CN110552857A - 一种电驱固井设备和调节方法 - Google Patents

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廖明
刘洪李
李斌
杨力沛
雷彪
于海安
王同友
张冉
张贵磊
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Abstract

本发明实施例公开了一种电驱固井设备和调节方法，所述设备包括：配电板和两路电驱支路，配电板为每路所述电驱支路供电，每路所述电驱支路包括依次相连的变频器、变频电机、变速箱、固井泵；两路所述电驱支路的固井泵所泵出的工业液体汇合后排出，所述变频电机的转速根据所获取的变频参数确定。以变频电机为动力源，驱动固井泵，实现固井作业的近程或远程控制。

Description

一种电驱固井设备和调节方法
技术领域
本发明实施例涉及固井控制技术，尤指一种电驱固井设备和调节方法。
背景技术
海洋石油钻探平台目前使用的固井双机双泵撬是用两台柴油机作为动力源，即两台柴油机分别驱动两台柱塞泵；但是柴油机驱动固井泵撬所带来的装机功率不足，安装空间有限，防爆等级不高，工作时高温高噪音，设备自动化程度、设备日常维护难度等问题，在海洋石油深水钻探作业中，这些问题更显突出。
发明内容
本发明实施例提供了一种电驱固井设备和调节方法，以变频电机为动力源，驱动固井泵，实现固井作业的近程或远程控制。
为了达到本发明实施例目的，本发明实施例提供了一种电驱固井设备，包括：配电板和两路电驱支路，配电板为每路所述电驱支路供电，每路所述电驱支路包括依次相连的变频器、变频电机、变速箱、固井泵；两路所述电驱支路的固井泵所泵出的工业液体汇合后排出，所述变频电机的转速根据所获取的变频参数确定。
优选地，每路所述电驱支路还包括电机冷却器，所述电机冷却器设置在变频电机的外部、与所述变频电机相距预设距离的位置，用于冷却所述变频电机。
优选地，所述冷却器包括以下至少之一：风机、风水冷热交换器、水冷热交换器。
优选地，所述变频器包括：依次相连的整流单元、滤波单元和逆变单元。
优选地，所述变频电机为隔爆型电机或增安型电机。
优选地，每路所述电驱支路还包括变频器冷却器，所述变频器冷却器设置在变频器的外部、与所述变频器相距预设距离的位置，用于冷却所述变频器。
优选地，所述变频器冷却器包括以下至少之一：风机、水冷热交换器。
优选地，所述固井泵为固井柱塞泵，用于泵注来自混浆罐的工业液体。
本发明实施例还提供了一种电驱固井设备的调节方法，所述电驱固井设备为上述的电驱固井设备，包括：
获取变频器的变频参数；
根据所述变频参数确定变频电机的转速；
变频电机驱动固井泵工作，将所泵出的工业液体汇合后排出。
优选地，获取变频器的变频参数包括以下之一：
接受用户设定的变频参数；
检测泵出的工业液体的密度参数、压力参数、排量参数，根据所述密度参数、压力参数、排量参数与变频参数的对应关系确定变频参数。
本发明实施例的有益效果可以包括：
1、本发明实施例使用变频电机驱动固井泵，在同等安装空间内相比柴油机驱动可使设备装机功率扩大一倍，工作能力大幅度提升，防爆等级至少达到ZONE II区域要求；
2、本发明实施例使用变频电机驱动固井泵，有效降低工作时噪音，且变频电机一般无需维护，减少人工成本降低工作强度。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明实施例的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明实施例技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明实施例的技术方案，并不构成对本发明实施例技术方案的限制。
图1为本发明实施例的电驱固井设备的结构示意图；
图2为本发明实施例的电驱固井设备调节方法的流程图；
图3为本发明实施例的变频器控制的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种电驱固井设备，包括：配电板和两路电驱支路，配电板为每路所述电驱支路供电，每路所述电驱支路包括依次相连的变频器、变频电机、变速箱、固井泵；两路所述电驱支路的固井泵所泵出的工业液体汇合后排出，所述变频电机的转速根据所获取的变频参数确定。
在本发明的示例性实施例中，采用变频电机驱动，配电板分别给2个变频器供电，变频器1向变频电机1供电，并控制变频电机1的旋转速度，变频电机1旋转驱动变速箱1，变速箱1输出转速和扭矩驱动固井泵1，泵注来自混浆罐的工业液体。
变频器2向变频电机2供电，控制变频电机2的旋转速度，变频电机2旋转驱动变速箱2，变速箱2输出转速和扭矩驱动固井柱塞泵2，泵注来自混浆罐的工业液体，并于固井柱塞泵1泵出的工业液体汇合后排出。
在本发明的示例性实施例中，每路所述电驱支路还包括电机冷却器，所述电机冷却器设置在变频电机的外部、与所述变频电机相距预设距离的位置，用于冷却所述变频电机。
在本发明的示例性实施例中，所述冷却器包括以下至少之一：风机、风水冷热交换器、水冷热交换器。
在本发明的示例性实施例中，所述变频器包括：依次相连的整流单元、滤波单元和逆变单元。
在本发明的示例性实施例中，所述变频电机为隔爆型电机或增安型电机。
在本发明的示例性实施例中，每路所述电驱支路还包括变频器冷却器，所述变频器冷却器设置在变频器的外部、与所述变频器相距预设距离的位置，用于冷却所述变频器。
在本发明的示例性实施例中，所述变频器冷却器包括以下至少之一：风机、水冷热交换器。
在本发明的示例性实施例中，所述固井泵为液压固井柱塞泵，用于泵注来自混浆罐的工业液体。
实施例二
如图2所示，本发明实施例提供一种电驱固井设备的调节方法，应用于上述的电驱固井设备，包括：
S101、获取变频器的变频参数；
S102、根据所述变频参数确定变频电机的转速；
S103、变频电机驱动固井泵工作，将所泵出的工业液体汇合后排出。
本发明实施例中，步骤S101中获取变频器的变频参数包括以下之一：
接受用户设定的变频参数；
检测泵出的工业液体的密度参数、压力参数、排量参数，根据所述密度参数、压力参数、排量参数与变频参数的对应关系确定变频参数。
实施例三
随着国际石油经济的高速发展，国际、国内法规对潜在危险区域作业的安全要求日益提高。特别是近两年，在招标技术要求里面都明确要求服务公司或制造厂提供能够在Zone II环境下作业石油设备。在实际油田钻采作业中，特别是海洋钻井平台上，由于设备受到场地、安装等因素的限制，不可避免地会处于这种危险环境。本发明实施例提供的电驱固井设备具备防爆要求及在危险区域内的作业环境；本发明实施例的电驱固井设备能够用于危险区域作业、满足防爆的功能。
对于电驱固井设备而言，需要选用合适的符合zone II工况的防爆电机；
电驱固井设备采用电机作为动力源，将固井泵和通过取力器—液压泵—液压马达(或液压缸)—执行元件进行功率传输。
电驱固井设备的固井泵参数，选用TPD600泵型，并以此进行变频电机及变频器的选型及液压动力匹配计算。
海洋石油钻探平台电网等级通常采用11KV/690V/400V/230V，钻井系统通常采用690V。如果电驱固井设备防爆区域要求在危险一区，通常选择隔爆型(Exd)电机，也可选择符合一区防爆要求的增安型(Exe)电机或者隔爆型电机。如果电驱固井设备工作在危险二区，除上述两种电机外，还可以使用无火花型(EX nA)电机。
本发明实施例的电驱固井设备中，固井泵在某个档位下，其对应的排量是定值，但该档位下的最大压力则与实际输入的制动马力有关。本发明实施例的电驱固井设备中变频电机需要驱动TPD600泵，因此，确定了传动箱的型号ALLISON 6620，ALLISON 6620传动箱参数如下：
最大输入扭矩3525N·M
最大允许输入功率为850HP(634KW)，输入最低怠速：550RPM，主体净重：1114kg，尺寸：1184x762x902(mm)
各档速比4.00,2.68,2.01,1.35,1.00,0.67
闭锁转速1650RPM
固井泵TPD600泵负载需对电机和传动箱进行匹配折算。
表1 TPD600泵负载计算
输出转速 输出扭矩 输出功率 传动比 输入扭矩
1档 525 8138 447 4.00 2035
2档 783 5457 447 2.68 2036
3档 1045 4089 447 2.01 2034
4档 1555 2748 447 1.35 2036
5档 2100 2035 447 1.00 2035
传动箱的参数限制了变频电机的最大输出扭矩和最大输出功率，变频电机在2100RPM时输出的扭矩和功率大于传动箱的输入扭矩2035NM和功率447KW即可满足驱动TPD600固井泵的作业工况。如果驱动1000HP固井泵，传动箱需要更换变频电机输出参数要大于735KW。
电驱固井设备中的变频电机的选型主要考虑以下几方面要求：
1)电机的负载能力
2)变频防爆电机
3)电机冷却方式选择
4)电机DNV认证
本发明实施例中，变频电机可选用GE 5GEB22电机或SIEMENS1PS4(1MN1)电机。
本发明实施例中，变频电机的冷却方式包括：
1、空空冷却----强制风冷
电机靠外部风机循环空气与外部环境进行热交换，从而冷却。
2、空水冷却----风水冷热交换器冷却
电机靠外部风扇循环内部空气与水冷热交换进行热交换，一般风水冷热交换器在电机顶部。
3、空水冷却----水套冷却
电机靠内部风扇循环内部空气与水冷热交换进行热交换，水冷热交换器与电机机壳一体式设计，体积更小，可认为是上面电机的升级。
本发明实施例中，需要变频器与变频电机的功率匹配、变频器性能(谐波污染)、变频器的散热方式、防护等级满足DNV认证，变频器功率选择以电机驱动的固井泵为基准，例如选择的固井泵为三缸柱塞泵，其功率为447千瓦，变频器输出功率在447千瓦之上即可，考虑到适当留有余量的原则，变频器选择500千瓦，考虑到以后升级到五缸柱塞泵，功率在750千瓦，变频器可以选择800千瓦。
变频器冷却循环可以有三种冷却方式：自然冷却、强迫风冷、水冷。
本发明实施例中，变频器冷却方式分为风冷和水冷。
实施例四
本发明实施例中，电驱固井设备采用模块化设计，电驱固井设备的整体布局应结合平台的安装空间进行撬架尺寸的确定，一般为对称结构，本发明实施例采用双机双泵固井撬，主要上装部件为动力-传动-泵注总成，其采用左右对称布置，同时其他附件也应左右均布；这样能尽可能避免设备在起吊过程中重心偏置而导致侧翻，同时也能使得设备安装后固井舱底座承载均匀分布。
如图1所示，本发明实施例中，电驱固井设备结构分为3大部分：1.动力模块；2.泵注模块；3.混浆模块。
每个模块均具有以下特点：
①各模块有起吊架，可单独起吊；
②各模块又可拆分为2个撬体部分，利于特殊情况下撬架分体进舱；且拆分后的部分，起吊可使用原有起吊架；
③设备安装后，起吊架可进行拆除，更利于维护和节省空间。
④各模块间仅存在电、气、液等管线连接，设计断开式卡箍或快插，方便拆卸。
本发明实施例中，电驱固井设备在运行过程中在海洋平台工作过程中不仅要承受自身的重量，还要承受来自外界的环境载荷，比如波浪载荷，惯性载荷等，海洋平台设备的安装及工作过程中的可靠性越来越受到重视，同时海洋平台在建造过程中需综合考虑设备安装及其运行时的受力情况，以便合理的在平台上布置设备底座，保证即使在恶劣的海洋条件下，设备和平台本身也能平稳安全作业。
本发明实施例中，采用将电驱固井设备与海洋平台甲板采用固定式连接，即在海洋平台上焊接安装用“H”型钢，并将电驱固井设备撬架底座与“H”型钢焊接在一起，为尽可能减少安装所带来的平台受力不均影响，一般要求安装基座尽可能平整，基座和电驱固井设备之间为焊接形式连接；使电驱固井设备与海洋平台成为一体，尽可能减少电驱固井设备与海洋平台活动连接所产生的疲劳失效可能性，这样能有效避免设备的滑移、翻转等。
电驱固井设备的撬架主要承力部件均采用Q345材料焊接，该材料屈服强度为345Mpa，拉伸强度为450-630Mpa，在计算校核撬架强度时材料受到的最大应力不能超过材料拉伸强度的0.85倍，因此撬架最大许可应力不能超过382.5Mpa。
传动轴用于变频电机、传动箱和固井泵之间的动力传输，传动轴一般从传动轴长度、两端法兰、最大扭矩、疲劳扭矩、安装角度等方面进行选型校核。
通过变频器控制，调整电机的额定转速为2100rpm，功率为447kW，传动箱为ALLISON S6620，柱塞泵为TPD600，则输出功率为：
其中：T----连续工作扭矩，Nm
P----输入功率，kW
n----转速，r/min
传动轴当量扭矩(Equivalent Torque)为：
ET＝T×FA×FL×FP 式2
式中：FA----角度系数(Angle Factor)
FL----寿命系数(Life Factor)
FP----动力系数(Power Factor)
依据发动机输出功率及转速，可以得到表2中ALLISON S6620传动箱各档位转速和扭矩，即传动轴的输入扭矩、转速等参数；选择传动轴参数时，应根据工况乘以相应的安全系数。
表2 传动轴相关参数表
电驱固井设备通过电机—传动箱—取力器—液压泵—液压马达(或液压缸)—执行元件进行功率传输。液压传动的计算，包括主要液压元器件的选型(油泵、马达等)、油箱容积计算、油管内径选择、系统性能验算、发热温升和散热功率等。
液压系统实际驱动功率：
QN＝n×q 式2
其中：P----液压泵/马达驱动功率(kW)
PN----液压泵/马达的额定压力(MPa)
QN----液压泵/马达的额定流量(L/min)
ηP----液压泵/马达的总效率
n----液压泵/马达的转速(r/min)
q----液压泵/马达排量(L/r)
则马达的输入转速为：
上式中：V----液压马达排量(L/r)
液压系统的发热功率PH：
PH＝PP-Pe 式4
其中：PP----液压泵的总输入功率(kW)
Pe----执行元件的有效功率(kW)
实施例五
本发明实施例中，电驱固井设备基本信息如下：
①变频电机：5GEB22A5_AG
②变速箱：ALLISON S6620H
③固井泵：TPD600,4 1/2"及3"
④外形尺寸：9200X3200X3750mm
动力撬座：4033X3200X3750mm
泵注撬座：2455X3200X3350mm
混浆撬座：2800X3200X3550mm
⑤总重量31t
1.该电驱固井设备主配置为GEB22电机+ALLISON S6620+TPD600+SUPER ACM，其配置及防爆要求与目前国际主流的深水电驱固井设备配置相当；
2.该电驱固井设备总功率为2300HP，满足固井设备要求的总功率不小于1000HP的要求，且满足双QPA1000五缸泵的配置要求；
3.该电驱固井设备最高压力为15000psi，符合设备的最高压力要求；
4.该电驱固井设备最大排量为3.05m3/min，满足设备最高排量3.0m3/min的要求；
5.设备可在本地和远程控制室实现自动混浆和泵送，所有本地操作均可在触摸屏上控制；且操作过程和结果均符合作业要求，设备实现了自动混浆的近远程控制；
6.测试噪声值为84dB，符合设备噪声要求，使用变频电机大大降低了设备的噪声；
7.混浆罐可实现液面的自动高低位控制。
基于以上测试结果，本电驱固井设备的主要性能指标已经满足要求。
实施例六
本发明实施例中，变频器控制变频电机的控制采用PLC(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)方式，如图3所示：
首先确定变频器是否报警，当报警时，复位变频器，当不报警时，确定变频电机是否启动；在电机和变频器都准备好时，给变频器启动命令；电机按照对应的转速工作；在接收到停止或者急停命令时，控制电机停止工作。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (10)

1.一种电驱固井设备，其特征在于，包括：配电板和两路电驱支路，配电板为每路所述电驱支路供电，每路所述电驱支路包括依次相连的变频器、变频电机、变速箱、固井泵；两路所述电驱支路的固井泵所泵出的工业液体汇合后排出，所述变频电机的转速根据所获取的变频参数确定。
2.根据权利要求1所述的电驱固井设备，其特征在于，每路所述电驱支路还包括电机冷却器，所述电机冷却器设置在变频电机的外部、与所述变频电机相距预设距离的位置，用于冷却所述变频电机。
3.根据权利要求2所述的电驱固井设备，其特征在于，所述冷却器包括以下至少之一：风机、风水冷热交换器、水冷热交换器。
4.根据权利要求1所述的电驱固井设备，其特征在于，所述变频器包括：依次相连的整流单元、滤波单元和逆变单元。
5.根据权利要求1所述的电驱固井设备，其特征在于，所述变频电机为隔爆型电机或增安型电机。
6.根据权利要求1所述的电驱固井设备，其特征在于，每路所述电驱支路还包括变频器冷却器，所述变频器冷却器设置在变频器的外部、与所述变频器相距预设距离的位置，用于冷却所述变频器。
7.根据权利要求6所述的电驱固井设备，其特征在于，所述变频器冷却器包括以下至少之一：风机、水冷热交换器。
8.根据权利要求1所述的电驱固井设备，其特征在于，所述固井泵为固井柱塞泵，用于泵注来自混浆罐的工业液体。
9.一种电驱固井设备的调节方法，其特征在于，所述电驱固井设备为权利要求1-8中任一项所述的电驱固井设备，包括：
获取变频器的变频参数；
根据所述变频参数确定变频电机的转速；
变频电机驱动固井泵工作，将所泵出的工业液体汇合后排出。
10.根据权利要求9所述的调节方法，其特征在于，获取变频器的变频参数包括以下之一：
接受用户设定的变频参数；
检测泵出的工业液体的密度参数、压力参数、排量参数，根据所述密度参数、压力参数、排量参数与变频参数的对应关系确定变频参数。
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