Zusammenfassung: Dieser Artikel nutzt den von unserem Unternehmen hergestellten Frequenzumrichter JD-BP32-500 für Erdölbohranlagen, der von der Bohrlochbetriebsabteilung der Erdölbehörde des Ölfelds Daqing eingesetzt wird, als Beispiel, um die Bedeutung, den Anwendungseffekt und den Wert der Frequenzumwandlung für die Nachrüstung von Erdölbohranlagen zu erläutern. Aufgrund der besonderen Einsatzbedingungen von Erdölbohranlagen berücksichtigt das Produktdesign des Frequenzumrichters die relevanten technischen Herausforderungen und bildet somit eine Grundlage für die Entwicklung solcher Produkte. Schlüsselwörter : Erdölbohranlage, Frequenzumwandlung, Nachrüstung, Anwendung. Aufgrund der besonderen Einsatzbedingungen von Erdölbohranlagen haben wir relevante technologische Herausforderungen im Produktdesign von Wechselrichtern identifiziert und damit eine Grundlage für die Entwicklung dieser Produktart geschaffen. Schlüsselwörter: Erdölbohranlage, Frequenzumwandlung, Transformation, Anwendung. Einleitung: Mit der rasanten Entwicklung moderner Leistungselektronik und Mikroelektronik finden Frequenzumrichter als Produkt der modernen industriellen Revolution zunehmend Anwendung in verschiedenen Bereichen der industriellen Produktion. Von Niederspannung bis Hochspannung, von allgemeinen bis zu Spezialanwendungen – Frequenzumrichter spielen eine unersetzliche Rolle bei der Drehzahlregelung und Energieeinsparung und finden zunehmend Anwendung. Auf Anfrage der Abteilung für Bohrlochbetrieb des Erdölamts Daqing haben wir die Frequenzumrichter-Modifikation an deren Bohranlage – der Ölbohranlage – durchgeführt und gute Ergebnisse erzielt. I. Systembeschreibung der Ölbohranlage Die Ölbohranlage ist eine der Schlüsselkomponenten der Ölfeldproduktion. Mit der kontinuierlichen Steigerung der Produktionseffizienz steigen auch die Anforderungen an das Bohrsystem. Während des Bohrvorgangs muss das Bohrgestänge häufig gehoben und gesenkt werden. Aufgrund des Gewichts des Bohrstrangs muss das Heben und Senken stabil und präzise erfolgen. Dies ist die zentrale Anforderung an das Steuerungssystem der Bohranlage. Das Stromversorgungssystem vor Ort besteht aus zwei 500-kW-Generatorsätzen, die an das Stromnetz angeschlossen sind und eine Bohranlage sowie mehrere weitere 37-kW-Motoren mit Strom versorgen. Diese treiben den Bohrtisch und die Winde zum Heben und Senken des Bohrgestänges und des Bohrturms an. Die Bohrtiefe beträgt 3000 m (im Folgenden als 30-Bohranlage bezeichnet). Der eingesetzte Motor ist vom Typ Y423-6-500BPR, dessen Hauptparameter in der folgenden Tabelle aufgeführt sind. Er arbeitet mit einem Frequenzumrichter, der über ein Getriebe mit dem Drehteller und der Trommel verbunden ist und den Drehteller sowie die Winde antreibt. Eine pneumatische Kupplung gewährleistet Zuverlässigkeit und Sicherheit. Das Windenbremssystem ist eine Scheibenbremse, die die Instabilität des ursprünglichen Systems reduziert. Das gesamte System ist zudem mit einer Notbremse ausgestattet, die die Sicherheit und Zuverlässigkeit in Notfallsituationen erhöht. II. Konfiguration des Frequenzumrichters: Basierend auf den spezifischen Gegebenheiten vor Ort wählten wir den von unserem Unternehmen hergestellten Frequenzumrichter JD-BP32-500 500 kW/380 V. Seine wichtigsten Parameter sind: Eingang: Dreiphasig, 380 V, 50 Hz; Ausgang: Dreiphasig, 0–380 V, 0–50 Hz; Frequenzbereich: 0–50 Hz; Maximale Frequenz: 33,5–50 Hz. Frei einstellbare Grundfrequenz: 0–33,5 Hz; frei einstellbare Anlauffrequenz: 0–5 Hz; Drehmomentverstärkung: Optimal angepasst an das Lastdrehmoment. Aufgrund spezifischer Standortanforderungen wird der Wechselrichter häufig im Niederfrequenzbereich von 2–5 Hz mit einer hohen Verstärkung eingesetzt. Daher arbeitet er im Nennfrequenzbereich von 0–33,5 Hz mit konstantem Drehmoment und oberhalb von 33,5 Hz mit konstanter Leistung. Um der hohen Ausgangsleistung, häufigen Lastschwankungen aufgrund geologischer Gegebenheiten, großen Stromschwankungen mit häufigen periodischen Fluktuationen und dem begrenzten Platz vor Ort gerecht zu werden, ist die Größe des Wechselrichters minimiert. Wir verwenden eine einzigartige Struktur mit zwei parallelen Ausgangseinheiten, die jeweils vier direkt parallel geschaltete Leistungsmodule enthalten. Um die durch die Parallelschaltung der Module entstehende Stromverteilungsproblematik zu lösen, setzen wir sowohl Stromverteilungsdrosseln als auch eine erzwungene Stromverteilung ein, um den ordnungsgemäßen Betrieb jedes Moduls zu gewährleisten. Aufgrund des hohen Ausgangsstroms des Frequenzumrichters (nahezu 2 kA) wird zur Signalübertragung Glasfaserkommunikation eingesetzt, um Störungen durch starke Magnetfelder zu vermeiden. Zusätzlich wurden entsprechende Entstörungsmaßnahmen in die Steuerschaltung integriert, wodurch die Betriebssicherheit des Frequenzumrichters erhöht und optimale Ergebnisse erzielt werden. Da die Last häufig schwankt und der Strom während des Betriebs stark variiert, arbeitet der Motor zeitweise im Generatorbetrieb. Um diese Energie effektiv zu nutzen und die Sicherheit des Frequenzumrichters zu gewährleisten, ist eine energiesparende Bremseinheit integriert. Für diese Art von Last mit großen periodischen Schwankungen werden Leistungshalbleiter mit hoher Reserve verwendet. Die Hauptschaltung nutzt ein dreistufiges System aus Stromsensorabtastung, IGBT-Sperrschichtspannungsschutz und Lastüberstromschutz, um einen langfristigen, störungsfreien Betrieb von Frequenzumrichter und Motor sicherzustellen. Das Hauptschaltbild ist in der Abbildung dargestellt: [ALIGN=CENTER] Abbildung 1: Schaltplan der Hauptschaltung des Frequenzumrichters Abbildung 2: Schaltplan der Bremseinheit[/ALIGN] III. Anwendungsergebnisse: Nach zweimonatigem Probebetrieb zeigte das System signifikante Ergebnisse: 1. Vor dem Einsatz des Frequenzumrichters wurde der Bohrturm mit einer Netzfrequenz von 50 Hz gehoben und gesenkt, wobei die Last direkt über das Getriebe übertragen wurde. Die Geschwindigkeit war schwer zu kontrollieren. Der Bohrturm selbst wog ca. 40 Tonnen, größere Bohranlagen waren sogar noch schwerer. Das Heben und Senken verlief sehr instabil, mit starken Stößen und schwieriger Kontrolle. Der Aufbau der Plattform war extrem aufwendig, zeitintensiv und arbeitsintensiv. Nach dem Einsatz des Frequenzumrichters kann der Bohrturm mit einer niedrigen Frequenz von 2–5 Hz gestartet werden. Die Geschwindigkeit ist gering, und die Hebe- und Senkposition lässt sich leicht bedienen und steuern. Darüber hinaus ist die Hubkraft bei niedriger Frequenz hoch, was für Sicherheit und Zuverlässigkeit sorgt. 2. Ursprünglich standen beim Bohren nur vier Geschwindigkeitsstufen zur Verfügung. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz verursachte das Einrücken der Drehtischkupplung erhebliche mechanische Belastungen des Bohrgestänges, des Motors und des Getriebes. Insbesondere beim Bohren in Gesteinsformationen sind die geologischen Bedingungen unter Tage komplex und variabel, mit wechselnden Lasten. Dies führt zu Frequenz- und Spannungsabfällen beim Generator und damit zu ungleichmäßigen Drehzahlen des Drehtisches. Beim Richtbohren kann dies zu Abweichungen von der geplanten Neigung führen. Mithilfe eines Frequenzumrichters (FU) lässt sich die Drehzahl des Drehtisches innerhalb eines festgelegten Bereichs stufenlos anpassen, wodurch häufige Gangwechsel reduziert werden. Die Drehzahl kann flexibel an das Gelände angepasst werden, und der Drehtisch kann beim Eintreiben des Bohrgestänges mit Nullfrequenz anlaufen, was das Drehmoment am Drehtisch deutlich verringert. Der FU verwendet zudem größere Energiespeicherkomponenten, um die Lastanpassungsfähigkeit unter komplexen und variablen geologischen Bedingungen zu gewährleisten. 3. Mit zunehmender Ölförderung und Bohrtiefe müssen die Bohrwerkzeuge alle 9 Meter gehoben und gesenkt werden. Das häufige Heben und Senken in Verbindung mit immer höheren Hublasten erforderte bisher häufige Gangwechsel, um die schwereren Bohrwerkzeuge zu bewältigen. Da die Hubgeschwindigkeit unkontrollierbar war, waren die Auswirkungen beim Festklemmen des Bohrwerkzeugs erheblich und konnten zum Bruch des Bohrgestänges und zu Unfällen führen. Der Einsatz eines FU ermöglicht das Heben mit niedriger Geschwindigkeit und hohen Hublasten und minimiert so die Belastung der Bohrwerkzeuge. Dies erleichtert zudem die Steuerung von Hubposition und -geschwindigkeit und macht das System ideal für häufiges Heben und Senken des Bohrwerkzeugs. 4. Der Einsatz von Frequenzumrichtern reduziert die mechanischen Verluste im gesamten System. Getriebe und Bremssysteme, die zuvor häufig beschädigt wurden, müssen nun seltener repariert werden, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Während des Bohrvorgangs kann der Motor stillstehen. Früher führte das direkte Anlaufen des Motors mit Netzfrequenz zu einem hohen Anlaufstrom, der den Generator beschädigen konnte, und der Motor lief weiter und verbrauchte dabei viel Energie. Frequenzumrichter ermöglichen kontinuierliche Sanftanläufe mit niedrigem Anlaufstrom und minimieren so die Belastung des Generators. Der tägliche Kraftstoffverbrauch lag zuvor bei über 3 Tonnen; jetzt bei etwa 2 Tonnen, was eine deutliche Energieeinsparung bedeutet. Darüber hinaus haben wir das System mit einem Leistungstransformator für den direkten Anschluss an das Hochspannungsnetz ausgestattet, sofern die Bedingungen dies zulassen. IV. Fazit: Die Einführung der Frequenzumrichtersteuerung in Ölbohranlagen ist ein weiteres erfolgreiches Anwendungsbeispiel dieser aufstrebenden Hightech-Technologie in der Ölindustrie. Dieses Beispiel demonstriert die breite Anwendbarkeit von Frequenzumrichtern. Wir sollten diese Gelegenheit nutzen, um die Technologie und Leistung dieser Produkte zu verbessern und sie so besser an die Anforderungen im praktischen Einsatz anzupassen. Dadurch leisten wir einen größeren Beitrag zur Erweiterung des Anwendungsbereichs von Frequenzumrichter-Modernisierungen. Referenzen: 1. Gao Chenghai: Anwendung und Analyse von Frequenzumrichtern in Ölbohranlagen, Frequency Converter World, 2005, S. 3. 2. Wang Pengfei: Oberwellenstörungen von Frequenzumrichtern und Präventionsmaßnahmen, Frequency Converter World, 2005, S. 4. Autorenbiografie: Wu Haitao (geb. 1976), männlicher Ingenieur. Abschluss an der Universität Qufu im Jahr 1996. Derzeit tätig in der Forschung und Entwicklung von Frequenzumrichtern bei Shandong Xinfengguang Electronics Co., Ltd.