石油钻机多台变频电机并联运行时负荷均衡分配控制系统研究

1、项目编号:北京四利通控制技术股份有限公司研究开发项目计划书项目名称：自动化猫道在石油钻机上的应用承担单位：北京四利通控制技术股份有限公司项目负责人：肖自琦一、项目概述1 立项目的及必要性随着我国机械自动化水平的逐步提高，我国石油钻机行业的自动化过程也取得了明显的进步，石油钻机的主题配套设备已经到了国际水平，但是石油钻机的外围配套设备还基本处在20世纪60-70年代的水平，劳动强度大，危险系数高。自动化猫道的研究和应用，就是要解决目前我国石油钻机的这个矮板问题。新型自动化猫道的研究和应用，可以使石油钻机起下钻具操作中，钻杆、油管、套管以及各种工具上下钻台操作简单安全，提高工作效率和安全性差，减少

2、作业人员的劳动强度和危险，提升我国钻机配套安全性、机械化和智能化水平。这种自动化猫道的研制成功，结合二层台钻柱自动排放装置、铁钻工一起使用，可以极大地提高整套钻机、修井机的机械化和自动化水平，使钻机的整体水平和自动化能力进一步提高。随着石油钻井技术的迅速提升和石油市场的对外拓展，对钻机自动化程度的要求会越来越高。所以进行自动化猫道的研究和应用具有重要的意义。2项目采用的关键技术自动化猫道控制系统，采用了遥控远程控制的方式，大大提高了生产效率，PLC编程采用了互锁，运行期间如果误操作不会产生影响。如何保证液、气缸正常工作保证缸内压力保持稳定得到了解决。要实现自动猫道一键系统，必须要满足如下技术要

3、求：(1) PLC程序的互锁问题(2)液、气缸的压力稳定问题；3项目的创新点1 钻具进入和移出自动化猫道的方式。2 .钻具在自动化猫道台面和钻台之间的上提下放。通过自动化控制实现钻杆、钻铤、套管等钻具在猫道和钻台之间的上下移动，替代人工栓绳套，利用气动绞车提升上钻台或将钻杆甩下钻台的作业。3 .自动化猫道配有系统断电、元器件故障以及误操作等多项安全保护。为保护自动猫道操作平稳、安全、可靠，在控制系统内增加多项安全保护，以避免钻具失控发生下砸事故。4 遥控集中操作。吧自动化猫道液缸、气缸、液压站电机等所有设备或不见得控制集中在一起，集成在一个控制箱内便于操作，另外还配置了一个便携式的控制箱，随身

4、携带便于远程遥控。二、项目市场前景分析1项目产品市场概况及需求情况我们公司是一家专门从事石油钻机电气控制系统设计、制造及调试服务的专业公司，每年都会承接一些钻井架猫道改造项目，由于以往上提或下方钻具都是有4-6人操作，费时费力。我公司开发的自动化猫道控制系统实现了这一技术攻关及突破，自动化猫道的成功应用可大大缩短钻井时间，提高钻井效率，降低作业成本。此项技术的公关及突破，也会对企业带来很多的经济效益极好的产品声誉。2发展状况我国现有钻机在钻井过程中，上、下钻具仍以工人手工操作配合钻台与猫道上的气动绞车拉、拽的方式进行，其具体过程如下：上钻具：首先工人将钻具从钻杆架推入至猫道上，由钻台上面的气动

5、绞车下放钢丝绳挂住钻具顶部，利用索具直接把钻具沿着猫道和坡道提升至钻台面，然后两个工人用铁钩钩住钻具下部，慢慢移送到小鼠洞中，用吊卡卡住钻具，等待吊环钩住吊卡，将钻具拉起送入井口。下钻具：利用钻台上面气动绞车首先挂住钻具顶部，再用猫道上的气动绞车钩住钻具底部，将钻具拉入坡道内，沿坡道的V型梢滑入至猫道上，要两部气动绞车配合使用才能将钻具滑向猫道尾部至合适位置。最后拆掉两部气动绞车的钢丝绳，由工人将钻具从猫道上面推回至钻杆排放架上。上述操作的缺点是需要3至4个工人配合，操作效率低、工人劳动强度大、安全性差、钻具的损坏程度也很高。因此井场钻具自动上、下钻台装置研究和设计，具有重要的现实意义。3未来

6、发展趋势在未来几年到十几年期间，我国的钻井勘探逐步向纵深的海洋发展，对钻井机械自动化水平的要求也逐步提高，特别是在海洋钻井机械设备自动化、安全性以及人员配备方面。为满足这些要求，自动化猫道技术得到了重视和发展，为此，钻杆的自动处理装置也得以快速发展。动力猫道可与钻杆自动化处理装置、钻具自动排放装置、气动卡瓦和铁钻工联合使用，使其进口实现钻杆操作的全自动化或者半自动化，可提高钻井的工作效率和安全性，该技术在海洋钻井平台上有广阔的应用前景。三、项目研发目标研制1套自动化猫道运行系统，其电气技术性能指标为:处理管子最大直径：20英寸处理管子最大长度：13米处理管子最大重量：4-5吨速度：30-40根

7、/小时举舟占具的最大直径举升钻具的最大直径339.7mm举升最大重量10kN配套钻机5000m双升型式四连杆机构动力猫道右梁上校车的运动距离5.5m钻杆最大举升高度10m钻杆架高度1500mm四、项目研发团队1、主要研发人员序号姓名性别年龄毕业院校学历职务在本项目中的具体工作1肖自琦男天津大学本科技术专豕项目负责人2王帅男24北京交通大学海滨学院本科研发工程师现场调试3梁磐男24中国石油大学本科研发工程师现场调试胜利学院4毋晓龙男25山西大同大学本科研发工程师程序设计5宋辰男27天津工业大学本科研发工程师图纸设计2、项目负责人基本情况姓名肖自琦身份证件号

8、历大学本科所学专业工业企业电气化与自动化目前与企业之间的关系技术专家毕业学校天津大学手机e-mail通信地址北京市通州区中关村科技园金桥科技产业基地景盛南二街12#自我陈述:87年大学毕业后被分配到天水电气传动研究所工作，2005年来北京四利通公司工作至今，从事过多个工程项目的设计和调试，尤其是对变频设计及研究应用经验丰富，并且具有一定的研发能力，能全力负责完成该科研项目的研制开发。自我评价（写出本人专长、优势）：各种电控系统线路板电子电路设计；矿井提升大功率电机调速系统交交变频器设计;各种大型复杂工程项目传动系统的现场调试。学习和工作经历（学历高者重点写学历）：大学本科。在本公司职务及担任职

9、责：高级技术专家取得职称（职称全称、取得时间）：本科学士学位、高级工程师主持或主要参加过的技术、产品开发工作：（项目历时？过程中解决什么重大问题，最终取得了什么（数据化）的业绩，体现个人专长和优势。）6000米电驱动沙漠钻机特等奖；90年代，电驱动钻机技术国产化项目组核心骨干成员；电驱动钻机电控发电系统、传动系统的控制线路板设计；矿井提升电控传动系统的控制线路板设计；轧钢电控传动系统的控制线路板设计。取得知识产权情况：写出所有知识产权（列表）数个专利发明所获国家或者省市级给予的奖励与认定（时间，名称）：荣获天水市科技进步三等奖两项，五、项目技术路线1 .项目总体技术概述自动化猫道主要由六部分组

10、成，分别是云梁、支架、猫道主体、钻杆排放架、液压站及控制台，其中支架分为前支架和后支架两部分，猫道主体分为前台和后台，各部分之间靠销轴校接在一起。自动化猫道各环节的动作是通过电、气、液三路控制相应的执行部件所实现的，液、气路控制系统主要集中在液压站上，电路控制系统主要集中在控制台上。液压站是自动化猫道的动力之源，为猫道的所有动作提供源动力。控制台是自动化猫道的控制核心，是所有动作的法令机构，任何一个动作指令均是从此发出。2 .项目所依据的技术原理液、气路控制系统的（液压站）设计液压站外形尺寸：长4300mm宽1500mm高1070mm外部框架主要由S12板材、100*100*6方管等材料组焊而

11、成，内部主要部件包括防爆电机、高压齿轮泵、油箱、联轴器、囊式储能器、防爆电磁换向阀、卸荷溢流阀、分流节流阀、高压截止阀等部件。S11液压站示意图液压站工作原理如下图衣之金油kr.。由版他向司对端.他Ifl莅业Ml株iji)於1、住山件上尊1N1用if.TKV1G111114J.111M1等*i2LlLL卅口L1m3KMM油注后通¥段俏上ta咕»蛇凯,鼻仲星m2ar用川F*A<K4rri射内】即山,Aflwrftr11汩*i稀州*凡姆用HriOL怦出K-.AIM以生1科气阳PHdi¥*离二:十辅i'L*T懦M*4*1知巴|.4!TiftHEH*

12、1;J±号迂止T,雁皮巧达叱抬w1恻上JdtrtlM1中出*K髀刎上llhiikl*fiEE*醒和拜忖油件IH*RM沙II泊】旭.41*»BfilSbll油fa1件山*%的期11加*.出内官十楮rai加*HtM.认王箱口L41峰回1细东告il*控制台控制面板布局如下o孤题电的拈豕灯OOOO第前力裱塞配液压马达正息剌戈全情伸海区力帆警O O O O O控制电弹指卞动力推缸埔渍国马站尻骑 A,安全梢箭旅也能他而泡 不灯的折利f将哥】 回相系灯 外猴灯* £”海;UhAi, H.Jil R恻推杆施M川捶打灌M H*J先全悄-M 液口马玷2 9电机动 2.4 |&

13、餐台拄制面板布局冲出指希幻转精系打出指示灯灯控制台是自动化猫道所有命令的发出机构，液压站控制箱是自动化猫道的中间执行机构。电路控制简易流程图如下猫道的控制程序是在满足猫道各环节动作的前提下，根据不同的动作编制相应的功能块，使各环节动作之间增加互锁，确保自动化猫道整体的连接性。3.主要技术与性能指标液压站主要电气技术性能指标：80ml/r最高工作压力：16MPa油泵排量:电动机额定功率:电动机级数：蓄能器充气电压：油箱有效容积：执行电磁兼容EM麻准37KW10MPa860L5项目实现的质量标准类型、标准名称项目设计、制造、检测及运行调试,严格按ISO9001标准执行。6通过本项目实施企业新获得的

14、相关资质证书等无7项目技术方案的可行性、合理性分析我们公司投入有经验的科研人员研制1套自动猫道控制系统。既可以“手动”操作也可以“联动”一键操作。我们公司是一家从事各种电气技术应用的专业公司，积累了丰富的现场应用经验，加上从事过国内众多重大项目研究的科技人员，如：大功率交交变频器，大功率高压变频器，国内第一套电动钻机的研制等项目。使所开发产品的可靠性达到可靠运行的理想水平。六、项目创新点1项目理论创新该项目的理论创新点是：通过远程设备控制PLC进行操作，控制电磁阀与接触器的通断，进而实现气缸与液缸的运行。实现起下钻的远程操作。自动猫道的成功应用可以使钻井过程的起下钻操作简单安全，减少作业人员的

15、劳动强度和施工危险，提高整体的工作效率，使钻机的整体水平和自动化能力得到进一步提高。2项目应用创新自动化猫道控制系统不仅能满足陆地石油钻机行业，也可以满足海洋石油钻机行业的应用，大大提升生产效率，钻机的自动化能力进一步提升。3项目产品技术创新（如：功能创新、形式创新、服务创新、技术创新）（1）远程遥控操作面板操作（2）一键联动操作4项目在工艺上创新（如：工艺路线创新、工艺设备创新、工艺环节创新）无5项目在结构上创新（如：产品结构创新、工艺结构创新）无七、预期可取得的成果项目完成计划时解决的关键技术问题1）一键联动运行时，猫道的控制程序是在满足各环节的动作前提下，根据不同的动作编制相应的功能块，

16、使各个环节动作之间增加互锁，确保自动化猫道整体的连续性。2）液压站的设计，需保证各个节点气、液的压力保持充足。机械结构强度稳定，安全。2. 项目完成计划时达到的技术性能指标处理管子最大直径：20英寸处理管子最大长度：13处理管子最大重量：4-5速度：30-40根 / 小时举升钻具的最大直径举升钻具的最大直径339.7mm举升最大重量10kN配套钻机5000m双升型式四连杆机构动力猫道云梁上校车的运动距离5.5m钻杆最大举升高度10m最高工作压力：16MPa油泵排量： 电动机额定功率： 电动机级数： 蓄能器充气电压： 油箱有效容积：80ml/r37KW4级10MPa860L执行电磁兼容EM麻准防

17、护等级：IP40八、项目实施风险及应对措施1技术风险因为我们公司自成立至今，一直专注于石油钻机控制系统的设计，制造，调试等工作，对石油钻机控制系统的应用和结构等性能比较了解，所以我们积累了丰富的应用经验,另外我们长期研究如何提高遥控手柄和S7-300西门子PLC之间操作的稳定性。气、液缸的稳定性。不存在风险。2市场风险我们公司是一家主要从事石油钻机电气控制系统的专业公司，在石油钻机电气控制系统制造占领了一定的市场份额，公司产值每年都在递增，所以就自己公司的应用也市场不存在风险。应对措施：即使钻机电控系统出现萎缩，自动猫道控制系统可以覆盖海洋和陆地市场。所以市场前景无限。3. 财务风险无应对措施：无4人才风险目前公司技术人员都具有大专以上的文聘，每年都有大学生进入公司发展，并且公司的技术骨干都参与并掌握了自动化猫道控制系统的主要技术，所以不存在人才风险。5政策风险石油钻井技术的创新一直都符合国家发展政策，所以不存在风险九、项目竞争优劣势分析1 .项目产品的主要竞争者在国内几年来做石油钻机电气控制系统的公司，很多公司暂时，所以竞争对手很少。2 .项目产品技术性能比较优势其技术性能指标达到国外同类产品的领先水平，在此方面将会填补国内空白。3 .项目产品其他市场竞争优势（初创期企业创新项目可不填此栏）公