变频器技术在石油钻机中的应用

王永江

（中石油长城钻探顶驱技术分公司,北京 100101）

0 前言

作为提高石油行业综合开采效率以及安全性、稳定性的重要环节，石油机械的开发与设计一直是推动石油行业的重要推动力之一。随着经济全球化的不断发展与推动，当前我国的能源行业正处于机遇与挑战的风头浪尖，如何抓住机遇、迎接挑战，是每一个石油工作者都需要谨慎考虑的问题。变频器技术在石油机械中的应用十分广泛，对于石油钻机的工作效率以及稳定性也具有十分重要的影响。要想充分了解变频器技术在石油钻机中的应用现状，就必须先了解什么是变频器技术。

1 变频器技术概述

变频器技术是一种通过电子技术与微电子技术相结合，利用改变电源频率的方式来实现对电机进行精准控制的电力控制设备，在运行过程中通过电力半导体器件来进行工频电源的转化，从而实现频率之间的转化的效果。根据构造不同，一般将变频器分为电压型以及电流型。电压型变频器是通过电压源来进行直流与交流转化的一种变频器，其中，电容作为直流的回路来进行滤波的处理。电流型则是通过电流源来实现直流与交流的转化，直流回路的滤波是电感。尽管从设计原理以及基本构成上存在明显的区别，但是这两种变频技术在本质上，都是通过一定的规律改变脉冲列脉冲幅度来实现对输出量进行调节的，在我国现代工业生产中的应用也十分广泛。

2 变频器技术在石油钻机中的应用

2.1 在石油钻机起升系统中的应用

在石油钻机的起升系统的正常运转中，为了节省能源，提高资源的综合利用效率，企业一般会根据起升的重量以及速度进行综合评定，然后得出电机较为合理的功率来进行能源传输与起升操作，在这个过程中，变频器的作用十分显著。根据数据显示，我国的变频器技术在石油钻机起升中的系统根据起升重量与要求的不同，可以实现平均节能5%～30%，针对一些特殊的工况下还可能更高，可见，变频器对于实现石油行业的机械开采的能源节约功不可没。在运用过程中，需要关注3个方面的问题。

（1）在中低速运转过程中，要通过带转速反馈的方式来进行功率控制与调节，对于电机的调速可以根据实际运转情况进行适当降低，但是要以不影响正常工作为基准，不可以过分注重能源控制而影响了工作效率与安全性。

（2）吊钩上升过程中，可以通过保持低速来实现最大扭矩的方式来提升吊钩的上升动力，从而消除传动间隙中出现的钢绳拉紧的问题，以提升运输的稳定性。

（3）制动过程中，可以通过电磁机械制动与直流制动相结合的方式来实现制动，优点是在直流制动出现机械故障时，不至于影响到电磁机械制动的控制，而相反如果电磁机械制动出现故障，也可以通过直流制动来实现紧急制动，从而提升了制动的安全性，提高了企业的风险抵御能力。

2.2 在石油钻机控制系统中的应用

变频器技术在石油钻机控制系统中的主要应用，是针对系统的可靠性以及安全性来进行设计与安装的。这是由于PLC可控编程系统本身具有高速节能抗干扰的作用，当应用在石油钻机的工况条件时，往往可以通过取代传统电磁继电器的方式来实现多点联控，不但提高了控制的稳定性，还能够避免由于恶劣的户外工装条件影响到电磁继电器的正常运转，从而造成不必要的危险与隐患。另外，由于石油钻机在实际运作中需要对上百吨的重物进行吊装，对于变电器的运行稳定性以及整体工作性能要求非常高，而变频器通过电机电流来实现精准电力控制，再与PLC的技术相结合，从而实现更高效的控制工作，为石油钻机的控制提供了安全与保障。

2.3 在石油钻机空气热水系统中的应用

石油钻机的热泵操作系统控制的主要目的，是通过降低运转泵的电机轴承温度来节约燃料，实现降低运行成本的目的。而在这个过程中，变频器的作用也主要体现在自动对温度进行感知，然后按照人工设计的方案进行控制，达到节能的效果。另外，随着科学技术的发展，当前也有一部分企业尝试使用通过露天热交换的方式来进行冷凝水与热能的交换，效果也很好。

3 变频器技术在石油钻机中应用的关键问题

3.1 干扰问题

干扰问题一直是困扰石油钻机中变频器技术应用的头号问题，特别针对变频器对微机的控制板的干扰而言，一定要引起高度的重视。特别是近些年来一些石油钻机的设备较为老旧，微机控制板的设计工艺已经落后，在采用变频器的过程中难免会出现传导和干涉现象，从而导致操作系统工作异常问题的出现和发生，严重影响到正常的变频设备的使用。针对类似问题，可以通过给微机安装EMI滤波器的方式来降低和抵抗干扰的影响，如果效果不佳，可通过采取抗干扰措施来进行模拟传感信号与控制信号的隔离，这样就不会出现变频器受到高频冲击影响，而影响正常工作。

3.2 环境问题

由于石油钻机的工作环境相对恶劣，再加上一些钻机在应用过程中受成本限制，没有大量的资金可以投入到变频器控制房的建设中，所以变频器在实际应用中经常会处于高温、布满粉尘的工作环境中，不仅影响到变频器的使用状态以及使用寿命，还会产生一些安全隐患。为了降低环境问题所带来的影响，除了通过强化现场管理，加强资金投入，改善变频器控制房间的环境外，还可以通过改善控制柜的设计来实现减少粉尘，以及减少水分对变频器正常运转的影响。在控制柜的安装过程中，也要充分考虑到安装技术以及设计对后续工作的影响，特别是安全以及稳定的影响，做到科学、合理的设计手段，从而真正实现保障其功能性的目的，这也是预防工作环境对变频器影响最为有效的手段之一。

3.3 稳定性问题

电网稳定性也是一个影响变频器正常运转的关键问题之一，出现的原因是电网在高频冲击负载的条件下往往会出现电压闪变的情况，从而导致一个车间中上百台变频器出现电网谐波，从而影响到整个电力网络系统的稳定性，同时还会对硬件构成一定危险，严重的会直接破坏设备。由于问题的突发性较强，往往难以进行根治，只能强化前期的工作来防患于未然。例如，可以通过用户增加无功静补装置来实现提高电网功率的目的，同时还能够协助改善电网质量，强化电网稳定性。由于这样的整流方式能够集中变频器的谐波，在实现节能的同时，还能够降低网络波动的可能性，更加适合电动以及发电运行场所。此外，对于一些稳定性变化不大的地区，也可以通过在变频器中加入滤波器来实现减小谐波的效果，好处是成本低、见效快。如果追求长期的效果，还是建议使用PFC装置，但此装置的造价较高，所以成本压力依然很大，需要根据企业实际状况进行选择。

3.4 故障问题

变频器故障主要集中在电机的漏电，以及轴电压的电流控制等方面。在高频PWM脉冲的输入中，特别是当电网出现波动时，容易引发对地漏电流以及轴承电流的问题。为此，首先要对旧设备进行专业的技术改造，在改造的过程中应按照科学、标准的方法安装变频器，否则就容易出现绝缘损坏的问题，从而影响到正常的使用。在完成旧设备的变频改造后，第一时间要进行绝缘测试，在达到相应的绝缘标准后，才可以视为通过要求。其次，对于潜水深井泵的负载设计，也要通过接地阻抗电机进行计算，计算值要小于ZE变压器及ZE变频器之和，这样才能够形成良好的地环流，实现预期的抗干扰效果。

4 总结

综上所述，作为一种高效、环保、稳定性强的先进技术，变频器技术已经逐渐在我国的石油钻机中得到广泛应用，并且也逐渐成为未来技术研发的主流方向，对国家的石油能源行业发展起到了积极的促进作用。在变频技术的应用过程中，通过对石油开采控制系统、起升系统以及热水系统等进行干预，在极大提升工作效率与稳定性的同时，还提高了安全性能，为安全生产起到了保驾护航的作用。但是，由于变频技术属于一种精度较高的电子技术，在使用过程中需要做好适当的漏电保护以及故障维修工作，时刻保持在最佳的运行状态，只有这样才能使变频器技术发挥得最好。

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