钻机电控系统培训教材.doc

钻机电控系统培训教材(供长城钻井公司用) 2008.03 钻机电控系统 （供长城钻井公司使用）编制：鲁纪云主讲：鲁纪云审定: 缑柏弘北京四利通控制技术有限公司2008年3月 目 录 一:钻机电控系统配置简介. 1: AC-SCR-DC电驱动型式 2: AC-DC-AC电驱动型式3: AC-AC电驱动型式二: 控制系统主要部分原理简介.1: 柴油发电部分。 模拟系统和数字系统2: 传动部分。模拟系统和数字系统(直流)数字系统(交流) 3：辅助刹车部分。 模拟系统和数字系统(直流)4：自动送钻部分。 数字系统(交流)5：辅助设备供配电部分。软起动,磁力起动器。6：顶驱部分。数字系统(交流).三: 控制系统主要用工控元器件使用与维护. 1：常用的功率电力电子器件部分.2：常用的大功率交,直流接触器部分. 3：常用的断路器,交流接触器,热继电器部分.4：常用的自动化控制器件及监控部分.一:钻机电控系统配置简介.石油钻机驱动型式主要有：机械驱动，液压驱动，电驱动和混合驱动四种型式。但目前使用最多的是电驱动型式。电驱动型式主要有：AC-SCR-DC电驱动型式、AC-DC-AC电驱动型式、AC-AC电驱动型式。1: AC-SCR-DC电驱动型式AC-SCR-DC电驱动是指数台（3或4）柴油发电机组发出的交流电（AC600V或AC690V）并网（或工业电网供电）送到公共交流母排上，经SCR整流装置整流后（DC 0750V）来驱动直流电动机，带动绞车（DW）、转盘（RT）、泥浆泵（MP）。其电气控制系统单线图如下：目前配套的SCR整流装置其控制方式有：模拟系统和数字系统两种。模拟系统主要以宝美和海尔海斯制造的ROSSHILL系统（1拖2）为主，其SCR整流控制由模拟DC模块完成。数字系统主要以天传和四利通制造的SCR系统（1拖2，或1拖1）为主，其整流控制由SIEMEN 数字6RA24/6RA70完成。采用AC-SCR-DC电驱动型式配套的ZJ50D，ZJ70D，ZJ90D钻机，其主要配置如下。ZJ50D ：柴油发电机组3台：CATD399，CAT3512A，CAT3512B，MOG1200（三菱），190（济柴）。 1050KW/600V，690V 50/60HZSCR整流柜：ROSSHILL系统（1拖2）3-4台1800-1950A/0-750VDC6RA24/6RA70系统（1拖2）3-4台2300-2500A/0-750VDC6RA24/6RA70系统（1拖1）6-7台1500A/0-750VDC直流电电机6-7台（DWAB-2，RT-1，（DWAB/RT-2），1-2#MP-4）GE752（GE公司） 750VDC/1150A 809KW 965rpmYZ08/08A（永济） 750VDC/1150A 800KW 970rpmZJ70D ：柴油发电机组3-4台：CAT3512，CAT3512B。 1200KW/600V，690V 50/60HZSCR整流柜：ROSSHILL（1拖2）系统4-5台1800-1950A/0-750VDC6RA24/6RA70系统（1拖2）4-5台2300-2500A/0-750VDC6RA24/6RA70系统（1拖1）10台1500A/0-750VDC直流电电机8-9台（DWAB-2，RT-1，（DWAB/RT-2），1-3#MP-6）GE752（GE公司） 750VDC/1150A 809KW 965rpmYZ08/08A（永济） 750VDC/1150A 800KW 970rpmZJ90D ：柴油发电机组3-4台：CAT3608 2350KW/600V，690V 50/60HZSCR整流柜：ROSSHILL（1拖2）系统6-7台1800-1950A/0-750VDC6RA24/6RA70系统（1拖2）6-7台2300-2500A/0-750VDC6RA24/6RA70系统（1拖1）9-10台1500A/0-750VDC直流电电机9-10台（DWABC-3，RT-1，（DWAB/RT-3），1-3#MP-6）GE752（GE公司） 750VDC/1150A 809KW 965rpmYZ08/08A（永济） 750VDC/1150A 800KW 970rpm2: AC-DC-AC电驱动型式AC-DC-AC电驱动是指数台（3或4）柴油发电机组发出的交流电（AC600V或AC690V）并网（或工业电网供电）送到公共交流母排，经SCR全波或半波整流装置整流成直流电压（DC810/930V）送到公共直流母排上，再经逆变器逆变成电压和频率可调的交流电（0600/690V、0-50/60HZ）来驱动交流变频电动机，带动绞车（DW）、转盘（RT）、泥浆泵（MP）。其电气控制系统单线图如下： 目前配套的整流和逆变装置其控制为全数字系统，主要以SIEMEN公司6SE70/71/S120系列和ABB公司ACS800系列变频器为主。采用AC-DC-AC电驱动型式配套的ZJ50DB，ZJ70DB，ZJ90DB钻机，其主要配置如下。（DB系统均采用1拖1）ZJ50DB ：柴油发电机组3台：CATD399，CAT3512A，CAT3512B，MOG1200（三菱），190（济柴）。 1050KW/600V，690V 50/60HZSCR全桥或半桥整流柜：SIEMEN公司6SE70整流柜3台 6SE7041-8HK85-1AA0（6SE7041-8FK85-0AA0） DC5200A/810-890-930VDCABB公司ACS800整流柜2台 ACS800-704-2720-7 DC5200A/930VDCIGBT全桥逆变柜：（DWAB-2，RT-1，（DWAB/RT-2），1-2#MP-4）SIEMEN公司6SE70逆变柜6-7台 6SE7036-5WK60（6SE7038-6UK60） AC650A/930VDC（AC860A/810VDC）ABB公司ACS800逆变柜6-7台 ACS800-107-1160-7 AC713A/930VDC交流变频电机6-7台（DWAB-2，RT-1，（DWAB/RT-2），1-2#MP-4）YDB423（永济） AC600/690V/680-600A 600KW 33.5HZZJ70DB ：柴油发电机组3-4台：CAT3512B。 1200KW/600V，690V 50/60HZSCR全桥或半桥整流柜：SIEMEN公司6SE70/S120整流柜 DC6400A/810-890-930VDCABB公司ACS800整流柜 DC6400A/930VDCIGBT全桥逆变柜：（DWAB-2，RT-1，（DWAB/RT-2），1-3#MP-6）SIEMEN公司6SE70/S120逆变柜8-9/5台 ABB公司ACS800逆变柜8-9/5台 交流变频电机8-9/5台（DWAB-2，RT-1，（DWAB/RT-2），1-2#MP-6）YDB423（永济）AC600/690V/800-700A/680-600A 700KW(2)/600KW(7) 33.5HZAC600/690V/1250-1100A 1000KW(5) 50HZZJ90DB：柴油发电机组3-4台：CAT3516B。 1700KW/600V，690V 50/60HZSCR全桥或半桥整流柜：SIEMEN公司6SE70/S120整流柜 DC7000A/810-890-930VDCABB公司ACS800整流柜3台 DC7000A/930VDCIGBT全桥逆变柜：（DWAB-2，RT-1，（DWAB/RT-2），1-3#MP-6）SIEMEN公司6SE70逆变柜8-9台 ABB公司ACS800逆变柜8-9台 交流变频电机8-9台（DWAB-2，RT-1，（DWAB/RT-2），1-2#MP-6）YDB423（永济）AC600/690V/1250-1100A/900-800A/800-700A 110KW(2)/800KW(1)/700KW(6) 50/40/33.5HZ3: AC-AC电驱动型式AC-AC电驱动型式多用于早期的ZJ30DBZJ50DB钻机变频电控系统中，现在配套的ZJ30DB-ZJ1200DB钻机变频电控系统这种型式已不存在。但是AC-AC电驱动型式多用于ZJ30LDB-ZJ70LDB（即独立转盘系统）钻机变频电控系统中。这种变频电控系统是用两台或3台VOLVO/CAT 400550KW小型柴油发电机组发出的AC400V交流电并网（或工业电网供电，600/800KW 400V节能发电机供电）送到公共交流母排，经变频器变成电压和频率可调的交流电（0400V、0-33.5HZ）来驱动交流变频电动机，带动绞车（DW）或转盘（RT）。其电气控制系统单线图如下：目前配套ZJ30DB,ZJ50DB,ZJ70DB的变频装置其控制为全数字系统，主要以SIEMEN公司6SE70/71/S120系列，ABB公司ACS800系列为主。也可选用施耐德ATV78系列和VACON NXC系列变频装置。AC-AC电驱动配套的钻机ZJ50LDB，ZJ70LDB（30LDB的配置按其功率类同选用），其主要配置如下。ZJ50LDB ，ZJ70LDB：柴油发电机组2-3台：VOLVO/CAT 400KW/AC400/230V 50HZ 3台VOLVO/CAT 500-600KW/AC400/230V 50HZ 2台电压型IGBT变频器：（DW/RT-1）SIEMEN公司6SE71变频柜1台 6SE7141-1EH62-3BA0 1100A/0-400V 033.5/50HZ ABB公司ACS800逆变柜1台 ACS800-104-1030-3 AC1086A/0-400V 0-33.5/50HZ交流变频电机1台（DW/RT-1）YDB423（永济） AC1034A/0-400V 600KW 0-33.5/50HZ二: 控制系统主要部分原理简介.1: 柴油发电部分. 由于钻井生产环境的特殊性，目前油田电动钻机设备的主要动力还是采用柴油发电机组（集中在区域钻井地方，为节约能源，有的采用网电供电，但网电供电系统要具有谐波抑制和无功补偿功能。）。随着控制技术不断提高，柴油发电机组的控制方式从模拟控制发展到了数字控制，但目前采用最多还是模拟控制系统。（1）模拟控制系统.柴油发电机组控制主要分为两部分：柴油机转速控制和发电机电压的励磁控制。其电气控制系统单线图如下： ROSSHILL发电控制柜型式，其柴油机转速控制和发电机电压的励磁控制，主要由AC模块完成。国产发电控制柜型式，其柴油机转速控制和发电机电压的励磁控制，主要由2301调速器和自制成熟的电压调节板SLT-DYTJB完成。（2）数字控制系统.随着钻机控制系统自动化水平的提高，国产柴油发电机组控制系统逐渐发展为数字控制系统。其系统的可靠性，操作性和维护性得到了提高。其电气控制系统单线图如下：柴油机转速控制由2301D数字调速器完成。发电机电压的励磁控制由DECS-100或6RA70数字调节器完成。2: 电气传动部分. 钻机的绞车、转盘和泥浆泵使用的电动机有直流电机（串励和他励）和交流变频电机两种，。随着控制技术不断提高，其控制方式从模拟控制发展到了数字控制，但目前两种控制方式并存。（1）直流调速控制系统.其电气控制系统单线图如下整流模拟控制系统主要以ROSSHHIL的三相全控桥直流传动为主，其控制由DC模块完成。整流数字控制系统主要以SIEMENS的三相全控桥直流传动为主，其控制由6RA24/70完成。也可采用ABB的DCS500三相全控桥直流传动系统。 （2）全数字交流电压型IGBT变频器调速控制系统.其电气控制系统单线图如下其变频系统主要以SIEMENS矢量控制型的6SE70/71H或S120/S150和ABB直接转矩控制型的ACS800交流传动为主。3: 辅助刹车部分. 目前油田大多数直流电驱动钻机（ZJ40D，ZJ50D，ZJ70D）绞车的滚筒辅助刹车主要采用风冷或水冷型直流电流涡磁刹车系统（也有采用水冷伊顿刹车系统）。随着控制技术不断提高，电流涡磁刹车系统的控制方式从模拟控制发展到了数字控制，但目前两种控制方式并存。而大多数交流变频系统（ZJ40DB，ZJ50DB，ZJ70DB，ZJ90DB）一般不采用电磁涡流刹车和伊顿辅助刹车，而是采用带能耗制动单元实现悬停功能来完成辅助刹车。其直流电流涡磁刹车系统电气控制系统单线图如下：模拟控制系统主要以上海申通和濮阳玉祥的三相全控桥直流传动（DC70A/380VDC）为主，其控制的电流和电压均为开环系统。整流数字控制系统主要以SIEMENS的三相全控桥直流传动为主，其控制由6RA24/70（DC90A/AC400V）完成。也可采用ABB的DCS500（DC90A/AC400V）三相全控桥直流传动系统。其控制的电流和电压均为闭环系统。4: 自动送钻部分. 目前油田电驱动钻机（含直流系统DZ，变频系统DB和半变频系统LDB）配套中，为提高钻井速度，采用盘式自动送钻和矢量型变频调速自动送钻两种控制方式，但目前两种控制方式并存。使用最多的是变频调速自动送钻系统。其变频调速自动送钻系统电气控制系统单线图如下： 在钻进时，司钻依据所设定的钻压和钻速（最高钻速），自动送钻系统依据检测到实际钻压的变化来控制实际的钻速。当实际钻压小于设定的钻压时，钻速会自动增至设定的钻速。当实际钻压大于设定的钻压时，钻速会自动减少直至钻小于等于设定的钻压，当钻速减为零时，实际钻压还是大于设定的钻压，自动送钻系统将反转运行来提起钻具后再另执行送钻。当游车到下砸点时，自动送钻系统将以零速送钻。目前自动送钻系统主要以SIEMENS的6SE70/71-45KW/400V变频调速装置为主。也可选用ABB直接转矩控制型的ACS800交流传动装置。其控制的转速和电压均为闭环系统。5: 辅助设备供配电部分. 目前油田电驱动钻机井场辅助设备有：加重泵，灌注泵，除泥、砂泵，剪切泵，液压大钳，空压机，干燥机，防喷器，压缩机，灌区供电，固控区供电，营房供电，钻台供电，井场照明等。对于不同的设备采用供电的方式不同。其供电的方式简介如下：（1）电机的全数字软起动器供电. 为限制电机起动电流，抑制电源过负荷。油田电驱动钻机井场辅助设备中37KW120KW以上的交流电动机（如加重泵，灌注泵，除泥、砂泵，剪切泵，液压大钳等）大多采用软起动器进行起动，也有的自耦变压器或星三角起动的。使用最多的还是全数字软起动器。如施耐德的ATS48-400V系列。配合PLC可实现一拖多台的控制方式。其软起动器系统电气控制系统单线图如下：（2）电机的磁力起动器供电. 对于小容量电机的供电，一般都采用交流接触器（LC1）和热继电器（LR2）组成的磁力起动器供电。也可采用ABB或施耐德一体化产品，如：MS325，GV2系列。6: 顶部驱动部分. 顶部驱动系统是集机电液为一体化的、取代转盘钻进的、独立于SCR或VFD房的一套新型钻井设备，由于其效率高、稳定可靠目前得到了广泛应用。从AC-DC系统发展到AC-AC/AC-DC-AC变频系统。其7000m顶驱电气控制系统单线图如下：主要配置：整流柜两台 6SE7037-7FH85-0AA0 450KW/AC600V逆变柜两台 6SE7035-7UK69-0AB0-Z 400KW/AC600V 制动单元两台 6SE7031-3FS87-2DC0 100KW主电机两台 575V/400HP三:控制系统主要用工控元器件使用与维护.1：常用的功率电力电子器件部分. 石油钻机电控系统除了控制板件使用了小功率的电力电子元件（5A/1KV）外，其主回路均使用的大功率电力电子元件。常用的如：整流管（SR），晶闸管（可控硅SCR），绝缘栅双极晶体管（IGBT）。其外型有：塑封型，模块型，平板型。常用元件电气代号如下：整流管（SR）：生产厂家不同，其型号命名不同。国产型号一般用ZP选用时要考虑的主要参数：正向峰值电流ITM，正向重复峰值电压VDRM，正向峰值电压VTM（或用正向通态平均压降VT（av）晶闸管（SCR）：生产厂家不同，其型号命名不同。国产型号一般用KP选用时要考虑的主要参数：通态平均电流IT（av），正向重复峰值电压VDRM，正向重复峰值电压VDRM，通态峰值电压VTM（或用通态平均压降VT（av），门极触发电流IGT，门极触发电压VGT，通态临界电流上升率Di/dt，断台临界电压上升率Dv/dt。绝缘栅双极晶体管（IGBT）：生产厂家不同，其型号命名不同。无国产的产品选用时要考虑的主要参数：集电极-发射极额定电压VCES，栅极-发射极额定电压VGES，集电极额定电流IC，集电极-发射极饱和电压VCE（sat），开关频率f。2：常用的大功率交,直流接触器部分. 石油钻机电控系统为了提高可靠性，在一些AC-DC或AC-DC-AC电驱动系统型式中，在传动柜的输出侧一般使用大电流的直流接触器和交流接触器。ROSSHILL直流系统使用的直流接触器的型式有三种： 单向1800A/1KV 74VDC和1100A/1KV 74VDC（或CCZ38-1250/10）