（机械工程专业论文）钻机井场电气系统控制技术设计与应用.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 钻机井场电气系统控制技术设计与应用 机械工程 戴海峰( 签名) 鲍泽富( 签名) 呼东风( 签名) 摘要 石油钻井是一个复杂、完整的工业系统。石油钻机属于重型矿业机械，是有多种机 器设备组成、具有多种功能的联合工作机组。目前在全数字电控控制技术基础上，现己 进入智能化钻机电控系统的研究和技术开发阶段。本课题主要研究石油钻机井场标准电 路系统。 本文主要内容包括石油钻机井场电气系统防爆区域的划分、固控电路、井场防爆、 照明系统、接地系统、避雷系统等基础介绍。具体包括了电路分区的计算，爆炸性气体 环境用电气设备及其图片。还在钻机井电系统方面系统地加以分析和总结。文章结尾还 介绍了石油井场电气安装、调试、控制方式及发展趋势。最终对石油钻机的控制系统进 行了简单设计，提出了实用的电路和配电系统。 关键词：钻机井场；电气系统；控制；照明；防爆 英文摘要 s u b j e c t ：w e us i t ee l e c t r i c a ls y s t e md e s i g na n da p p l i c a t i o no fc o n t r o lt e c h n o i o g y a b s 。l 。r a c l o i ld m l i n gi sac o m p l e xa i l dc o m p l e t ei n d u s t r i a l 黟s t e m 0 i lr i gi sh e a v ym i l l i n gm a c l l i n e i s i o i n t 、0 r ku n 破w i l i c hc o m p o s e do fav 撕e t ) ，o fm a c l l i n e r ya 1 1 de q u i p m e n t ，、 ，i t hav 撕e t yo f 缸l c t i o n s c u r r e n t l yi nb a s e do nc o n 仃o lo fa j ld i g i t a le l e c 仃0 1 1 i cc o n 仃o lt e c l l l l o l o 鼢a n dn o w i n t h e 咖g eo fr e s e a r c m n g 地o f e l e c t r i cc o n 缸d ls y s t e ma 1 1 dd e v e l o p i n gt e c l l i l o l o 卧t l l i st o p i c m a i nr e s e a r c ho i ld r i l l i n gw e l ls i t e 删a r dc i r c u i t l y t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e sd i v i s i o no fo i lr i gd r i l le l e c t r i c a l ls y s t e me x p l o s i o n - p r o o fa r e a s ， s o l i dc o n 缸0 1c i r c u i t ，t l l ew e us i t ee x p l o s i o n ，l i g h t i i l g ，孕o u r l d i n gs y s t e m s ，l i g h 缸n gp r o t e c t i o n s y s t e m se c t i n t r o d u c t i o n s p e c i 6 c a l l yi n c l u d i n gt l l e c a l c u l a t i o no ft h ec i r c u i tp a n i t i o i l i n g ， e l e c t r i c a l e q u i p m e m f o re x p l o s i v e g a sa ：t m o s p h e r e s a i l d i m a g e s a l s oa n a l y z e da n d s u m m a i i z e dt l l e “1 1w e l l se l e c t r i c a ls y s t e 麟s y s t e m a t i c a l l y e n do ft 1 1 e 州c l ea l s od e s 嘶b e s t 1 1 eo i lw e ue l e c 仃i c a li n s t a l l a t i o l l ，c o m m i s s i o n i i l g ，c o r i t r o l 锄dd e v e l o p m e n tt r e n d e v e n t u a l l y s i m p l ed e s i g i lo nt 1 1 e o i lr i g sc o n t r 0 1s y s t e m ，p r o p o s e dp r a c t i c a lc i r c u i t sa 1 1 dd i s t r i b u t i o n s v s t e m s k q 啊o r d s ：鼬gd r i l l ；t h e e l e c t r i c a ls y s t e m ；c o n 仃o l ；l i g h t i n g ；e x p l o s i o n 。p r o o f t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 石油是一种不可再生资源，其最基本的特征就是稀缺性。石油是现代经济的“血液”， 是当今最重要的能源之一。它与人们的衣食住行密切相关，它是衡量一个国家综合实力 的标准，它能够影响一个国家或地区的发展，直接影响到国民经济的稳定，更能导致一 个国家或地区政治经济的安定。正因为如此，石油引起了很多战争，给人们带来了诸多 的不幸，由此可见，石油对全人类是多么的重要。我国既是一个石油资源大国，又是一 个石油生产和消费大国。我国原油储量列第1 0 位，天然气储量列于第2 0 位。石油( 含天 然气) 钻井为石油工业最重要的工程，是经地球物理勘探，主要是地震勘探获得9 0 0 0m 深以内、不同地层声波反射速度不同的地震波图，经过复杂的计算获得第一手准确的资 料。对井位、油气储量、埋藏深度来进行确定。目前我国和其他国家都利用先进的钻井 设备和钻井技术来获得石油、天然气的。 1 2 研究的目的和意义 近年来石油行业竞争的日趋激烈，降低石油的开采成本就势在必行，于是研制新型的 石油钻机就显得尤为重要，因为国内目前使用的钻机比较陈旧，控制方式落后，导致钻井 周期长、钻头损坏率高，这是降低石油开采成本的重要制约因素：而且落后的控制方式使 得钻井过程容易发生溜钻、卡钻等事故。另外在钻机的电气控制方面存在很多问题：在 钻机的配套方面，目前还缺乏一个整体系统的设计，一台钻机一般由几家工厂分别制造 的设备组成，各自为阵，使得电气设备在配套、控制、安装方面不规范。造成钻机井场 电路的种类繁多，生产制造成本高，从而使得产品的市场竞争力及经济效益都受到不同 程度的影响。 虽然石油钻机现场的电气控制问题已提到了议事日程，经过近几年的努力，相继研 制出了一些新型电气控制装置，井场电气控制问题也得到了一定程度的改善，但是从井 场电气控制装置的现状来看，仍然需要大量改进。本文的主要目的就是使石油钻机井场 用电气设备的安装、使用得到进一步的规范，引导用户走井场电路规范化的道路，提高 产品的安全性及可靠性，降低产品的生产制造成本，增强产品的竞争力及经济效益，对 目前的配套项目起到规范化作用，对市场起到有效推动的作用。 针对国内石油钻机的这种问题现状，本文主要研究石油钻机井场控制电路系统。 1 3 国内外发展现状与趋势 我国电驱动钻井控制系统的研究始于7 0 年代中期，1 9 8 3 年经国家经贸委批准，由 天水电气传动研究所引进美国g e 公司电驱动钻井控制系统技术。在借鉴国外先进技术的 前提下，结合我国国情，由兰石厂、兰电厂和天水电传所等共同研制出4 5 d 陆地电驱动 西安石油大学硕士学位论文 钻井。产生了我国的第一台晶闸管直流电驱动钻井，走出了电驱动钻井国产化的第一步。 1 9 9 6 年通过国家经贸委、石油天然气总公司和机械工业部组织的鉴定，专家一致认为该 钻井的整体性能达到9 0 年代初国际先进水平，可以替代进口产品，在国内推广使用。在 此基础上，1 9 9 7 年中石油技术服务公司要求制造两套5 0 d 电驱动钻井，用于国外钻井作 业。这标志着国产电驱动钻井进入了推广应用阶段。1 9 9 8 年6 月，在石油天然气总公司 组织的“电驱动钻井设备与配套研讨会”上，又签订了两套7 0 d ( s ) 电驱动钻机的合同， 按要求采用“一对二”驱动、模拟控制方案。1 9 9 8 年7 月，经过与世界著名几家大公司 的竞争，天水电传所以技术、服务等综合优势签订了上海海洋地质调查局勘探二号海洋 钻井电驱动控制系统的改造合同。该系统采用“一对一”驱动、全数字控制技术，具有 很高的性能价格比。这是我国自行设计、制造的电驱动钻机控制系统首次在海洋运行， 填补了国内空白。 1 4 论文的主要研究内容 石油钻机是一个复杂、完整的工业系统。石油钻机电驱动系统主要由动力及其控制 系统、驱动以及控制系统、辅助设备及其控制系统和井场照明系统等组成。 一套钻机的动力系统，由多台柴油发电机组组成，每台柴油发电机组又由柴油机、 发电机及其控制系统组成。柴油发电机组的控制包括柴油机速度控制和发电机电压控制 两大部分。为保证供电频率稳定和发电机有功功率的均衡分配，要对柴油机的燃油供应 量进行控制，为保证发电机电压的稳定及无功功率的均衡分配，要对发电机的励磁电流 进行控制。除此之外，控制系统还必须有必要的保护功能，如逆功率保护、过负荷保护、 过电压保护、欠电压保护、过频率及欠频率保护等。 而井场交流电气系统针对石油钻井系统而设计，通过发电机发电、配电房先集中再 分配的供电方式，为钻机上的各种用电设备提供动力及井场照明。石油钻井井场电气系 统的性能的好坏，对整部钻机的性能有直接的影响。随着国际钻井市场的不断扩大，出 现了钻机型号、固控系统多样化，作为石油钻井系统的一个重要组成部分，井场交流电 气系统为适应市场要求，其性能、品质也越来越受到重视。石油钻机井场电气系统应从 防爆区域的划分、供电制式、动力系统、照明系统、接地系统、避雷系统、防护等级等 方面系统地加以分析和总结，使之更大范围地适应国际石油钻井市场的要求。 1 5 论文的来源及受助情况 本论文所依托的项目为2 0 0 9 年由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会钻采动 力标准化工作部负责组织石油钻机用电气设备规范第4 部分：辅助用电设备及井场电 路制定工作的部分内容，第4 部分完善了石油钻采设备与工具标准体系表的项目。 该标准的制定将为石油井场辅助用电电气设备的标准配置和安全操作提供标准技术支 持。该标准体现科学发展观，是市场急需制定系统配套的行业标准，用以规范制造商生 第一章绪论 产和指导用户现场安装、操作和维护。 目前，本研究所在课题组在总结了其多年的研究成果的基础上，已收集到大量的钻 机井场标准电路设计方面的资料，并已做了必要的基础工作。因此，在此基础上进行钻 机井场电路的设计与应用的工作是完全可行的。 西安石油大学硕士学位论文 第二章石油钻机井场电气系统概述 石油钻机井场电气系统各有其特点，它涉及到防爆、防雷、防电磁干扰、人身安全 以及设备的正常运行等各种情况。本课题以z j 7 0 钻机为例进行了研究设计了井场标准电 路。 2 1 特点、用途 z j 7 0 4 5 0 0 d b 钻机井电系统具有先进、规范、安全方便、快捷、可靠等特点，集中 供电、分区控制，为z j 7 0 4 5 0 0 d b 钻机各用电设备提供动力电源，并为井架区、钻台区、 固控区、泵区、井场其它区域提供照明。本系统提高了电路的可靠性，是提高钻井效率 的最佳电气装各。该系统工作环境环境在一3 0 5 5 之间，整体性能满足z j 7 0 4 5 0 0 d b 钻机的工作参数、性能和钻井工艺要求。 适用范围： z j 7 0 4 5 0 0 d b 钻机。 2 2 系统组成 井场电气系统区域由循环模块、钻机主模块、动力模块、固井模块和固定共用模块 等区域组成。 井场电机控制中心( m o t o rc o n t r o lc e n t e r ，以下简称m c c ) 至钻台、井架、钻井液 循环系统、泥浆泵、水罐、油罐、防喷器控制台、井场工程用房等区域内辅助用电设备 的动力、照明及保护的线路。由井场交流控制中心( m c c ) 、钻台动力照明控制柜、防爆 照明灯具、防爆开关箱、防爆启动器、防爆控制器、防爆插接件、电缆、防爆分线盒等 组成。 2 3 简要工作原理 ( 1 ) 循环模块： 循环模块内的砂泵( 5 台7 5 k w 加重泵、1 台5 5 k w 剪切泵、3 台7 5 k w 灌注泵) 的电 源和控制、照明灯具、2 台离心机各设一路专线。其他用电设备采用分区供电，l # 、2 # 、 3 # 、4 # 、5 # 固控罐各设一个区。 固控循环罐的端头安装有隔爆控制箱，用以给固控循环罐罐面上的搅拌器及其它设 备提供电源。防爆控制箱体的侧面及下方都配有与引入引出电缆相匹配的防爆格兰。 1 # 固控罐舱内的补给泵可两地控制，远控按钮引至司钻台控制房内。 为泥浆泵区的3 台7 5 k w 灌注泵敷设安装动力及，控制电缆，操作按钮就近安装在 电机旁边，其电源线及控制线直接接入到电机及按钮。 在循环模块上层的1 # ( 振动筛罐) 、2 # ( 处理罐) 、3 # ( 储备罐1 # ) 、4 # ( 储备罐2 # ) 固控循环罐顶棚各安装4 套防爆荧光灯，其中在固控罐的靠近梯子旁，使用防爆应急荧 光灯；在固控循环罐周围安装有1 4 套防爆荧光灯，为周围走道提供照明。循环模块上层 4 第二章石油钻机井场电气系统概述 共计安装3 0 套荧光灯，其中有4 套为( 2 4 0 w ) 防爆应急荧光灯。 在循环模块下层的顶部安装防爆荧光灯，其中在固控罐的梯子上部使用应急防爆荧 光灯。共计1 2 套( 2 4 0 w ) 普通荧光灯和4 套( 2 4 0 w ) 应急荧光灯。 在1 # 、2 # 、3 # 、4 # 固控罐上各安装2 套防爆泛光灯，用于照向循环模块的外场区域。 共计8 套( 4 0 0 w ) 防爆泛光灯。 在5 # ( 加重储备罐) 固控罐上安装2 套( 4 0 0 w ) 防爆泛光灯，为泥浆泵提供照明。 在循环模块下层防爆转接箱处安装3 套( 2 4 0 w ) 防爆应急荧光灯，为检修应急照 明。 为动力模块提供单独的防雷系统。模块的避雷线直接接到地面( 模块移动时接地桩 也要变更) 。 ( 2 ) 钻机主模块： 为5 个液压站( 组合液压站、铁钻工液压站、顶驱液压站、盘刹液压站、机具液压 站) 提供电源，为加热装置、2 0 m 3 水罐、地质录井房、数据处理中心、钻台小锅炉等动 力、照明以及控制电源。 钻台上的电缆敷设在预留的电缆槽中，钻台二层台( 不动层) 上钻台面( 移动层) 的电缆敷设在移动电缆拖链中。 为钻台上的倒绳机、液压站、气测房、绞车冷却水箱、后偏房、左偏房、司钻房提 供3 8 0 v 2 2 0 v 的动力照明电源。 钻台下部适当位置安装4 套( 4 0 0 w ) 防爆泛光灯，供防喷器和钻台底部照明。 在钻台一层台移动台面的左偏房与后偏房上安装4 套( 4 0 0 w ) 防爆外场泛光灯，投 向坡道方向供前场照明。 在钻台一层台移动台面的左偏房与右偏房外沿处，安装6 套( 2 4 0 w ) 防爆荧光灯， 为钻台面提供照明。 在钻台一层台移动台面的左偏房、右偏房上安装4 套( 4 0 0 w ) 防爆泛光灯，为外侧 面提供照明。 在钻台二层台移动台面上装有8 套防爆荧光灯，其中在2 处梯子旁为应急防爆荧光 灯，为倒绳机提供照明。共计6 套( 2 4 0 w ) 防爆荧光灯和2 套( 2 4 0 w ) 应急防爆荧 光灯。另安装有2 套( 4 0 0 w ) 防爆荧光灯，投向坡道方向供前场照明。 在钻台的二层台不动台面的适当位置处安装有1 0 套( 2 4 0 w ) 防爆荧光灯，提供钻 台二层台区域不动台面的照明。 在钻台的中间层面的适当位置处安装有1 0 套( 2 4 0 w ) 防爆荧光灯，提供钻台中间 台面的照明。 从地面上钻台一层台、二层台、中问层面的每处梯子处，即安全通道处使用1 2 套( 2 4 0 w ) 应急防爆荧光灯。 钻台三个层面处各放置1 台防爆照明控制箱，用于控制各区域的照明。 西安石油大学硕士学位论文 在钻台面井架两侧适当位置处安装2 套( 2 5 0 w ) 防爆泛光灯，投向钻台面上的井口 处。 井架防爆灯具的照明电源从井架两侧分别引入，共分7 路，其中6 路为照明电源， 井架上共安装有2 1 只2 6 0 w 防爆荧光灯，其中井架距钻台面2 3 米处及二层台面上 部安装有2 只2 6 0 w 防爆应急荧光灯，以便于夜间停电时暂时维持应急照明；还有l 路为障碍灯照明( 提供2 4 v 的应急电源) ，天车顶部配一只d c2 4 v7 0 w 航空障碍灯( 红 色闪烁型) ，天车四周配4 只a c2 2 0 v6 0 w 航空标志灯( 红蓝各两只，闪烁型) 。照明电 源由设在钻台偏房内防爆照明控制箱提供。 ( 3 ) 固井模块： 在固井模块下层处放置1 台防爆转接箱，动力电缆从循环模块处引入。 为固井模块上的各个设备提供动力照明电缆，用于控制务设备的运转。 在固井设备模块上安装防爆荧光灯，其中在靠近梯子旁使用应急防爆荧光灯。共计 1 2 套( 2 4 0 w ) 普通荧光灯和4 套( 2 4 0 w ) 应急荧光灯。 固井设备模块上安装8 套( 4 0 0 w ) 防爆泛光灯。 为固井模块的储备罐区及营房区提供单独的避雷系统。模块的避雷线直接接到地面 ( 模块移动时接地桩也要变更) 。 固井模块的梯子处设1 个报警按钮，并在模块上安装声光报警装置。 ( 4 ) 动力模块： 在动力模块上层适当位置处安装6 套( 4 0 0 w ) 防爆泛光灯 为动力模块提供单独的防雷系统。模块的避雷线直接接到地面( 模块移动时接地桩 也要变更) 。 ( 5 ) 固定共用模块： 储备罐区内的2 台7 5 k w 加重泵的电源和控制、1 # 罐区照明、2 # 罐区照明、应急照明， 以及报警系统电源各设一路专线。其他用电设备如搅拌器采用分区供电，即1 # 、2 # 、3 # 、 4 # 、5 # 、6 # 储备罐各设一个区。区域照明及动力电源都由m c c 房中引出。 l # 污水罐电源、2 # 污水罐电源、3 # 污水罐电源、1 # 柴油主罐电源、2 # 柴油主罐电源 各设一路专线由m c c 房引出。 储备罐的端头安装有隔爆控制箱，用以给储备罐罐面上的搅拌器电机提供电源。每 个罐设有1 路6 0 a 备用动力电源、l 路2 5 a 备用照明电源。防爆控制箱体的侧面及下方 都配有与引入引出电缆相匹配的防爆格兰。 在污水罐及储备罐上的适当位置处安装1 5 套( 4 0 0 w ) 防爆泛光灯，为场区提供照明。 在储备罐面上安装1 5 套( 2 4 0 w ) 防爆荧光灯为罐面提供照明，其中包括4 个防爆 应急荧光灯在四个梯子旁边。 在各个套装水罐、柴油罐、柴油储备罐、污水罐的适当位置处均安装一套( 2 4 0 w ) 防爆荧光灯。 6 第二章石油钻机井场电气系统概述 为2 台6 k w 的水罐提供动力电源。 为2 4 栋生活营房提供生活区电源，包括照明、暖气、空调、热水器等用电设备的动 力照明电源，并为营房区安装6 只防爆泛光灯。 为固定共用模块的储备罐区及营房区提供单独的避雷系统。模块的避雷线直接接到 地面( 模块移动时接地桩也要变更) 。 固定共用模块的每个梯子处各设1 个报警按钮，并在每个模块上层顶部安装声光报 警装置，对应每个报警按钮。 2 4 性能参数 ( 1 ) 设计制造依据标准： a p ir p5 0 0 b 陆地和海上固定式及移动式平台的钻井装置和采油设施电气设备的区 域分类推荐作法第b 章：确定陆上和海上固定式与可移动式平台钻井装置与生产设施 内场所的程度与范围的推荐意见； 照明设计符合a p i r p 1 4 f ，9 0 节的技术要求： g b3 8 3 6 1 2 0 0 0 爆炸性气体环境用电气设备第一部分：通用要求e q v i e c 6 0 0 7 9 - 0 ：1 9 9 8 ： g b3 8 3 6 2 2 0 0 0 爆炸性气体环境用电气设备第二部分：隔爆型“d ”e q v 工e c 6 0 0 7 9 一l ：1 9 9 0 ： 标高灯具设计符合g b 7 2 5 6 卜1 9 8 7 民用机场灯具技术条件通用要求； s y t 6 2 7 6 1 9 9 7e q vi s 0 c d1 4 6 9 0 石油天然气工业、健康、安全与环境管理体系； s y 5 3 0 7 石油设备焊接件通用技术标准； c c s 2 0 0 5 版海上移动平台入级与建造规范： s y 5 2 2 5 9 4 石油与天然气钻井、开发、储运防火防爆安全生产管理规定； ( 2 ) 防爆等级：适用1 、2 区防爆场所； ( 3 )电源电压：a c3 8 0 v 2 2 0 v ： ( 4 ) 额定容量：8 0 0 k w 3 ： ( 5 )电源频率：5 0 h z ； ( 6 ) 环境温度：一2 0 至+ 5 0 ； ( 7 ) 相对湿度：+ 4 5 时，相对湿度9 5 3 ； ( 8 ) 海拔高度：3 0 0 0 米； ( 9 ) 绝缘强度：线路1 0 0 0 q 表测量不低于2 m q ； ( 1 0 ) 接地极接地电阻4 q ； ( 1 1 ) 适用于海洋油田恶劣工况和h s e 要求。 ( 1 2 ) 系统主要配套设备性能参数 井场内用电设备的控制方式见表2 1z j 7 0 4 5 0 0 d b 钻机井电系统负荷表。 西安石油大学硕士学位论文 表2 1z j 7 0 4 5 0 0 d b 钻机井电系统负荷表 数 序号项目 单机容量控制方式备注 量 一、循环模块 1 1 撑循环罐 ( 1 )1 撑循环罐供电12 0 0 a3 8 0 vc b ( 2 ) 高速离心机辅机电源 12 5a3 8 0 vc b ( 3 ) 高速离心机供液泵 l1 5a3 8 0 vc b ( 4 ) 防爆荧光灯 91 5a2 2 0 vc b 防爆泛光灯 2 1 5a2 2 0 vc b 2 2 撑循环罐 ( 1 ) 2 撑循环罐供电 12 0 0 a3 8 0 vc b ( 2 ) 防爆荧光灯 6 1 5a2 2 0 v c b ( 3 ) 防爆泛光灯 21 5a 2 2 0 vc b 3 3 撑循环罐 ( 1 ) 3 撑循环罐供电 12 0 0 a3 8 0 vc b ( 2 ) 防爆荧光灯 61 5a2 2 0 vc b ( 3 ) 防爆泛光灯 21 5a2 2 0 vc b 4 4 拌循环罐 ( 1 )4 拌循环罐供电 11 0 0 a3 8 0 v c b ( 2 ) 防爆荧光灯 91 5a2 2 0 vc b ( 3 ) 防爆泛光灯 21 5a2 2 0 vc b 5 5 群循环罐 ( 1 )5 撑循环罐供电 12 0 0 a3 8 0 vc b ( 2 ) 防爆荧光灯 41 5a2 2 0 vc b 6 加重系统 ( 1 ) 加重泵 37 5 k w3 w r c ( 2 ) 加重泵 23 w r c ( 3 )剪切泵 13 、c 7 灌注系统 ( 1 ) 灌注泵 37 5 k w3 w r c ( 2 ) 防爆荧光灯 1 21 5a2 2 0 vc b ( 3 ) 防爆泛光灯 21 5a2 2 0 vc b 一、固# 糙换 1 固井模块动力 l1 5 0 a3 8 0 v 2 防爆荧光灯 1 6 3 防爆泛光灯 8 = 、丰棚樟操 1 钻台区动力 11 0 0 a 3 8 0 vc b司钻偏房 2 顶驱液压站 11 0 0 a3 8 0 v 3 组合液压站 11 0 0 a3 8 0 v 4 铁钻工液压站 11 0 0 a3 8 0 v 5 盘刹液压站 11 0 0 a3 8 0 v 6 机具液压站 11 0 0 a3 8 0 v 7 地质录井房 8 数据处理中心 9 钻台小锅炉 1 0 加热装置 8 第二章石油钻机井场电气系统概述 1 l2 0m 2 水罐 1 2 防爆荧光灯 7 31 5a2 2 0 vc b 1 3 防爆泛光灯 1 61 5a2 2 0 v c b 1 2 油罐供电 16 0 a3 8 0 vc b 1 3 油罐照明 11 0 a2 2 0 vc b 单相2 p 3 w 四、动力模块 l 防爆泛光灯 61 5a2 2 0 vc b 五、固定共用模块 1 1 撑循环罐 ( 1 ) l 撑循环罐供电 ( 2 ) 防爆荧光灯 31 5a2 2 0 vc b ( 3 ) 防爆泛光灯 11 5a2 2 0 vc b 2 2 拌循环罐 ( 1 )2 撑循环罐供电 ( 2 ) 防爆荧光灯 31 5a2 2 0 vc b 3 3 群循环罐 ( 1 ) 3 撑循环罐供电 ( 2 )防爆荧光灯 31 5a2 2 0 vc b 4 4 撑循环罐 ( 1 )4 撑循环罐供电 ( 2 ) 防爆荧光灯 21 5a2 2 0 vc b ( 3 ) 防爆泛光灯 1 1 5a2 2 0 vc b 5 5 撑循环罐 ( 1 ) 5 撑循环罐供电 ( 2 ) 防爆荧光灯 21 5a2 2 0 vc b ( 3 ) 防爆泛光灯 1 1 5a2 2 0 vc b 6 6 循环罐 ( 1 ) 6 撑循环罐供电 ( 2 ) 防爆荧光灯 21 5a2 2 0 vc b ( 3 ) 防爆泛光灯 2 1 5a2 2 0 vc b 7 营房 ( 1 ) 防爆泛光灯 61 5a2 2 0 vc b 8其它 ( 1 ) 污水罐电源 3 ( 2 ) 加重泵 27 5 k w3 w r c ( 3 )套装水罐电源 2 6 3 a ( 4 ) 柴油罐电源 ( 5 ) 防爆荧光灯 71 5a2 2 0 vc b ( 6 ) 防爆泛光灯 1 01 5a2 2 0 v c b 七、其它 l动力备用 2 1 5 0 a3 8 0 vc b 2 探照灯照明 21 5 a2 2 0 vc b 单相2 p 3 w 3 照明备用 11 5 a2 2 0 vc b 单相2 p 3 w 2 5 本章小结 本章对石油钻机井场电气系统要求进行了介绍，对其特点和用途，系统的组成已经 工作原理做了详细说明。并且就其性能参数做了简要介绍。这一部分内容为进一步对石 油钻机井场标准电路的设计与应用提供了依据。 9 西安石油大学硕士学位论文 第三章石油钻机井场的防爆要求 国际上对电气设备防爆安全技术的研究，起源于煤炭的开发。十九世纪初，随着生 产的发展，机械生产逐步代替了繁重的体力劳动，由于机械的动力是电动机和电控系统 完成的，电气设备的起动、停止和运行时经常产生火花、电弧的危险温度。因此，在生 产中经常发生爆炸事故，人们便逐步开始对爆炸事故进行研究和探讨。 石油钻机井场约有6 0 一8 0 的场所属于易燃、易爆场所，在这些场所内必须经妥善 解决电气设备防爆安全技术问题。 2 0 0 0 年为了和国际i e c 标准等同，国家技术监督局颁发了爆炸性环境用防爆电气 设备g b 3 8 3 6 2 0 0 0 0 ，为中华人民共和国国家标准，这些具有法规性质的标准对于设备 的制造，设备的合理选用、正确使用以及管理维护起到了非常重要的作用。 3 1 防爆原理 爆炸是一种剧烈的氧化反映( 原子核爆炸除外) ，它伴随着巨大压力和声响因而 产生巨大的破坏作用。 产生爆炸的三个条件，简称爆炸三要素 爆炸三要素： ( 1 ) 易燃易爆气体( 甲烷气、乙炔气、乙烯、氨等液体蒸气( 石油、汽油、煤油) 或粉尘( 铝粉、面粉、纤维等) 。 ( 2 ) 氧( 气体中氧或爆炸物质本身所含氧) 。 ( 3 ) 引爆源( 电火花、静电火花、危险温度等) 。 只要使三个条件不同时相遇即消除三条件之一，即可避免爆炸事故发生的技术，就 是防爆技术。 现在防爆技术不仅仅从电气设备本身想办法，而是从包括危险场所，整个电气系统 及其它可行性危险的诸方面更广的考虑。 3 2 防爆措施 爆炸性混合物只有当其内部的爆炸性物质达到一定浓度且遇到引爆源时，才能发生 爆炸。不同物质有不同的爆炸极限范围。 表3 1爆炸性气体混合物的爆炸极限( 体积比) 爆炸极限 名称 下 限 上限 甲烷 51 5 乙烷 31 5 5 丙烷 2 19 5 1 0 第三章石油钻机井场的防爆要求 乙烯2 73 4 甲苯1 2 7 乙炔 i ic 类1 5 8 2 氢 i ic 类47 5 6 氢气和乙炔的爆炸极限范围比较大，爆烈程度最大。 ( 1 ) 在危险区域中加强通风，使爆炸混合物的浓度改变低于爆炸下限。 ( 2 ) 充以非助燃气体，使其不能引起爆炸，不含氧的气体。 如加强通风或建筑成开启式厂房等。 正压通风型防爆电气设备即“p ”型设备主要原理就是在远离爆炸危险场所以外的地 方取新鲜空气对用电设备进行通风吹扫，使用电气设备箱体内部对外部爆炸危险环境保 持正压，危险物质不能进入，达到降低爆炸危险物质浓度的目的制作管道，装在密 封壳体外部，使壳体内部保持正压。 3 3 爆炸危险场所用防爆电气设备 爆炸危险场所用防爆电气设备是指按照国家规定的标准设备制造而不能引起周 围爆炸性混合物爆炸，同时在国家质检中心检验合格取得防爆合格证的电气设备。 防爆电气的防爆形式： 隔爆型电气设备“d ”允许可爆炸性气体进入，即使点燃也不引起爆炸。 增安型电气设备“e ”正常工作状态下不会产生火花、电弧和危险温度。 本质安全型电气设备“i ”在正常工作状态和故障状态下，产生的火花、电弧和 危险温度不能点燃爆炸性混合物。 正压型电气设备“p ”通过i 气吸到密封壳体外部，使过壳体内部保持正压。 充油型电气设备“o ” 无火花型电气设备“n ” 充砂型电气设备“g 浇封型电气设备“m ” 气密封电气设备“h ” 特殊型电气设备“s ” 以上代号为国际通用标准。 3 4 爆炸性气体环境用电气设备危险场所分类 对于危险程度高的区域，采用严格的防爆措施，选择安全程度高的防爆电气产品。 在危险程度较低的区域，可以选择安全程度较低的防爆类型。 既要保证生产的防爆安全，又要节约资金，使安全性和经济性合理的统一起来。 3 4 1 我国危险场所分类现状 西安石油大学硕士学位论文 按照积极采用国际标准的我国标准化工作指导原则，全国防爆电气设备标准化技术 委员会于2 0 0 0 年起草了新国标g b 3 8 3 6 1 4 2 0 0 0 爆炸性气体环境用电气设备第1 4 部 分：危险场所分类该标准等同采用国际电工委员会i e c 7 9 1 0 ：1 9 9 5 3 4 2 国际上危险场所分类： ( 1 )以i e c 7 9 1 0 为代表的欧洲模式，分为o 区、1 区或2 区； ( 2 ) 以美国电气法规n e c 为代表的美国模式，如：a p i r p 5 0 0 a 、a p i r p 5 0 0 b 、 a p i r p 5 0 0 c ，分为3 级： i 级一可燃性气体和蒸气形成的爆炸危险环境 i i 级一可燃性粉尘形成的爆炸危险环境 级一可燃性纤维和悬浮物引起的爆炸危险环境 每个级别又分为1 区、2 区 ( 3 ) 中国标准与i e c 标准很相似。 0 区：爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。( 如：具有排气口的油罐的顶 部与油面之间的空间属于0 区) 1 区：在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境的场所。( 如：井口1 米范围内为1 区) 1 区出现爆炸性气体环境对时间的或然率为1 0 ，即每班1 小时，每年累计3 0 天。 2 区：在正常运行时不可能出现爆炸性气体环境，并且即使出现，存在的时问也很 短的场所。或然率为1 0 叫，即每年累计约为1 小时，释放等级分为3 级。 3 5 石油井场防爆区域的划分 3 5 1 美国石油协会规范 a p ir p 5 0 0 1 9 9 8i 类1 区和2 区石油设施电气安装场所分类建议 a p ir p 5 0 0 1 9 9 8 石油设施电力装置场所分类推荐作法 一 一第4 章分类准则 一第4 2 1 款、第4 3 1 款i 类场所描述 一第b 章确定陆上和海上固定式与可移动式平台钻进装置与生产设施内分类场所的程 度与范围的推荐意见 一b 2 条钻井区域 一b 3 条生产设施 3 5 2 国家标准 g b 3 8 3 6 1 4 2 0 0 3i d ti e c6 0 0 7 9 1 0 ：1 9 9 5 爆炸性气体环境用电气设备第1 4 部分：危险 场所分类 注：美国的危险场所分类规定与我国和国际电工委员会( i e cn a t i o n a lc o m m i n e e ) 的不同 1 2 第三章石油钻机井场的防爆要求 n e c5 0 0 将爆炸和火灾危险区域分为3 级( c 1 a s si 、c l a s si i 、c l a s si ) 和6 类( 每级 各分为d i v i s i o n1 区域1 和d i v i s i o n2 区域2 ) ，即： 一c l a s si ( i 级) 一可燃性气体或蒸汽形成的爆炸危险环境 一c 1 a s si ( i i 级) 一可燃性粉尘形成的爆炸危险环境 一c l a s s ( 级) 一可燃性纤维和悬浮物引起的火灾危险环境 a p i 标准划分场所的判定是以易燃气或蒸汽可能存在的概率为基准的。已经判定场 所的并加以分类和在已标明气体或蒸汽所属的组别( a 、b 、c 或d ) 后，标明确属1 区或 2 区。 3 6 防爆电气设备的安全 3 6 1 对环境条件的要求 ( 1 )防水措施：接合面涂防水剂进出线口设密封件；设防雨罩等。 ( 2 ) 防腐蚀措施：接合面和贯通部分涂油脂，改用不锈钢件等。 ( 3 ) 防振动措施：电气设备防振动底座采用电缆和挠性管配线等措施。 ( 4 )防户外条件措施：加罩 3 6 2 对设备安装的要求 设备多余的进出线孔应设有封堵件堵死，其中有两种情况：一种情况是电源固定设 备移动，这种情况应采用防爆插销连接；另一种情况是电源侧为移动线，电器也移动， 这种情况采用防爆连接器。 3 7 本章小结 本章主要分析了石油钻机井场的防爆并对其做出了具体要求，介绍了防爆原理以及 采用的防爆措施，经常使用的防爆电气设备。对国内外爆炸性气体环境用电设别的危险 场所的分类进行了说明，以利于对本课题的防爆区域进行更好的划分。 西安石油大学硕士学位论文 第四章爆炸性气体环境用电气设备 4 1 隔爆型电气设备 4 1 1 定义 电气设备的一种防爆形式，其外壳能够承受通过外壳任何接合面成结构间隙渗透到 外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种气体、多种气 体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃。 4 1 2 防爆依据 把能产生火花、电弧和危险温度的零部件都放在与周围爆炸气体混合物隔开的级别 相适应的隔爆外壳内，由于隔爆外壳的间隙存在，隔爆外壳内允许存在爆炸气体混合物， 当隔爆外壳的火花、电弧或危险温度点燃壳内爆炸性混合物时不会引起壳外爆炸性气体 混合物爆炸。 4 1 3 隔爆外壳承担着两项任务 一是外壳内部发生爆炸时不能损坏及变形； 二是不能将壳内的爆炸扩散到壳外。 隔爆措施如下： ( 1 )设计时要保证外壳足够的强度。按新标准规定，隔爆外壳的强度要达到 1 m p a ，并留有一定裕量，要接受动压或静压试验。 ( 2 )外壳的隔爆性能、外径等尺寸都要符合要求 a 隔爆面有一定的长度( 路径) b 隔爆面具有一定的间隙值，爆炸压力释放，防止外壳爆裂。 4 2 增安型电气设备 4 2 1 定义 正常运行条件下，不会产生点燃爆炸性混合物的火花和危险温度，并在结构上采取 措施。提高安全程度，以避免在正常和规定过载条件下出现点燃现象的电气设备。 4 2 2 隔爆原理 增安型电气设备是在零部件上进一步采取安全措施，使其在正常运行时不产生火花、 电弧的危险温度的电气设备。 如接线盒、灯具、电动机、滑环均适合增安形式。在爆炸危险气体出现的机率比较小的 场所使用。 1 4 第四章爆炸性气体环境用电气设备 4 3 本质安全型电气设备 4 3 1 定义 本质安全电路“i ”是指在规定条件( 包括正常工作和规定的故障条件下) 下所 产生的任何电火花或电热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。 4 3 2 隔爆原理依据 试验表明，每种爆炸性气体环境都有最小点燃能量，当小于这个能量时，将不能引 起点燃，本质安全电路从限制电路能量入手，采用各种方式使电路的电压、电位及电 气参数在一个允许的范围内，不会点燃爆炸性气体环境，即不能形成引爆源。 4 4 正压型电气设备 4 4 1 定义 正常型电气设备“p ”是指具有保护外壳、且壳内充有保护气体，其内部压力始终保持 高于周围爆炸性气体混合物的压力，以避免外部爆炸性气体混合物进入外壳内部的电气 设备。 4 4 2 防爆原理 正压型电气设备在起动和运行时，设备外壳内部的气压高于设备外壳外部的气压， 从而限制周围爆炸性气体混合物进入的设备外壳的内部，把电气设备可能产生火花、电 弧和危险温度的部分全部放置在这种正压设备外壳保护之内，使其不能与周围含有爆炸 性气体混合物接触，从而达到安全运行的目的。 4 4 3 防爆措施 ( 1 ) 外壳密封； ( 2 ) 保证风量； ( 3 ) 保证内部压力； ( 4 ) 去除内部的风流死角； ( 5 )出风口温度小于所处环境爆炸气体的组别温度。 4 5 常用防爆电器 西安石油大学硕士学位论文 图4 1 格兰图片 插接件 图4 _ 3 灯具( 照明灯、报警器) 1 6 第四章爆炸性气体环境用电气设备 图4 - 4 插接箱( 开关箱、接线箱) 图4 5 磁力启动器 图4 6 防爆按钮 图4 7 防爆分线盒 1 7 两安石油大学硕士学位论文 4 6 本章小结 本章对隔爆型、增安型、本质安全性和正压型电气设备做了简要介绍，分析了各类 防爆电气设备的防爆原理，阐述了几条常用的防爆措施，并以图片形式展示了几种常用 的防爆电器，为标准电路的设计应用做了铺垫。 第五章石油钻机井电系统 第五章石油钻机井电系统 5 1 b f b p z 一8 0 0 _ g p c 系列并机柜 5 1 1 总述 b f b p z 一8 0 0 一g p c 系列并机柜采用了d e i fg p c 自动同步负荷分配控制器，s c h n e i d e r m t e 系列断路器，具有高集成度、高稳定性、可靠性、维修性及易操作等特点。所有参 数在l c d 屏均可设定( 设定方法及代码详见m u l t i 一1 i n e2 一v e r s i o n 2 说明书) 。经 过优化设计，该系列并机系统具有“手动”、“自动”两种功能。 “手动功能也为“应急功能”，即当并机系统处于故障状态时，此时只要断路器 仍然正常工作的情况下，通过面板上同步表指示同步状态，可手动控制机组的并联与解 列。 “自动功能”即该状态下系统自动调整同步状态，自动控制断路器的合、分闸，自 动负荷分配，故障自动保护分闸。 其负荷自动分配控制原理图如5 一l 所示： 1 # g p c 负荷检测2 # g p c负荷检测3 # g p c 控制器 广 控制器_ 一_ 控制器 铲 铲 梧 社 牡# 匿器、噻l器l遮熙l 茫 藻亲 蔡茬蕻f忙 限 忙限 虻帐 调速调压调速 调压调速调压 电动电位器电动电位器! 电动电位器 ) 电动电位器 电动电位器电动电位器 艘 出 靼 幽 靼 幽 警； 器 罂 曙f巷； 器 发动机发电机 i 调速器广1 调速板 1 机组 发动机发电机 l 调速器 调速板 2 # 机组 图5 1 并联控制示意图 g p c 控制器l c d 屏显参数有： 机组三相电压、机组三相电流、机组频率 母线三相电压、母线三相电流、母线频率 功率因素 控制状态 有功功率、无功功率、视在功率 故障状态：最多可3 0 条记录 。发动机发电机 调速器 1调速板 3 机组 西安石油大学硕士学位论文 5 1 - 2 操作说明 该系统具有“手动”、“自动”、“停止”三种状态： “手动”状态：此状态也为“应急状态”，即当并机系统处于故障状态时，此时只 要断路器仍然正常工作的情况下，通过面板上同步表指示同步状态，可手动控制机组的 并联与解列。首先将“系统模式”开关拔至“手动状态”，此时观察指针式同步状态， 手动拔动“升速”、“降速”、“升压”、“降压”开关，当同步表指示同步的瞬间， 手动拔“分闸手动合闸”开关至“合闸”位合闸，此时机组不受g p c 控制器控制，依 靠机组自身的速降和压降来均衡有功功率和无功功率，此时需人工观察负荷分配均衡度， 当负荷分配误差较大时，需手动拔动每台机组“升速手动降速”、“升压手动降压” 开关来调节机组转速、电压状态，。负荷分配少的机组进行“升速”、“升压 调节， 负荷分配多的机组进行“降速”、“降压”调节，直至负荷分配误差在1 0 以内。当需 要“解列”时，先卸去负荷，再手动拔“分闸手动合闸”开关至“分闸”位分闸。 并机参数设定说明： 机组发动机速降( d r 0 0 p ) 设3 ；发电机压降( d r 0 0 p ) 设3 。 并联时频率误差o 2 h z ，电压误差2 v ；相位角误差 1 0 度( 可从指针式同步表 指针偏离角度观察) 。 “自动 状态：当母线无电时，即第一台投入运行的机组，需将“手动停止自动” 系统模式开关拔至“手动”位，再手动拔“分闸手动合闸”