直流钻机系统在自升式钻井船上的应用

黄 波 海油工程股份有限公司设计公司 300451

直流钻机系统在自升式钻井船上的应用

黄 波 海油工程股份有限公司设计公司 300451

介绍了直流电动钻机在国产钻井船上的应用情况，着重说明和分析直流电动钻机的调速原理。通过工程实际，推荐最优运行工况，达到节能、提高系统电能质量的目的。

直流电动机；调速特性；无功功率；钻井船

一、引言

200米自升式钻井船较常规海洋石油平台，电网容量有限，且电力负荷中存在大量的直流设备。它们的经济运行直接影响到整个电力系统的电能质量，并关系到系统的节能降耗。本文以直流钻机的应用为例，分析说明直流电动机在不同工况下的运行特点，选取最佳运行方式。为今后直流电机在有限容量电网中的经济运行提供技术参考。

直流电动钻机系统一般包括：泥浆泵、转盘、绞车和控制台等。钻机系统的突出特点是对电机的调速性能要求较高。直流电机结构复杂（有换向器）、成本高、需要较多的维护和保养，应用不如交流电机广泛。但是，直流电机具有良好的起动性能和调速性能，仍然广泛地应用于对起动和调速要求高的生产机械中，特别是在陆地及海上钻井平台系统中。

二、自升式钻井船直流钻机系统的应用

下面以海洋石油工程股份有限公司为中海油服承建的4艘L780船型200米自升式钻井船为例，介绍一下钻井船直流钻机系统：

1、传动系统

整个可控硅整流系统有5个可控硅柜、1个电磁刹车柜。采用ACSCR-DC的电传动方式。绞车为三拖一、转盘为二拖一、泥浆泵为一拖一。但通过切换柜逻辑互锁关系控制通路来保证每组可控硅只对应控制一套设备。通过对可控硅元件的控制，将恒压，恒频交流电源整流成连续可调的直流电源，从而实现无级调速，满足传动要求。为了保护整个系统，在进线的母排上安装了电流互感器，并将检测到的数据传输到6RA70直流调速器上，这样确保了传动柜的结构紧凑，保护措施严密，安全性能高，工作效率高。具体请见图1。

2、控制柜

电磁刹车柜：

电磁刹车柜配备Siemens /6RA70系列直流调速器一台，为电磁刹车装置提供调节的直流电源。电磁刹车在下钻、打钻时使用，原理是通过克服悬重力，使大钩以一定速度向下运动，达到下钻和打钻的目的。

图1 钻机系统主电路图

图2 串励电机等效电路图

切换柜：

柜内安装了16个直流接触器，可利用柜内设定的逻辑关系实现可控硅对直流电机的一对一控制。此外，还可用直流接触器改变直流电机电枢的电流方向，实现转盘及绞车的正反转功能。

3、高压泥浆泵

两台泥浆泵采用两套西门子SCR直流调速器驱动，其速度控制可通过现场总线在司钻控制台上由司钻进行速度调节和设定。在泥浆泵房装有泥浆泵现场控制台，可以实现本地操作（启动、停止、调速、测试等）。

泥浆泵采用全数字直流调速控制系统，在转速较低时可以持续运转，且能提供连续转矩，启动转矩高。在恒功率时有较大的调速范围，体积小、可靠性高。利用此系统驱动泥浆泵可方便的调节泥浆泵的排量，减少泥浆泵缸套的更换次数。

4、 绞车控制

采用西门子SCR直流调速器驱动，其速度控制可通过现场总线在司钻控制台上由司钻进行速度调节和设定。

绞车采用全数字直流调速控制系统，在转速较低时可以持续运转，且能提供连续转矩，启动转矩高。在恒功率时有较大的调速范围，体积小、可靠性高。利用此系统驱动绞车可方便的调节绞车的速度或转矩。

5、 转盘控制

采用两套西门子SCR直流调速器驱动，其速度控制可通过现场总线在司钻控制台上由司钻进行速度调节和设定。

全数字直流调速控制系统，在转速较低时可以持续运转，且能提供连续转矩，启动转矩高、扭矩限制等。在恒功率时有较大的调速范围，体积小、可靠性高。

三、探讨直流钻机的经济运行

首先，使柴油机尽可能运行在或者接近持续功率点，降低耗油率。

其次，尽量提高电网功率因数，降低电流，充分利用发电机组的容量，尽量减少发电机组使用台数，降低油耗，减少机械磨损。

再次，减少直流电机、发电机发热，提高电磁效率。

钻井船使用的直流电机均为串励电机，串励电机等效电路图如图2所示。

通过分析串励电机电磁特性可知：

直流钻机经济运行的方法就是降低直流电机所需的输出转矩，提高转速，降低电流，提高直流电压，从而降低系统发热，提高发电机与电动机的效率，提高发电机的功率因数，使柴油机能以较大的输出功率在低耗油区工作，并尽量减少发电机的运行台数，达到提高经济效益的目的。

在工程实际中可采取如下操作实现经济运行：

首先，在钻井过程中，根据需要选定一定的泥浆泵泵压和排量及转盘转速后，让泥浆泵在允许的较高泵冲下工作；选择尽量低的绞车档位，让驱动绞车电机在较高转速下运转。

其次，在起钻的过程中，根据井下复杂情况，选定一定的起钻速度后，应尽量选择绞车低速挡位，以达到电机低输出转矩，高转速的目的。

此外，中海油服选用直流钻机系统作为钻井船钻井系统还有一个考虑，即中海油服现有钻井操作单元（包括钻井船及钻机模块等），大部分都是直流系统。目前海洋石油处于快速发展阶段，人员及设备都处于满负荷运转状态。若是新建钻井船采用直流系统，可省下宝贵的人员培训时间及费用。现有直流钻井单元与新建直流钻井单元原理及设备都基本相同，现有直流钻井单元上的人员经过短时间熟悉后，即可熟练的投入到实际生产当中。此外，直流系统内功率相近的元器件如可控硅、直流接触器等也可互换，在某些特定时候可节约维修费用及成本。

[1]李先允.电力电子技术.中国电力出版社.2006-09

[2]杨中华.直流调速技术.中国劳动社会保障出版社.2006-05

Drilling rig used in homemade drilling unit

Huang Bo Offshore Oil Engineering Co, Ltd Engineering Company 300451

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.021

黄波 男 工程师，1976年生，1999年参加工作，电气工程师。