变频节能技术在网电钻机的研究与应用

梁传涛

摘要：目前随着网电钻机的普及，其在发挥大力节约柴油的同时，其自身的一些问题也暴露出来，无论是交流软起网电还是直流电机网电均存在很大的谐波分量和较低的功率因数，使得节能效率不能提高，另外电机碳刷更换及设备故障维修率也占有很大一部分。为此根据目前钻机电代油技术的缺陷，进行了技术升级，进行了四象限变频节能技术研究并投入网电应用，实现了无谐波高功率因数运行技术，同时可以对母线电压进行自动调节，起到了快速稳压的作用，为钻机以及发电机的稳定运行提供了技术保障。

关键词：网电;四象限;变频;节能

0  引言

近年随着我国石油天然气需求量愈来愈大，钻井任务也越来越重，但是由于很多钻机都是60年代和70年代的机械钻机，其性能已经不能适应现代钻井工艺的要求，随着钻井设备的升级更新发展，提出了机械钻机电动改造，以便于老钻机发挥更大的作用。

目前的机械钻机网电改造以直流电机为多，技术也相对比较成熟，但是由于直流电机的碳刷在运转中会产生较大的火花，产生较多的碳粉，给钻机安全运行带来很大的隐患，同时由于碳粉需要经常清洗，也给运行维护带来很大的麻烦，特别是直流电机的碳粉积聚到一定时间，会引起电机端绝缘击穿烧毁，影响正常钻井，也有一些交流变频电机，但是由于使用的交流变频技术不能完全满足钻机对各种钻井工况的需要，故障率比较高。同时这两种技术均存在很大的谐波分量和较低的功率因数，使得节能效率不能提高。[1]为此根据目前钻机电代油技术的缺陷，进行了技术升级，实现了无谐波高功率因数运行技术，同时可以对母线电压进行自动调节，起到了快速稳压的作用，为钻机以及发电机的稳定运行提供了技术保障。

1  主要研究内容及创新点

根据目前机械钻机的配置，一般在70钻机上均为4台柴油机配置，50、40钻机一般为3台柴油机配置，若将其改造为电动钻机有两种改造方法，一种是将联合传动箱取消，由电动机直接驱动泥浆泵和转盘、绞车，使之成为完全的电动钻机，第二种是将现有的柴油机更换为电动机，利用联合传动箱保持原钻机基本状态。

第一种方案需要的电机较多，投资较大，改造工作量也很大，因此我们推荐采用第二方案，对第一方案这里不作专门介绍。

根据目前鉆井工艺，在页岩气开采区域，由于地质情况比较复杂，岩层硬度较硬，均采用了大排量高泵压钻井工艺，在重庆地区要求泵压达到35兆帕，排量达到60～70，按照该工艺要求一般电机配套功率要求达到2340KW，因此建议采用2台1000KW和单台1000KW电机二种的电机配置方案，这样在低泵压小排量区域钻井时采用2台电机配置，在高泵压大排量区域钻井时增加一台电机以满足新工艺要求。

若采用四象限变频器变频技术可以实现谐波高功率因数运行。因此结构非常简单，仅需配置2台变频器，无需配置滤波补偿装置对谐波和无功进行补偿，运行操作更加简单。

成套装置由2台变频器和2台1000KW变频电机组成，在电机平台和司钻房各配备一台操作箱，所有控制电缆和动力电缆均采用航空插头进行对接，方便现场拆装，达到防爆要求。

3  应用情况

该项目于2018年1月在井队投入试用。取得了预期节能及故障率低，电网质量高的效果，深得井队欢迎。

该系统由于采用了先进的四象限控制技术，电机操作十分简单，电机启动时仅需按下启动按钮，程序自动进入启动工作，司钻人员在电机启动后调节升/降速旋钮选择合适转速后即可进入正常钻井工作。

该变频器由于采用水冷散热器，一次电机启动前应先启动制冷机，在制冷剂工作正常后再启动电机。

本系统装置在使用中还具有如下优点：

（1）实现了无冲击启动，对电网和发电机影响很小，可以有效地降低发电机容量。

（2）采用了无谐波变频技术，使得600V母线电压畸变率小于3%，有效改善了发电机和电网电能质量，减少了发电机油耗，满足了电力系统上网要求。

（3）高功率因数运行，在钻井过程中始终保持功率因数等于1，大大提高了发电机效率，减少发电机无功输出电流，起到节能降耗的作用，降低单位电量的油耗，这是目前任何网电设备都不能做到的一项技术革新。

（4）快速稳压作用，我们采用了专门的电压补偿专利技术，可以根据负载电流的变换随时进行电压补偿，保证母线电压始终保持在合格范围，减少了发电机出口电压波动，使得发电机工作更加稳定，发电机容量可以得到充分利用，特别是对燃气机组，经常会因为电压波动太大而跳闸的现象就不会发生了，同时对燃气机组的装机容量也可以降低。

（5）电机无火花运行，提高了钻井安全可靠性。由于交流电机无碳刷运行，因此在运行过程中不会产生火花，这对井场安全保障提供了技术保证。

（6）运行维护简单，成本低。由于交流电机无碳刷运行，因此运行中仅需关注轴承温度，每5000小时加注一次润滑油即可，电机采用了户外结构，在雨雪天气下照常运行。

经济效益：通过该装置的使用，井队相比原有网电大大节省电能及设备维护维修费用;不需要特别的维护，节省了人工成本;根据跟踪调查年平均节省费用150万元，节能率达到50% ，

社会效益：安全可靠，提高了设备管理和钻井施工的的安全系数。是顺应当今设备发展自动化需要的一种改进成果，进一步提高了网电钻机电控系统的可靠性，对钻井作业的施工提供了有力的保障。

4  结论

基于进一步拓展挖潜空间，尽可能减少设备维护维修费用，节省柴油本质消耗及各项成本，提升设备可靠性及钻井生产效率，提出了该项目，并付诸了实施。针对电动钻机或机改网电钻机，进行新型网电技术推广能够减少设备维修，提高功率因素，从而大大节省电能。

5  参考文献

[1] 冯贵通. 三种网电钻机的节能对比分析 [J].电气传动自动化，2015 （5）：55—56