Zusammenfassung: Um die Probleme der hohen Kosten und langen Inbetriebnahme- und Wartungszyklen importierter Frequenzumrichter zu lösen, hat unser Unternehmen eigenständig einen leistungsstarken, inländischen Frequenzumrichter speziell für Bohranlagen entwickelt, der importierte Geräte ersetzen kann. Dieser Frequenzumrichter kann die Drehzahl von Null aus regeln, den Motor bei Festklemmen des Bohrgestänges sofort abschalten und die Motorleistung bei niedrigen Drehzahlen maximieren, wodurch ein Drehmoment von 220 % bereitgestellt wird. Der Frequenzumrichter ist einfach zu installieren, in Betrieb zu nehmen und zu warten und bietet einen stabilen Betrieb. Er schließt damit eine Lücke im Markt für Frequenzumrichter für die Ölfeldbohrung. Schlüsselwörter: Bohranlage, Umrichter, Aktorsystem, Steuerungssystem. Zusammenfassung: Angesichts der Nachteile des hohen Preises und der langen Inbetriebnahme- und Wartungszeiten ausländischer Umrichter wurde ein spezieller Umrichter für hochwertige inländische Bohranlagen entwickelt, der importierte Anlagen ersetzen kann. Der Umrichter kann von Null bis zur modulierten Drehzahl starten; mit steigender Drehzahl wird die volle Motorleistung ausgenutzt und ein Drehmoment von 220 % bereitgestellt. Der Wechselrichter ist einfach zu installieren, zu warten und zu reparieren und zeichnet sich durch hohe Stabilität aus. Er schließt damit die Lücken im Bereich der Frequenzumrichter für Ölfeldbohrungen in China. Schlüsselwörter: Bohranlage, Wechselrichter, Aktorik, Steuerungssystem 1 Einleitung Ölfeldbohranlagen gehören zu den wichtigsten Ausrüstungsgegenständen in der Ölförderung. Ihr reibungsloser Betrieb und ihre Arbeitseffizienz beeinflussen direkt die Wirtschaftlichkeit des Bohrprozesses und die Fertigstellungsrate von Ölquellen. Aufgrund der besonderen Natur des Bohrprozesses sind die Anforderungen an die elektrische Steuerungstechnik von Bohranlagen besonders hoch, insbesondere bei der Auswahl von Frequenzumrichtern, die lange Zeit von ausländischen Produkten dominiert wurde. Aufgrund des hohen Preises und der langen Inbetriebnahme- und Wartungszyklen ausländischer Frequenzumrichter kommt es in Ölfeldern häufig zu Qualitätsstörungen durch verspätete Reparaturen. Als Reaktion darauf hat unser Unternehmen einen speziell für Bohranlagen konzipierten, in China hergestellten Frequenzumrichter entwickelt, der importierte Geräte ersetzen kann und den besonderen Betriebsbedingungen von Bohranlagen gerecht wird. Dieser Frequenzumrichter ist klein, leicht, einfach zu installieren, in Betrieb zu nehmen und zu warten und zeichnet sich durch hohe Effizienz und stabile Leistung 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 deren Leistungsniveau und Betriebsleistung, sondern vor allem ihre Einsatzmöglichkeiten und steigert so die Bohreffizienz und -qualität. 2. Probleme des ursprünglichen Ölfeldbohranlagensystems: Die Downhole Drilling Company des Daqing Petroleum Administration Bureau verfügte ursprünglich über eine Bohranlage mit einer Bohrtiefe von 3000 m. Das Steuerungssystem der Anlage bestand im Wesentlichen aus drei Teilen: dem Stromversorgungssystem (bestehend aus zwei 500-kW-Dieselgeneratoren, die jeweils an den Drehstrom-380-V/50-Hz-Bus angeschlossen waren), dem Spülungssystem und dem Bohrantriebssystem (bestehend aus einem 500-kW-Motordrehtisch mit Windenantrieb, vier 45-kW-Hydraulikpumpen usw.). Das Anlagendiagramm vor Ort ist in Abbildung 1 dargestellt. Aufgrund der geringen Arbeitseffizienz und der komplexen Bedienung des ursprünglichen Steuerungssystems führten wir in Zusammenarbeit mit der Daqing Petroleum Administration Downhole Drilling Company eine Frequenzumwandlung der Ölfeldbohranlage durch. Das Steuerungssystem wies insbesondere folgende Probleme auf: (1) Der Bohrmeister konnte die Drehzahl des Drehtisches und den Bohrdruck nur durch ständiges Umschalten in fünf Gängen anpassen, wodurch sich die Bohrgeschwindigkeit änderte und die Arbeitseffizienz sank. (2) Bei jedem Gangwechsel musste der Motor mehrmals gestartet und gestoppt werden. Während des Anlaufvorgangs entstand ein hoher Anlaufstrom, der das Stromnetz und andere Geräte beeinträchtigte. Der hohe Anlaufstrom des Motors führte häufig zu einem Spannungsabfall des Generators, wodurch andere Geräte nicht ordnungsgemäß funktionierten. (3) Beim Heben mit niedriger Geschwindigkeit konnte die Regelung nur durch Umschalten in einen niedrigeren Gang erreicht werden. Der Motor lief jedoch während des Bohrvorgangs mit Netzfrequenz, was zu einem hohen Energieverbrauch führte. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1: Anlagendiagramm vor Ort [/ALIGN] 3 Technischer Transformationsplan Das Bohrantriebssystem ist eine wesentliche Komponente der Ölfeldbohranlage. Fällt das Antriebssystem aus, beeinträchtigt dies nicht nur die Produktion und verursacht erhebliche wirtschaftliche Verluste (z. B. durch Bohrlochverklemmung), 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 der Entwicklung von Frequenzumrichtern in China. Wir verfügen über langjährige Erfahrung in der erfolgreichen Produktion von Niederspannungs-Hochleistungs-Frequenzumrichtern, die sich durch Kosteneffizienz auszeichnen. Ausgehend von den Prinzipien „Wirtschaftlichkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit“ entschied sich die Downhole Drilling Company des Daqing Petroleum Administration Bureau für den von unserem Unternehmen hergestellten, bohranlagenspezifischen Frequenzumrichter JD-BP32-500Z (500 kW/380 V) der Marke Fengguang. Dieser speziell für Bohranlagen entwickelte Frequenzumrichter ist mit einem industriellen Steuerungsrechner als übergeordnetem Überwachungssystem ausgestattet. Dieser verfügt über eine LCD-Touch-Bedienung, kann verschiedene Betriebsdaten überwachen, bietet umfassende Schutzfunktionen, ein Positionsüberwachungssystem und einen hohen Automatisierungsgrad. 3.1 Systemaufbaudiagramm des speziell für Bohranlagen entwickelten Frequenzumrichters Das Systemaufbaudiagramm ist in Abbildung 2 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 2 Systemaufbaudiagramm des speziell für Bohranlagen entwickelten Frequenzumrichters[/ALIGN] K Universal-Leistungsschalter C AC-Schütz M Windenmotor 3.2 Einführung in das System des speziell für Bohranlagen entwickelten Frequenzumrichters Das System besteht aus vier Teilen: 1) Eingangsschaltanlage 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) Der Frequenzumrichterschrank besteht aus zwei AC/DC/AC-Wechselrichtereinheiten, die durch Parallelschaltung die Umrichterleistung erhöhen; Es verwendet ein gängiges DC-Bus-Schema und einen speziellen Absorptionsschaltkreis (siehe Abbildung 3), um den Stromanstieg (di/dt) zu reduzieren, das Leistungsmodul zu schützen und den Sicherheitsfaktor zu erhöhen. Aufgrund der besonderen Arbeitsbedingungen von Bohranlagen steigt der Strom beim Auftreffen auf harte Schichten wie Gestein schlagartig an und belastet das Modul direkt. Nach längerem Betrieb führt dies zu einer Verringerung der Modulspannung. Um die Lebensdauer des Moduls zu verlängern, wird ein duales Schutzsystem eingesetzt, das Sensorabtastung und IGBT-Sperrschichtspannungsschutz kombiniert. Dadurch werden extreme Belastungen des Moduls unter besonderen Umständen reduziert. Selbst bei einem direkten Kurzschluss zwischen den Ausgangsphasen kann das Modul den Ausgang innerhalb von 10 µs blockieren, wodurch der Frequenzumrichter geschützt und die Sicherheit und Zuverlässigkeit der gesamten Anlage erhöht wird. [ALIGN=CENTER] Abbildung 3 Absorptionsschaltplan[/ALIGN] U+ Positive Sammelschiene U- Negative Sammelschiene IGBT-Leistungsmodul R Widerstand D Schnelle Erholungsdiode C Kondensator 3) Bremseinheit Diese Einheit ist hauptsächlich für die Ableitung der Trägheitsenergie des Systems bei einem schnellen Stopp verantwortlich. Sie enthält einen Bremswiderstand und ein Bremssteuerungssystem und nutzt Chip-Selbstverarbeitungstechnologie, um die Bremsgrenze zu steuern und so Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Da der Motor beim Heben und Senken des Bohrers Strom erzeugt, steigt die Spannung am Wechselrichter-Bus an und gefährdet die Sicherheit der Hauptschaltungskomponenten. Daher ist eine externe, energieableitende Bremseinheit erforderlich, um die Busspannung in einem sicheren Bereich zu halten. Wenn die Busspannung den eingestellten Wert überschreitet, gibt der Bremssteuerungschip ein PWM-Signal mit einem Tastverhältnis aus, das sich linear mit der Busspannung ändert. Dies bewirkt ein sanfteres Bremsen, verhindert Stöße im Getriebesystem und verlängert die Lebensdauer des Geräts. Der Bremskreis ist in Abbildung 4 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 4 Bremskreisdiagramm[/ALIGN] U+ Positive Sammelschiene U- Negative Sammelschiene IGBT-Leistungsmodul R Bremswiderstand 4) Fernsteuerungssystem Dieser Teil dient hauptsächlich der Fernsteuerung und Überwachung des Frequenzumrichtersystems und bietet eine Schnittstelle für den Datenaustausch mit externen Geräten. 3.3 Hauptsteuerungsfunktionen des Systems a: Motorstart/-stopp b: Vorwärts-/Rückwärtslauf des Motors c: Zurücksetzen des Frequenzumrichtersystems d: Frequenzeinstellung e: Mehrstufige Steuerung f: Anzeige von Motorstrom und -drehzahl g: Betriebsanzeige des Frequenzumrichters h: Fehleranzeige des Frequenzumrichters Die oben genannten 8 Funktionen können alle über den Touchscreen des Industriesteuerungsrechners realisiert werden. Gleichzeitig bietet das System eine Schnittstelle für den Datenaustausch mit externen Geräten mit 16 digitalen Eingängen, 10 digitalen Ausgängen und einer RS232-Schnittstelle. 3.4 Wichtigste technische Spezifikationen des Frequenzumrichtersystems 1.) Nennleistung: 500 kW 2.) Nenneingangsspannung: 380 V AC (3-phasig) 3.) Zulässige Spannungsschwankung: ±20 % 4.) Nenneingangsfrequenz: 50 Hz 5.) Zulässige Frequenzschwankung: ±5 % 6.) Nennausgangsspannung: 380 V AC (3-phasig) 7.) Nennausgangsfrequenz: 33,5 Hz 8.) Nennausgangsstrom: 940 A 9.) Überlastfähigkeit: 1,5-facher Strom für 1 Minute 10.) Kurzschlussschutz: 2,0-facher Strom für sofortigen Schutz 11.) Dauerbetrieb 12.) Maximale Ausgangsfrequenz: 50 Hz 13.) Bedienoberfläche: Chinesischer LCD-Touchscreen 14.) Schnittstellensprache: Vereinfachtes Chinesisch 3.5 Besondere Systemleistung Im Vergleich zu allgemeinen Frequenzumrichtern bietet der speziell für Ölbohranlagen entwickelte Frequenzumrichter eine höhere Leistung. Der Antrieb unterscheidet sich im Wesentlichen in folgenden Punkten: (1) Der Frequenzumrichter ermöglicht die Drehzahlregelung von Null aus, was das Schalten im Getriebe erleichtert und ein wiederholtes An- und Abschalten des Motors beim Gangwechsel vermeidet. Das heißt, bei einer Frequenz des Frequenzumrichters unter 2 Hz arbeitet der Motor drehmomentfrei und im Leerlauf. (2) Bei Blockierung des Bohrvorgangs kann der Frequenzumrichter den Motor rechtzeitig abschalten, um die Stromversorgung zu schützen und ein Verdrehen des Bohrers durch zu hohes Drehmoment zu verhindern. Daher ist der Frequenzumrichter mit einer Lastbegrenzungsfunktion ausgestattet. (3) Beim Heben mit niedriger Drehzahl maximiert der Frequenzumrichter die Leistung des Motors und liefert ein Drehmoment von 220 %. 3.6 Weitere Hinweise (1) Wahl der Trägerfrequenz: Eine höhere Trägerfrequenz verbessert die Wellenform und reduziert das Rauschen. Allerdings erhöht sie auch die Schaltverluste und den Wärmebedarf. Daher müssen Vor- und Nachteile sorgfältig abgewogen werden. Die Trägerfrequenz dieses Geräts beträgt 2 kHz. (2) Niederfrequenzkompensation: Beim Tiefbohren ist aufgrund der hohen Last ein hohes Drehmoment beim Anheben des Bohrers erforderlich. Niedrige Frequenzen reichen hierfür oft nicht aus. Durch die Einstellung der Niederfrequenzkompensation kann die Anlaufspannung angepasst werden, wodurch dieses Problem behoben wird. (3) Steuersignalübertragung: Bei besonders hoher Leistung des Frequenzumrichters können starke elektromagnetische Störungen das Steuersignal beeinträchtigen. Um dieses Problem grundlegend zu lösen, wird das Steuersignal über Glasfaser übertragen. Die nicht-optischen Leitungen sind so kurz wie möglich, und die Induktivität der Hauptstromkreiszuleitungen ist minimal. Dadurch wird das Störungsproblem effektiv gelöst. 4. Einsatzbedingungen des Frequenzumrichters: (1) Der Frequenzumrichter ist kompakt und einfach zu installieren. Alle Komponenten des von Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. hergestellten Frequenzumrichters JD-BP32-500Z werden im Verteilerschrank installiert. Es werden keine weiteren Drosseln, Filter oder sonstige Geräte benötigt. Es ist klein, kompakt, einfach zu installieren, erfordert weniger Verkabelung vor Ort, hat eine kurze Inbetriebnahmezeit und ist schnell produktionsbereit. (2) Der Motor läuft ruhig und die Temperaturerhöhung ist normal. Der Frequenzumrichter treibt den Motor an, einen Spezialmotor für Ölbohranlagen, den YP2-355L-6BJ der Dalian Tianyuan Motor Co., Ltd. Der Motor läuft ruhig, ohne Anlaufstrom und ohne mechanische Stöße beim Start, und ist geräuscharm. (3) Der Frequenzumrichter arbeitet stabil und zuverlässig. Seit seiner Inbetriebnahme zeichnet sich der JD-BP32-500Z durch eine gleichmäßige Drehzahlregelung, stabile Spannung und Stromstärke, einen Leistungsfaktor von über 0,95 und einen Wirkungsgrad von über 98 % aus – vergleichbar mit importierten Produkten. (4) Die Bedienoberfläche ist einfach und intuitiv. Der Umrichter verwendet eine Windows-Oberfläche, auf der verschiedene Parameter während des Betriebs direkt angezeigt werden. Die Bedienung ist auch über einen Touchscreen möglich und daher besonders benutzerfreundlich. Im Fehlerfall schützt sich der Wechselrichter selbst und liefert Fehlerinformationen, was die Wartung des Geräts erleichtert. (5) Anwendungsbeispiel: Einsatz in Kernbohrungen. Kernbohrungen dienen, wie der Name schon sagt, der Gewinnung von Gesteinskernen aus unterirdischen Bohrungen zur Untersuchung geologischer Strukturen und Erdölverteilungsschichten. Im Juni 2004 wurde der von unserem Unternehmen hergestellte Wechselrichter JD-BP32-500Z der Marke Fengguang in einer Kernbohrung des Teams 30102 der Daqing Downhole Drilling Brigade installiert und in Betrieb genommen. Diese Bohrung war auf eine Tiefe von 2130 m ausgelegt, wobei sich der Kernabschnitt von 1542 m bis 1605 m erstreckte. Insgesamt wurden 8 Kernzylinder mit einer Ausbeute von über 99 % gewonnen. Im Normalbetrieb wurde der zweite Gang mit einer Drehzahl des Drehtisches von 280 U/min und einem variablen Ausgangsstrom zwischen 200 und 800 A verwendet. Beim Heben betrug die Frequenz ca. 7 Hz, der maximale Hebestrom überschritt 1000 A nicht. Die Stromschwankungen während des Bohrvorgangs sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Dadurch reduzierte sich die Anzahl der Gangwechsel beim Bohren, die Belastung des Motors durch hohe Anlaufströme wurde minimiert, die Arbeitsbelastung des Bohrers verringert und die Gesamteffizienz des Bohrteams verbessert. Zudem lag die Motordrehzahl beim Heben des Kernbohrkerns mit niedriger Frequenz bei lediglich 120 U/min. 5. Auswirkungen der Systemmodifikation: Der Betrieb mit variabler Frequenz ermöglichte einen sanften Anlauf und Stopp des Motors. Dies führte zu einem reibungslosen Start und Stopp der Bohranlage, einer verlängerten Lebensdauer des Motors, der Vermeidung wirtschaftlicher Verluste wie Motorausfall und reduzierten Wartungskosten. Das System verfügt über umfassende Schutzfunktionen gegen Überstrom, Überspannung, Unterspannung, Kurzschluss, Phasenausfall, Temperaturanstieg und Blockierung. Die hervorragende Antriebsleistung dieses Frequenzumrichters schützt die Bohrausrüstung und verbessert die Bohrqualität, was ihm von den Anwendern großes Lob einbrachte. Nach fast einem Jahr Produktionsbetrieb hat sich gezeigt, dass der Frequenzumrichter eine gute Leistung, hohe Zuverlässigkeit und einfache Bedienung aufweist und die vom Anwender erwarteten Nachrüstungsergebnisse erzielt. 6. Fazit: Bei der Modernisierung und Erneuerung von Bohranlagen stellt der Einsatz von AC-Frequenzumrichtern im Hinblick auf die Steuerungssystemauslegung die Entwicklungsrichtung der Antriebstechnik für Bohranlagen dar. Die zahlreichen Vorteile von Frequenzumrichtern können den Ausrüstungsstandard von Ölfeldbohranlagen erheblich verbessern. Der erfolgreiche Einsatz des Hochleistungs-Frequenzumrichters JD-BP32-500Z der Marke Fengguang, hergestellt von Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd., auf Ölfeldbohranlagen hat einen neuen Markt für inländische Frequenzumrichter eröffnet und eine Lücke im heimischen Markt für Frequenzumrichter in der Ölfeldbohrtechnik geschlossen. Derzeit sind Dutzende von Frequenzumrichtern auf Bohranlagen im Einsatz und haben sich unter harten Bedingungen bewährt. Sie beweisen ihre gute Betriebsleistung und bieten vielversprechende Marktperspektiven und Entwicklungspotenzial. Referenzen: [1] Shandong Xinfengguang Electronics Benutzerhandbuch [Z]. Shandong Xinfengguang Electronics Technology Development Co., Ltd. [2] Betriebsbericht des Bohranlagen-Frequenzumrichters der Shandong Xinfengguang Electronics Daqing-Ölbohranlage. [3] Bewertungsunterlagen zum Bohranlagen-Frequenzumrichter der Shandong Xinfengguang Electronics. [4] Xu Weilong. Qualität und Service – die Eckpfeiler des Wachstums inländischer Marken. Tagungsband des 4. Unternehmerforums der Frequenzumrichterindustrie (2005). Autorenvorstellung: Liu Detian (geb. 1981), Ingenieur, derzeit tätig im Bereich der Fehlerbehebung und des technischen Supports für Frequenzumrichter bei Shandong Xinfengguang Electronics Technology Development Co., Ltd. Adresse: Wenshang Square Road 2, Shandong (272500). Abteilung: Shandong Xinfengguang Electronics Technology Development Co., Ltd. E-Mail: [email protected]