CN203612856U - 一种基于高效智能安全石油钻井绞车系统的专用控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体涉及一种基于高效智能安全石油钻井绞车系统的专用控制系统。使绞车系统保留交流变频驱动绞车的优势，优化吸取直流驱动绞车下钻速度快的特点，最大化地提高绞车驱动电机的功率利用率，使得绞车起升工况具有变频驱动的特性，下钻工况则具有直流驱动特性。本实用新型采用的技术方案为包括绞车，滚筒编码器、PLC控制系统、变频器、司钻操作台、触摸屏和可控硅整流装置，PLC控制系统分别与可控硅整流装置、变频器、司钻操作台相连；司钻控制台分别与绞车上的电磁涡流刹车和触摸屏相连；可控硅整流装置通过动力电缆与绞车相连；变频器通过动力电缆与绞车上的交流变频电机相连，滚筒编码器通过连轴器与绞车的滚筒轴总成相连。

Description

一种基于高效智能安全石油钻井绞车系统的专用控制系统

一、技术领域：

本实用新型具体涉及一种基于高效智能安全石油钻井绞车系统的专用控制系统。

二、背景技术：

交流变频钻机具有操作简便、控制精度与可靠性较高等优点；具备人工智能化网络平台，与传统机械驱动和直流电驱动钻机相比，具有以下优势：

1、钻机可实现无级变速，调速范围宽；低速大扭矩特性对井下钻具的事故处理、侧钻、修井、小泥浆排量作业以及优选参数钻井作业十分有利。

2、可使电机的短时增矩倍数达到1.5～2倍以上,大大提高了钻机的提升能力和事故处理能力。

3、由于具有恒功率、宽调速的特性,精简钻机的机械结构。

4、具有转盘扭矩限制的功能,可防止钻具倒转、脱扣。

5、交流变频技术具有绞车起下钻全程调速和控制功能，下钻可零速悬停，并对电机具有安全保护功能。

6、负载功率因数高，具有软起动性能，降低供电电源的容量。

7、在负载情况下,可实现平稳起动、制动和调速；在起、下钻时，通过对电网能量的反馈，减少制动装置损耗，节约能源。

8、具备人工智能化网络平台，。

由于变频调速技术可使石油钻机获得更好的钻井性能和宽广的调速使用范围，用于驱动绞车，可使绞车重量减少20～30%、尺寸减小25～40%，并且整个传动系统也被极大地简化，因此普遍认为交流变频电驱动是目前石油钻机最好的驱动形式。鉴于上述优点，交流变频调速钻机近年来得到了快速地发展，在国内外获得广泛应用。

但在下钻作业中，游动系统的悬重是通过滚筒拖动主电机反转，使主电机处于发电状态。在下钻过程中，游动系统下放的势能转化为滚筒的动能，该动能通过电机转化为电能。

目前变频控制系统中，下放能量是通过变频器的制动单元及制动电阻转化为热能释放。使钻具以设定的速度平稳安全的下放。具有绞车刹车系统的自动控制，操作平稳、安全、可靠等优点。但由于下放的制动能量和下放速度及钩载有关系，因此在采用能耗制动时下放速度不能过快，变频器易报故障等缺点。经过几年应用后，经过再认识分析，与国际先进技术相比，存在以下缺点：

1、与直流驱动钻机相比，起下钻作业效率低，钻井周期长、成本高。

2、由于钻井工程技术要求快速下钻，而变频钻机绞车由于下放控制模式的限制，下放过程能量无法快速释放，对控制系统电压冲击较大，导致设备故障率高，安全性下降。

3、提升过程受下放控制模式的限制，导致提升速度无法提高。

4、变频钻机通过简单的功能集成，绞车结构、控制系统未进行系统化匹配设计，绞车系统一体化程度较低。

三、实用新型内容：

本实用新型为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种基于高效智能安全石油钻井绞车系统的专用控制系统，使绞车系统保留交流变频驱动绞车的优势，优化吸取直流驱动绞车下钻速度快的特点，最大化地提高绞车驱动电机的功率利用率，使得绞车起升工况具有变频驱动的特性，下钻工况则具有直流驱动特性。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种基于高效智能安全石油钻井绞车系统的专用控制系统，包括绞车，其特征在于：还包括滚筒编码器、PLC控制系统、变频器、司钻操作台、触摸屏和可控硅整流装置，所述的PLC控制系统通过工业控制总线分别与可控硅整流装置、变频器、司钻操作台相连；司钻控制台通过工业控制总线分别与绞车上的电磁涡流刹车和触摸屏相连；可控硅整流装置通过动力电缆与绞车相连；变频器通过动力电缆与绞车上的交流变频电机相连，滚筒编码器通过连轴器与绞车的滚筒轴总成相连。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点和效果如下：本实用新型使绞车系统保留交流变频驱动绞车的优势，优化吸取直流驱动绞车下钻速度快的特点，最大化地提高绞车驱动电机的功率利用率，使得绞车起升工况具有变频驱动的特性，下钻工况则具有直流驱动特性，以实现安全、快速起下钻，进一步提高钻井效率；本专利具备绞车位置检测、建立动态起下钻数学模型，以最佳的实效控制起下钻过程；是一种刹车自动控制、钻井过程实现复合自动送钻功能的新型高效智能安全石油钻井绞车及控制系统。

四、附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图；

附图标记：1—绞车，2—滚筒编码器，3—PLC控制系统，4—变频器，5—司钻操作台，6—触摸屏,7—可控硅整流装置。

五、具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明：

参见图1：一种高效智能安全石油钻井绞车系统，包括绞车结构部分及绞车控制部分，所述的绞车结构包括电磁涡轮刹车、盘式刹车、滚筒轴总成、双档变速箱，所述的双档变速箱通过离合器与交流变频电机连接，所述的交流变频电机有两个，分别设置于双档变速箱的两侧，双档变速箱通过离合器与滚筒轴总成连接，滚筒轴总成通过花键与电磁漩涡刹车连接，滚筒轴总成与电磁漩涡刹车之间通过花键连接有盘式刹车；绞车控制部分由滚筒编码器2、PLC控制系统3、变频器4、司钻操作台5、触摸屏6和可控硅整流装置7组成，所述的PLC控制系统3通过工业控制总线分别与可控硅整流装置7、变频器4、司钻操作台5相连；司钻控制台5通过工业控制总线分别与绞车上的电磁涡流刹车和触摸屏6相连；可控硅整流装置7通过动力电缆与绞车相连；变频器4通过动力电缆与绞车上的交流变频电机相连，滚筒编码器2通过连轴器与绞车的滚筒轴总成相连。

由司钻操作台进行手动操作，触摸屏显示数据，通过PLC控制系统计算并发布指令控制变频器起停、速度等动作；滚筒编码器反馈信号，由PLC控制系统程序控制实现高度系统功能，PLC控制系统程序控制可控硅整流装置输出可调直流电流，从而控制盘式刹车和电磁涡流刹车实现复合刹车功能；变频器在PLC控制系统控制下输出动力，控制两台交流变频电机运转，从而通过机械连接带动滚筒轴总成运转，即绞车运转；

本实用新型“基于新型高效智能安全石油钻井绞车系统的专用控制系统”是“新型高效智能安全石油钻井绞车系统”的核心控制技术。

通过对刹车力矩PLC智能控制，由电控系统根据下放动力模型控制系统联动，实现全程下放过程的智能化。

PLC控制系统工况如下：

(1) 提升工况，VFD精确控制，保持变频绞车效率高、控制精度高的优点，并通过优化过程控制程序提高起钻时效。

(2) 下放工况：对变频器进行脉冲封锁，使用电磁涡流刹车来消耗下放过程中产生的能量，达到减速的目的。在距离钻台面设定高度利用变频器的捕捉再启动功能，变频器建立悬停功能，能耗制动系统投入使用，在需要对扣等工况时精确控制。实现钻具快速下放并能精确控制，提高钻井效率。

本实用新型：下放采用PLC+BYPASS两种控制模式，在正常情况下，电磁涡流刹车的投入由PLC来控制，在应急情况下，通过按钮来实现电磁涡流刹车最大扭矩输出。

本实用新型变频单元启动再捕捉技术：开启此功能后，当变频器启动时会先首先检测电机当前转速，此时输出功率会跟随电机转速直至电机磁场完全建立。

本实用新型起下钻全过程的智能化安全控制技术：起钻VFD精确控制，下放PLC+BYPASS复合控制，全程智能化安全控制。

本实用新型多重刹车安全保护功能技术 (MBS)：多重刹车系统提供了盘式主刹车，辅助刹车为电机能耗制动与电磁涡流刹车复合工作，为系统提供多个安全冗余。

本实用新型自动控制的钢丝绳防护系统技术（WPS）：此系统控制绞车滚筒及所附钢丝绳的速度和负荷。根据负荷和速度，此系统平缓紧急停车，可避免因PLC控制的液-电一体装置产生的 Bird’s Nest Effect (鸟巢效应)。

本实用新型新型复合自动送钻及司钻操控系统技术（ADS）：采用电磁涡流刹车与绞车主电机有机结合，集PLC智能控制、钻井参数监控与显示为一体，以复合控制方式实现自动送钻功能。

Claims (1)

1.一种基于高效智能安全石油钻井绞车系统的专用控制系统，包括绞车（1），其特征在于：还包括滚筒编码器（2）、PLC控制系统（3）、变频器（4）、司钻操作台（5）、触摸屏（6）和可控硅整流装置（7），所述的PLC控制系统（3）通过工业控制总线分别与可控硅整流装置（7）、变频器（4）、司钻操作台（5）相连；司钻控制台（5）通过工业控制总线分别与绞车（1）上的电磁涡流刹车和触摸屏（6）相连；可控硅整流装置（7）通过动力电缆与绞车相连；变频器（4）通过动力电缆与绞车上的交流变频电机相连，滚筒编码器（2）通过连轴器与绞车的滚筒轴总成相连。