石油钻机电气传动控制系统设计分析 本文关键词：钻机，控制系统，石油，分析，设计
石油钻机电气传动控制系统设计分析 本文简介：摘要：电气传动控制系统是对传统电驱动石油钻机控制系统的改进与完善，目前在电驱动石油钻机中已经得到了初步应用，同时也取得了不错的应用效果。为此，文章从基本结构、控制方式等方面入手，对电驱动石油钻机的电气传统控制系统设计展开了分析，希望能够使电气传动控制系统在石油开采领域得到更为广泛的应用，并为我国石油
石油钻机电气传动控制系统设计分析 本文内容：
摘要：电气传动控制系统是对传统电驱动石油钻机控制系统的改进与完善，目前在电驱动石油钻机中已经得到了初步应用，同时也取得了不错的应用效果。为此，文章从基本结构、控制方式等方面入手，对电驱动石油钻机的电气传统控制系统设计展开了分析，希望能够使电气传动控制系统在石油开采领域得到更为广泛的应用，并为我国石油开采工作做出更大的贡献。
关键词：石油钻机；电气传动控制系统；结构设计
自改革开放以来，我国经济实现了飞速发展，对于石油、天然气等资源的需求量也随之进一步增加，但与巨大的资源需求量相比，我国资源开采技术虽然在近几年已经有所提升，但在开采效率上却仍然存在着很多不足。而电气传动控制系统技术作为石油钻机的新型控制系统，则能够使电驱动石油钻井机的工作效率得到很大的提升，从而为资源开采效率不足这一问题的解决提供有效途径，因此，对于电驱动石油钻机电气传动控制系统设计的研究是非常具有现实意义的。
1电驱动石油钻机电气传动控制系统设计概述
石油钻机作为石油开采钻井工作中的重要设备，其各方面性能的优劣往往会对石油开采效率造成直接的影响，而石油钻机的电气传动控制系统，则是影响钻机性能的关键因素，例如在面对不同岩石时，钻具需要对转速与转矩进行调整，而电气传动控制系统则能够为钻具提供稳定的钻研，并实现钻具转矩与转速精确调整。同时，随着钻井技术的不断发展，近年来石油开采的钻井深度已经非常之深，部分油井的深度甚至超过15000m钻井，在此影响下钻定向斜井、水平井等钻井方式以及先进的钻井工艺开始不断出现，这些工艺技术一方面提高了石油开采能力，但在另一方面也对钻井机械提出了更高的要求，而要想适应钻井机械的全新要求，也必须要对石油钻机的控制系统进行创新，将电气传动控制技术应用到钻机控制系统中来。另外，从内部结构上来看,石油钻机的电气传动控制系统属于钻机的控制中心,具体可分为动力控制系统、传动控制系统、辅助控制系统系统以及主站PLC、从站PLC、控制中心从控机等几个模块，其中传动控制还可细分为直流传动系统和交流传动系统。当前交流传动系统主要以交流变频传动系统为主,根据交流变频钻机在国内发展的10a。它不仅具有功能强大、技术先进、安全可靠等优势,还在与先进的现代钻井工艺结合上有着其它系统无法比拟的优越性,因而交流变频电气传动系统将成为石油钻机的发展趋势。
2电驱动石油钻机电气传动控制系统基本结构设计
动力控制系统是石油钻机的动力来源，同时也是驱动石油钻机的关键所在，一般来说，电驱动石油钻机以电为核心动力，因此其动力控制系统通常会直接接入600V电网电，或是由多个发电机组构成。从具体上来看，动力控制系统主要负责石油钻机的钻速控制、电压控制、做功分配、功率限制、继电保护等方面的控制工作，为保证其控制精确率，整个动力控制系统必须要采取通用模块化的软、硬件结构，同时利用现场总线技术来实现分布式控制，各模块单元均需要设置通信接口，以便于通过微处理器来实现的各模块单元的高效、精确控制，并实现故障诊断、显示、保护等功能。从动力控制系统来看，无论是发电机组为动力还是直接接入工业电网，都是向交流母排输出交流电，并由驱动系统采用全数字化的矢量控制交流变频调速装置，对交流母排上的交流电进行直流电转换，最终输出到公共直流母排上，通过一对一的控制方式来驱动绞车、泥浆泵等主电机[1]。同时，由于动力控制系统故障会对石油钻机的工作效率造成影响，因此动力控制系统中还要利用现场总线技术，对系统中的各种运行参数以及故障信号进行采集与分析，同时通过工控机来实现现场监控及自诊断功能，这样在系统出现运行异常后，工作人员可直接通过人机交互界面中的异常运行参数来对故障或故障隐患进行判断，并由专家根据运行参数来完成故障的综合诊断，给出相应的解决方案，这样既可以降低系统故障，同时也可以大大缩短故障处理时间，从而为石油钻机的工作效率提供保障。
3电驱动石油钻机电气传动控制系统的控制方式设计
3.1控制模式
从目前来看，电驱动石油钻机的电气传动控制系统虽然比较多样，但其控制模式仍然是以一对一控制模式以及一对二控制模式为主。其中一对一控制模式是指控制柜与电机直接建立连接，由一台控制柜对一台电机单独进行控制，每一台控制柜都只能为与之相对应的电机提供控制以及过载保护，而其他电机并不会受到控制柜的影响。在这一模式下，电动钻机内部不仅需要配备与需控制电机数量相同的控制柜，同时还要为单独转盘配备传动柜。而一对二控制模式则是指由一台控制柜对两台电机进行控制，每台控制柜都回味固定与之对应的两台电机提供控制与过载保护，与一对一控制模式相比，一对二控制模式所需要电机数量增加，因此其控制柜的容量与体积也会随之加倍，但控制柜的数量大大减少，二者各有优劣[2]。从目前来看，石油钻机的电气传动控制系统应配置两种控制模式，在实际运行中，操作人员可以根据实际情况“一对一”或“一对二”两种控制方式进行自由选择，并通过电力切换的方式来对不同的电机进行控制，这样绞车、转盘、泥浆泵等所有电机均可实现控制方式的自由切换，其灵活性与适应性大大提高，工作效率也能够得到提升。
3.2控制对象
电驱动石油钻机的电气传动控制系统可通过直流串励电动机或是直流他励电动机来实现电机控制，其中直流串励电动机具有着转速高、起动力矩大、体积小、重量轻、不容易堵转、适用电压范围广、可调速等特点，主要是用于一对二控制模式的设计，由于串励电动机的的定子绕组与电枢绕组是串联的，因此无需安装单独的励磁装置，同时随着电动机输出功率的不断增加，控制柜的负载电流也会随之不断提升，这就能够大大提高电机的功率，从而将一对二控制模式的优势充分发挥出来。而他励电动机则主要用于一对一控制模式设计，这类电动机的励磁线圈与电枢绕组完全分开的，励磁电流与电枢电流也同样需要单独提供，因此在这一设计模式下，系统虽然需要单独安装励磁装置，但输出转矩和电枢电流却存在着密切的关系，即电机转动速度越快，其输出电压也会越高，这样既可以保证励磁电流与电枢电流的统一性，并保持电机负荷的平衡，同时在电机转动速度的精确控制下，电机工作效率虽然无法得到明显提升，但其电能消耗却会大大下降，这对于电驱动钻机来说同样是非常重要的。
4电驱动石油钻机电气传动控制系统的信息化设计
要想提高石油钻机的开采效率，对于钻机模块的信息化设计同样是非常重要的。首先，石油开采的作业环境十分复杂，而不同作业环境下石油钻机设备所受到的影响也是完全不同的，因此电气传动控制系统还需充分利用数字化技术，对各种作业环境下的环境数据参数进行收集与分析，降低环境因素对系统控制的影响，从而使石油钻机的控制能够更加精确。其次，石油钻机作为综合性设备，其设备模块非常之多，因此电气传动控制系统需要按钻井工艺流程对个设计模块进行准确划分，并保证不同设备模块在控制上的独立性，以免不同设备模块产生干扰，从而影响开采效率。除此之外，由于石油钻机的能源消耗与环境污染都相对较大，因此电气传统控制系统还可根据供电系统的特点，利用智能控制技术对混合储能系统进行管理，由控制系统对发电机组的发电能力、负荷需求、调度时段、储能装置的实时荷电状态等因素展开全面分析，以实现精确的电能调度，从而使石油钻机的经济性、环保性、可靠性得到提升[3]。
5结语
总而言之，电气传动控制系统能够使电驱动石油钻机的开采效率得到极大的提升，但要想让这一效果在石油开采工作中得到真正体现，还需从基本结构、信息化、控制方式等方面对石油钻机进行合理设计。
参考文献：
[1]刘曙光，蔡运恒，贾晨辉，等.海洋钻机电气控制系统设计及关键技术[J].西安工程大学学报，2016，30(01)：131-136.
[2]崔绍鲲.钻机电气传动控制系统研究[J].中国石油和化工标准与质量，2012，32(08)：74.
[3]王代华.电驱动石油钻机电气传动控制系统设计研究[J].电气传动，2005(08)：3-8.
作者：李向许 单位：中石化华北石油工程有限公司国际公司沙特项目部
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