海洋钻机电气控制系统设计及关键技术
摘 要：现如今我们国家在海洋钻机运作方面存在着例如送钻控制自动化程度低、缺乏柔性扭矩的预测与控制、海浪升沉补偿技术依赖进口、软泵控制技术未实现工程化等一系列的技术难题，所以我们按照海洋钻井这个平台独特的结构特点和工作环境，总结归纳出了海洋钻机电气传动控制系统的基本组成。并且我们以70DBF电驱动钻机为参照设计制作出了传动控制系统、海洋钻机的动力控制系统和PLC网络控制系统。与此同时，我们又对其关键技术，例如常见的谐波治理、自动送钻、软泵控制、软扭矩、主动升降补偿技术等问题进行了进一步的研究讨论。最终实际结果显示，这套海洋钻机电器控制系统可以达到海上7 000 m海洋钻机的工作要求。在最后又对海洋钻机作业过程中所存在的一些常见问题进行了深度探讨。
关键词：石油钻机;软扭矩;海洋平台;海浪升沉补偿;自动送钻
海洋石油钻机的本质为一套结构非常繁杂的大型设备，这套大型设备通常是由旋转系统、起升系统、传动系统、控制系统、钻井液循环系统等许多个系统组建而成，从而能够使这套系统完成下钻、起钻、循环洗井、旋转钻进等一系列的工作[1]。然而要使这套设备完成这一系列的繁杂工作，就必须拥有一套完整的电控制系统。但是我们国家软扭矩控制、海湾升沉补偿和软泵控制这些方面的技术还不够成熟，导致自动化程度偏低，所以未能广泛应用。
1 电器控制系统的基本构成
电驱动石油钻机的电气控制系统总共是由3个部分所组成的。首先是由柴油发电锯所组成的基础动力控制系统;其次是用于辅助和控制各电动组、照明、井场等多个作业区域的供电控制系统;最后是由直流调速所组成的设备的传动控制系统。
2 电气控制系统的设计
我们所研究的70DBF电驱动的电器控制系统所应用的是由柴油发电机组通过并网的方式，最终产生电流，然后向所需要的系统供电的方式。例如向VFD系统还有SCR系统同时提供AC600 V的电网，我们日常的生活用電是由一台600/400 V 1 250 kVA的变压器为电源提供的。
2.1 动力控制系统的设计
动力控制系统的组成采用的是4台柴油机组采用并网发电的形式，这套动力系统的容量为6 000 kVA，系统的总功率为4 800 kW，系统的频率为50 Hz，系统的电压AC为600 V，每一台柴油机的单机功率都是1 200 kW。这套系统的测量仪选用的是7 300全数字的智能电力仪表，这款仪表不仅在计算精度方面特别出色同时还能够完成计算机的一些通信任务。
2.2 电气传动控制系统的设计
这套电气传动系统是由3台传动柜将发电并网母线上原本的交流电整流成直流电，然后用整流来的直流电来启动3台泥浆泵上面存在的6台串励直流电机，所运用的方式是一对二的操控方式[2]。为这套传动控制系统提供技术支持的是西门子6SE71交流变频调速技术和6RA70直流操控技术，都是全数字的。西门子的这两个调控技术有许多的优点，例如调速快、调度精准、使用方便快捷、故障率低等。
2.3 PLC控制系统的设计
我们所研究的这套电气控制系统中，PLC网络控制系统采用的信息指示系统为SIEMENS TP-270触摸屏形式，可以对整个钻机系统进行实时的监控，监控方式是采用画面的形式，同时还能够通过信息报警和故障的检测来完成对整套钻机系统的实时监控。
3 控制系统的关键技术
3.1 控制系统中的自动送钻技术
自动送钻技术的基本算法取自自适应Fuzzy PID控制算法，所采用的变频器和电机为西门子的6SE71和同为西门子品牌的S7-300 PLC系列的45 kVA变频器，电机为37 kW的交流电机。自动送钻技术是通过速度环、钻压环、气压环3环的共同控制，从而实现打钻的过程中悬重的恒定，进而达到给定钻压的恒定要求，最终完成自动送钻的目的。
3.2 控制系统中的软扭矩控制技术
控制系统中的软扭矩控制技术是根据实时检测到的电机速度还有扭矩，来判断和提前预测此时井下的各部件运行状态是否良好和接下来的运行趋势，并且通过所预估到的各部件运行状态和未来的运行趋势来判断是否需要对其进行修补及修补范围的大小。修补的大小通常是依据当前的钻头、钻柱、下部钻具等多个部分的组合数据来决定的。
3.3 控制系统中的软泵控制技术
当多台钻井泵同时进行工作时，每个泵的泵速都是独立进行调节的，泵与泵之间的活塞运动互补协调，这样就会使泵压叠加，从而导致高压管路里面的钻压液发生非常大的波动。采用检查每一台钻井泵轴在钻井中的具体角位置从而来推断活塞的位置的方式，最终达成多台泵的“角同步”控制目的。
3.4 控制系统中的主动升沉补偿技术
主动沉降补偿技术实际上就是通过绞车的动力系统完成对绞车滚轮转速的控制，实现钢丝绳的收放工作，通过天车自身的滑轮控制游车，最终实现升沉补偿功能。
4 结语
本文中所涉及的电气控制系统和这些系统所应用到的关键技术，如今在各类钻井驳船和各类自升式的钻井平台上都得到了应用，并且都能够满足固井、钻井和辅助试油等一系列的作业要求。经过在实际生产作业中的运行与检测，我们可以看出该电控系统是一套可靠安全的系统，并且运行稳定，使用起来快捷方便，操作简单，所运用的技术先进成熟，完全能够满足7 000 m海洋钻机的生产需要。
[参考文献]
[1]蔡运恒.海洋钻机起升系统负荷特性研究[D].西安：西安工程大学，2016.
[2]刘曙光，蔡运恒，贾晨辉，等.海洋钻机电气控制系统设计及关键技术[J].西安工程大学学报，2016（1）：131-136.
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