Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung und Anwendung von inländischen Frequenzumrichtern für Bohranlagen. Zunächst werden die Schwächen ausländischer Frequenzumrichter in Bohranlagen analysiert und mit inländischen verglichen, wobei die Vorteile von Frequenzumrichtern für Bohranlagen erörtert werden. Anschließend werden die Probleme des ursprünglichen Bohranlagen-Steuerungssystems analysiert und in Zusammenarbeit mit der Daqing Petroleum Administration Downhole Drilling Company eine Frequenzumrichter-Nachrüstung an einer Ölfeldbohranlage durchgeführt. Abschließend wird das technische Modifizierungsschema des Systems erläutert. Der Feldeinsatz zeigt, dass das Frequenzumrichtersystem eine gute Leistung, hohe Zuverlässigkeit und einfache Bedienung aufweist und alle Indikatoren die erwarteten Ergebnisse der Nachrüstung erreicht haben. Wir sind überzeugt, dass die erfolgreiche Anwendung von Frequenzumrichtern auf Ölfeldbohranlagen ein breites Marktpotenzial und Entwicklungspotenzial bietet. Schlüsselwörter: Ölfeldbohranlage, Frequenzumrichtersystem. Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung und Anwendung von inländischen Wechselrichtern, die speziell für Bohranlagen entwickelt wurden. Zunächst werden die Schwächen ausländischer Wechselrichter in Bohrmaschinenanwendungen analysiert und mit inländischen Wechselrichtern verglichen. Anschließend werden die Vorteile von Frequenzumrichtern für Bohrmaschinen erläutert. Daraufhin werden die Probleme des ursprünglichen Steuerungssystems der Bohrmaschine untersucht. In Abstimmung mit der Daqing Petroleum Administrative Bureau Mine Shaft Well Drilling Company wurde die Frequenzumrichter-Umrüstung für diese Ölfeldbohrmaschine durchgeführt. Abschließend wird der Plan für die technologische Systemumrüstung detailliert beschrieben. Die praktischen Erfahrungen zeigen, dass das Frequenzumrichtersystem zuverlässig und einfach zu bedienen ist und alle angestrebten Ziele erreicht wurden. Wir sind überzeugt, dass der Wechselrichter ein breites Marktpotenzial und Entwicklungspotenzial für Ölfeldbohrmaschinen besitzt . Ölfeldbohranlagen gehören zu den wichtigsten Ausrüstungen für die Ölförderung. Ihr reibungsloser Betrieb und ihre Arbeitseffizienz sind direkt mit der Wirtschaftlichkeit und der Fertigstellungsrate von Ölquellen verbunden. Aufgrund der besonderen Anforderungen der Bohrtechnologie sind die Anforderungen an die elektrische Steuerungstechnik von Bohranlagen extrem hoch, insbesondere bei der Auswahl von Frequenzumrichtern, die traditionell von ausländischen Produkten dominiert wird. Ausländische Frequenzumrichter weisen jedoch Nachteile wie hohe Kosten und lange Inbetriebnahme- und Wartungszyklen auf, was aufgrund verspäteter Reparaturen von Frequenzumrichterdefekten häufig zu Qualitätsmängeln auf Ölfeldern führt. Zudem beanspruchen die typischerweise parallel geschalteten ausländischen Frequenzumrichter viel Platz und erschweren so unnötige Umzüge der Bohrteams. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben wir eigenständig einen leistungsstarken, inländisch produzierten Frequenzumrichter speziell für Bohranlagen entwickelt, der importierte Geräte ersetzen kann. Dieser Frequenzumrichter nutzt Parallelschaltungen und zeichnet sich dadurch durch geringe Größe, niedriges Gewicht, einfache Installation, Wartung und Inbetriebnahme sowie hohe Effizienz und stabilen Betrieb aus. Frequenzumrichterbetriebene Bohranlagen bieten gegenüber herkömmlichen Bohranlagen folgende Vorteile: Energieeinsparung, einfache Bedienung, stufenlose Drehzahlregelung, hohe Regelgenauigkeit und hohe Arbeitseffizienz. Die Entwicklung und Anwendung der Frequenzumrichtertechnologie in Ölfeldbohranlagen verbessert nicht nur die Leistungsfähigkeit und die Betriebsabläufe der Anlagen, sondern vor allem deren Einsatzmöglichkeiten und steigert so die Bohreffizienz und -qualität. Probleme mit dem Bohranlagensystem im Ölfeld: Die Bohranlage der Daqing Petroleum Administration Bureau, genauer gesagt der Downhole Drilling Company, verfügte ursprünglich über eine Bohranlage mit einer maximalen Bohrtiefe von 3.000 Metern. Das Steuerungssystem dieser Anlage bestand im Wesentlichen aus drei Komponenten: dem Stromversorgungssystem (bestehend aus zwei 500-kW-Dieselgeneratoren, die an den Drehstrom-Bus (380 V/50 Hz) angeschlossen waren), dem Spülsystem und dem Bohrantriebssystem (bestehend aus einem 500-kW-Drehtisch mit Windenantrieb und vier 45-kW-Motoren, z. B. für Hydraulikpumpen). Das Steuerungssystem wies folgende Probleme auf: (1) Der Bohrmeister konnte die Drehzahl des Drehtisches und den Bohrdruck nur durch ständiges Umschalten der fünf Gänge anpassen, wodurch sich die Bohrgeschwindigkeit änderte und die Arbeitseffizienz gering war. (2) Bei jedem Gangwechsel musste der Motor mehrmals gestartet und gestoppt werden. Während des Startvorgangs entstand ein zu hoher Anlaufstrom, der das Stromnetz und andere Geräte belastete. Der hohe Anlaufstrom des Motors führte häufig zu einem Spannungsabfall am Generator, wodurch andere Geräte nicht ordnungsgemäß funktionierten. (3) Beim Heben mit niedriger Geschwindigkeit konnten die Anforderungen an die Drehzahlregelung nur durch Herunterschalten in einen niedrigeren Gang erfüllt werden. Der Motor läuft jedoch während des Bohrvorgangs mit Netzfrequenz, was zu einem hohen Energieverbrauch führt. Um die zahlreichen Probleme der geringen Effizienz und der komplexen Bedienung des ursprünglichen Steuerungssystems zu beheben, haben wir in Zusammenarbeit mit der Downhole Drilling Company des Daqing Petroleum Administration Bureau eine Frequenzumwandlung der Ölfeldbohranlage durchgeführt. Technischer Umbauplan: Das Bohrantriebssystem ist eine wesentliche Komponente der Ölfeldbohranlage. Ein Ausfall des Antriebssystems beeinträchtigt nicht nur die Produktion und verursacht erhebliche wirtschaftliche Verluste (z. B. durch festsitzenden Bohrmeißel), sondern kann auch die Sicherheit des Produktionspersonals vor Ort gefährden (z. B. durch Blowout). Daher muss das Antriebssystem extrem zuverlässig sein. Unser Unternehmen gehört zu den Pionieren in China in der Entwicklung von Frequenzumrichtern und verfügt über langjährige Erfahrung in der erfolgreichen Produktion von Niederspannungs-Hochleistungs-Frequenzumrichtern. Wir bieten ein hohes Preis-Leistungs-Verhältnis. Auf Grundlage der Prinzipien „Wirtschaftlichkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit“ wählte die Downhole Drilling Company des Daqing Petroleum Administration Bureau den von unserem Unternehmen hergestellten, bohranlagenspezifischen Frequenzumrichter JD-BP32-500 (500 kW/380 V). Dieser Frequenzumrichter ist mit einem industriellen Steuerungsrechner als übergeordnetem Überwachungssystem ausgestattet und verfügt über ein LCD-Touchdisplay zur Überwachung verschiedener Betriebsdaten. Er bietet umfassende Schutzfunktionen, ein Positionsüberwachungssystem und einen hohen Automatisierungsgrad. 1. Systemblockdiagramm des bohranlagenspezifischen Frequenzumrichters Das Systemblockdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. [ALIGN=CENTER]Blockdiagramm 1 des bohranlagenspezifischen Frequenzumrichters[/ALIGN] K Universal-Leistungsschalter C AC-Schütz M Windenmotor 2. Einführung in das bohranlagenspezifische Frequenzumrichtersystem Dieses System besteht aus vier Teilen: 1) Eingangsleitungsschaltanlage: Die Hauptfunktionen der Schaltanlage sind die Stromversorgung der Geräte, der Überstromschutz der Peripheriegeräte des Frequenzumrichters und die Filterung der Steuerstromversorgung des Frequenzumrichters. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Universal-Leistungsschalter, einem AC-Schütz und einem Filter für die Steuerstromversorgung. 2) Frequenzumrichter-Schrank (FU): Der FU besteht aus zwei AC/DC/AC-Wechselrichtern, die durch Parallelschaltung ihre Leistung erhöhen. Er verwendet einen gemeinsamen DC-Bus und einen gemeinsamen Kondensatorblock, wodurch die Kondensatorkapazität erhöht wird. Außerdem verwendet er eine spezielle Absorptionsschaltung (siehe Abbildung 2), um die Stromanstiegsgeschwindigkeit (di/dt) zu reduzieren, das Leistungsmodul zu schützen und den Sicherheitsfaktor zu erhöhen. Aufgrund der besonderen Betriebsbedingungen von Bohranlagen steigt der Strom beim Auftreffen auf harte Schichten wie Gestein schlagartig an und belastet das Modul direkt. Längerer Betrieb unter solchen Bedingungen führt zu einer Verringerung der Modulbelastung. Um die Lebensdauer des Moduls zu verlängern, wird ein duales Schutzsystem eingesetzt, das Sensorabtastung und IGBT-Sperrschichtspannungsschutz kombiniert. Dadurch wird die extreme Belastung des Moduls unter besonderen Umständen reduziert. Selbst bei einem direkten Kurzschluss zwischen den Ausgängen kann das Modul den Ausgang innerhalb von 10 µs sperren und so den Frequenzumrichter schützen sowie die Gesamtsicherheit und Lebensdauer der Anlage verbessern. [ALIGN=CENTER] Absorptionsschaltplan 2[/ALIGN] U+ Positiver Bus U- Negativer Bus IGBT-Leistungsmodul R Widerstand D Schnelle Erholungsdiode C Kondensator 3) Bremseinheit: Diese Einheit ist hauptsächlich für die Dissipation der Systemträgheitsenergie beim schnellen Anhalten des Systems verantwortlich. Es enthält einen Bremswiderstand und ein Bremsregelsystem und nutzt Chip-Selbstverarbeitungstechnologie zur Steuerung der Bremsgrenzen, um Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Der Bremskreis ist in Abbildung 3 dargestellt [ALIGN=CENTER] Bremskreisdiagramm 3[/ALIGN] U+ Positiver Bus U- Negativer Bus IGBT-Leistungsmodul R Bremswiderstand 4) Fernsteuerungssystem: Dieser Teil realisiert hauptsächlich die Fernsteuerung und -überwachung des Frequenzumrichtersystems und bietet eine Schnittstelle für den Datenaustausch mit externen Geräten. 3. Hauptsteuerungsfunktionen des Systems: a: Motorstart/-stopp b: Vorwärts-/Rückwärtsdrehung des Motors c: Zurücksetzen des Frequenzumrichtersystems d: Frequenzeinstellung e: Anzeige von Motorstrom und -drehzahl f: Betriebsanzeige des Frequenzumrichters g: Fehleranzeige des Frequenzumrichters Alle sieben oben genannten Funktionen können über den Touchscreen des Industriesteuerungsrechners gesteuert werden. Es bietet außerdem Schnittstellen für den Datenaustausch mit externen Geräten, darunter 16 digitale Eingänge, 10 digitale Ausgänge und eine RS232-Schnittstelle für den komfortablen digitalen Datenaustausch mit externen Geräten. 4. Wichtigste technische Kenndaten des Frequenzumrichtersystems: 1.) Nennleistung 500 kW 2.) Nenneingangsspannung 380 V AC, 3-phasig 3.) Eingangsspannungsschwankung ±20 % 4.) Nenneingangsfrequenz 50 Hz 5.) Frequenzschwankung ±5 % 6.) Nennausgangsspannung 380 V AC, 3-phasig 7.) Nennausgangsfrequenz 33,5 Hz 8.) Nennausgangsstrom 940 A 9.) Überlaststrom 1,5-facher Nennstrom für 1 Minute 10.) Ausgangskurzschlussstrom 2,0-facher Nennstrom für Sofortschutz 11.) Dauerbetrieb 12.) Maximale Ausgangsfrequenz 50 Hz 5. Besondere Systemeigenschaften: Im Vergleich zu herkömmlichen Frequenzumrichtern unterscheidet sich der Frequenzumrichter für Ölbohranlagen hauptsächlich durch folgende Merkmale: (1) Der Frequenzumrichter ermöglicht die Drehzahlregelung von Null aus, was das Schalten des Getriebes erleichtert und wiederholtes Starten und Stoppen vermeidet. (1) Beim Gangwechsel, d. h. wenn die Frequenz des Frequenzumrichters unter 2 Hz liegt, arbeitet der Motor ohne Drehmoment und befindet sich im Leerlauf. (2) Bei einer Blockierung des Bohrvorgangs kann der Frequenzumrichter den Motor rechtzeitig abschalten, um die Stromversorgungseinrichtungen zu schützen und ein Überdrehen des Bohrers zu verhindern. Daher ist der Frequenzumrichter mit einer Lastbegrenzungsfunktion ausgestattet. (3) Beim Heben mit niedriger Drehzahl maximiert der Frequenzumrichter die Motorleistung und liefert ein Drehmoment von 220 %. Anwendungsbeispiel: Kernbohrung. Eine Kernbohrung dient, wie der Name schon sagt, der Entnahme von Gesteinskernen aus dem Bohrloch, um die geologische Struktur und die Verteilung der Erdölschichten zu untersuchen. Der von unserem Unternehmen hergestellte Frequenzumrichter JD-BP32-500 wurde im Juni 2004 in einer Kernbohrung des Teams 30102 des Daqing Downhole Drilling Teams installiert und in Betrieb genommen. Die Bohrung war auf eine Tiefe von 2130 Metern ausgelegt. Die untere Grenze zwischen 1542 und 1605 Metern markierte den Kernabschnitt. Insgesamt wurden acht Kernrohre entnommen, die Ausbeute lag bei über 99 %. Im Normalbetrieb wird der zweite Gang mit einer Drehzahl des Drehtisches von 280 U/min und einem variablen Ausgangsstrom zwischen 200 und 800 A verwendet. Beim Fördern beträgt die Frequenz ca. 7 Hz, der maximale Förderstrom überschreitet 1000 A nicht. Die Stromänderungen während des Bohrvorgangs sind in der folgenden Tabelle dargestellt. [ALIGN=CENTER] [/ALIGN] Durch die Reduzierung der Gangwechsel während des Bohrens wird die Belastung des Motors durch hohe Anlaufströme minimiert. Dies verringert die Arbeitsbelastung des Bohrers und verbessert die Gesamteffizienz des Bohrteams. Zudem beträgt die Motordrehzahl beim Fördern des Kerns mit niedriger Frequenz nur 120 U/min. Messungen zeigen, dass nach der Umstellung auf variable Frequenz 15 Tonnen Dieselkraftstoff pro Bohrung eingespart werden. Auswirkungen der Modifikation: Der Betrieb des Systems mit variabler Frequenz ermöglicht sanftes Anfahren und Anhalten des Motors. Die Bohranlage startet und stoppt sanft, was die Lebensdauer und den Wartungszyklus des Motors verlängert, wirtschaftliche Verluste wie Motorausfälle vermeidet und die Wartungskosten senkt. Das System verfügt über mehrere Schutzfunktionen, darunter Überstrom-, Überspannungs-, Unterspannungs-, Kurzschluss-, Phasenausfall-, Temperaturanstiegs- und Blockierschutz, wodurch es sicherer und zuverlässiger wird. Durch die Modifikation wurde die Betriebszeit der Bohranlage verkürzt und ihre Arbeitseffizienz verbessert. Die hervorragende Antriebsleistung des Systems schützte die Bohrausrüstung und verbesserte die Bohrqualität, was von den Anwendern hoch gelobt wurde. Nach fast einem Jahr im Produktionsbetrieb zeigte das System gute Leistung, hohe Zuverlässigkeit und einfache Bedienung und erreichte die erwarteten Ergebnisse der Modifikation. Fazit: Bei der Modernisierung und Modifizierung von Bohranlagen stellt die Verwendung von AC-Frequenzumrichtern hinsichtlich ihres Steuerungssystems die Entwicklungsrichtung der Antriebstechnik für Bohranlagen dar. Die zahlreichen Vorteile von Frequenzumrichtern können den Ausrüstungsstandard von Ölfeldbohranlagen erheblich verbessern. Der Einsatz von Frequenzumrichtern in Ölfeldbohranlagen bietet breite Marktperspektiven und Entwicklungspotenzial. Über den Autor: Liu Detian, Ingenieur, geboren 1981, arbeitet derzeit bei Shandong Xinfengguang Electronics Co., Ltd. und ist dort für die Fehlersuche und den technischen Support von Frequenzumrichtern zuständig. Adresse: (272500) Jining, Provinz Shandong. E-Mail: [email protected]