转矩和速度成正比。
3.技术改造方案
  泥浆泵是钻机的主要组成部分,一旦泥浆循环系统不能运行,不但影响生产,造成巨大的经济损失(如卡钻),还有可能威胁到现场生产人员的人身安全(如井喷),所以对泥浆驱动系统要求具有极高的可靠性 。 我公司是国内最早研制变频器的公司之一,具有大功率变频器多年成功运行的生产经验,且性价比高。根据 “经济、高效、可靠”的原则,胜利渤海钻井公司选择了我公司生产的风光牌 JD - BP33 - 1200Z( 1200KW/600V )变频器,该变频器采用单元并联结构,三电平技术,PLC控制,具备完善的保护功能,自动化程度高。
3.1泥浆泵供电系统组成框图
  该系统组成框图如图2示。
3.2.系统设备参数
(1)柴油发电机组参数
型号             3-1FC6  566-4LA92  
额定容量         1900KVA
额定电压         600V
额定电流         1830A
额定频率         50HZ
功率因数         0.7
(2)变频调速异步电动机参数
型号             YJ13×4
额定功率         1200KW
额定电压         600V
额定电流         1354A
额定转速         1000 r/min
额定频率         50.5HZ
功率因数         0.9
冷却方式         强迫风冷
(3)泥浆泵参数
型号             F-1600
额定功率         1193KW
齿轮速比         4.206:1
冲数             120 r/min
缸套直径mm       180   170   160   150   140
压力MPa          23.1  25.9  29.2  33.2  35.0
3.3.JD-BP33-1200变频器主要性能指标
额定功率            1200KW
额定输入电压        600VAC  3相
允许电压波动        ±20%
额定输入频率        50Hz
允许频率波动        ±5%
额定输出电压        600VAC 3 相
额定输出频率        50Hz
额定输出电流        1354A
过载能力            1.5 倍电流 1 分钟
过流保护               1.8倍电流立即保护
工作方式               连续
3.4.JD-BP33-1200变频器主要技术性能
(1)单元并联技术
  1200KW/600V变频器由八个完全相同的变频单元组成,八个单元并联输出,如图3所示。
     

                                  图 3     八单元并联接线图
  由于均流电抗的作用,强制八个变频单元的电流相等。这种方法与功率器件直接并联得到大容量输出相比,有如下优点:
a.功率器件直接并联运行,要求并联的器件参数一致性好,同时对于装配工艺要求相当高,而采用单元并联,由均流电抗完成均流作用,可以不要求器件选配,同时对装配工艺的要求简单的多。只要均流电抗选择合适,可以很容易将均流误差限制在5%之内,这是器件直接并联难以达到的结果。
b.器件直接并联的容量与器件容量之和相比并不相等,即器件并联时必须降额使用,并联数目越多,降额越大,当并联数量达到一定数值之后,增加并联器件数量,对增加容量作用甚小,即是说,器件直接并联,其最大容量数值是有限制的。
c.单元并联,则无上述限制。这台1200KW/600V变频器采用八个变频单元并联输出,各单元电流的差值在5%以下,均流系数为0.96。由此,采用同样的器件,用单元并联的方法可以得到比器件直接并联更大的输出。
(2)三电平技术
  在PWM电压型380V级变频器中,一般采用两电平电路。若用两电平电路实现600V的输出,势必要用昂贵的高压管或采用低压管串联结构,由于器件串联动态均压问题不易解决,应尽量避免。在1200KW/600V变频器中,逆变电路部分采用三电平电路或称中点箝位(NeturalPointClamped—Npc)方式, 它不但能输出较高电压,而且能降低输出谐波和电压变化率(dv/dt),良好的波形正是本设计的目的之一。三相输入电压经全波整流后由两组大电容器相串联组成滤波器,两组电容器的连接点即本电路的中心点(三电平的中间电

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