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摘要： 为了强化电动变频钻机的绿色环保、小体积轻重量和便捷移运等特征，本文基于对技术装备国产化的目的，结合国内变频器技术发展的状况，简述西部钻探某钻井队以国产化水冷变频器替代国外风冷变频器，通过对现有电动钻机电控系统的试验性改造，成功配置并应用了HD2000国产水冷型变频器，为电动钻机水冷变频器国产化应用的开展和推广提供了借鉴。
关键词： 石油钻机; 电传动; 国产变频器; 水冷
中图分类号： TM3 文献标识码： A
Abstract： To strengthen the characteristics of electric variable frequency drilling rig， such as green and environmental protection， small volume， light weight and convenient removal， and based on the domestication of technical equipment， and combining with the developmental status of domestic converter technology， this paper briefly describes that a drilling team in west successfully configured and applied HD2000 domestic water-cooling frequency converter through replacing foreign wind-cooling frequency converter with domestic water-cooling frequency converter and carrying out an experimental modification of the existing electric control system of electric drilling machine， thus providing reference for the development and popularization of domestic application of water-cooling frequency converter for electric drilling machine.
Key words： Oil drilling rig， Electric drive， Domestic frequency converter， Water cooling
1 引言
在油气生产中，钻机起着非常重要的作用，是油气生产的关键设备。随着钻井工艺发展，交流变频电动钻机的诸多优点得以凸显，变频传动已成为电动钻机的主流配置。目前国内外除部分海洋钻机外，大多数油气电动钻机变频器还是以风冷为主要散热方式。常规ZJ50DB电动钻机通过系统内的3台柴油发电机组控制柜控制3台柴油发电机组并网运行，向交流母排输出600VAC、3φ、50Hz交流电。采用西门子S120或ABB公司ACS880多传动交流风冷变频调速装置，先由整流单元将交流母排上的600VAC交流电转换成810VDC直流电，输出到公共直流母排上;再由逆变单元将直流母排上的810VDC直流电转换成电压0～600VAC、频率0～150Hz连续可调的交流电，采用一对一控制方式驱动交流变频电动机，拖动性能满足绞车、转盘、泥浆泵的传动要求。其特点为噪音大（大容量冷却风机），因风冷变频器体积和重量大而使电控房体积和重量增大，系统成本增加，移运难度提高。采用水冷变频器则是解决该问题的有效措施之一。
2 水冷变频器简介
相关资料表明，变频器功耗一般为其容量的4～5%。其中整流、直流及逆变部分约占90%。10℃法则表明当器件温度降低10℃，器件的可靠性增长一倍。可见变频器良好的散热，可提高变频器的可靠性，从而延长其使用寿命。
HD2000水冷型变频器是禾望电气的hopeDrive2000系列工程型水冷变频调速传动系统装置，采用较低电导率的纯水作为循环介质，整体散热效率高，主要应用于中高功率段，防护等级高，非常适宜于石油钻机。此款水冷多传变频器较钻井电控驱动系统中常规应用的风冷变频器拥有更高的功率密度，更小的噪音，结构尺寸大为减小，使得可以使用更少数量、更小尺寸的电控房完成钻井电控驱动系统的设计，进而大为降低钻机电控驱动系统于异地使用时的运输成本。此外，变频器采用了换热外置（置于电控房外）的设计方案，减小了电控房内的制冷需求，降低了电控房房体的设计成本;同时电控房内噪音大为减小，改善了现场工作环境。图1为HD2000水冷型变频器的示意图。
3 水冷型变频器的水冷原理
HD2000变频器功率单元采用水循环冷却系统进行散热，该循环可以分为内循环和外循环，两个循环之间有热交换器，进行热能量交换。
内循环是整套水冷系统的核心，在主循环泵的驱动下，通过管路以恒定的流速向功率设备的水冷板内部注入循环水，在循环水通过水冷板时， IGBT等功率元件的发热传递给循环水，由循环水不断带出热量，升温后的循环水进入板式换热器，实现对功率单元设备的冷却;外循环则是从外部接入一套循环水系统，将内循环板式换热器的热量即时交换出去。板式换热器通过和外循环水换热，热量由外循环水带走。恒定压力和流速的循环水源源不断流经发热体带走热量，温升冷却介质由循环泵的进口经室外空气散热器与冷空气进行热交换，散热后的循环水再循环进入发热体，形成一个密闭式循环系统。为防止因外部环境温度而引起变频器内部有凝露现象产生，在水冷管道内加入加热装置。变频器外部水温低于25℃时，水冷系统会自动启动加热器，同时将散热外水通过旁路管道直接回流，当水温高于25℃时，自动关闭加热器，根据温度的大小，自动调节外水通过散热板的流量，让外循环水带走内循环水的热量。
该水冷系统具有导热系数大，水流平稳，震动和噪声小等优点，可有效较低发热硬件的温度，提高其寿命。
4 應用
2018年10月，基于技术装备国产化的目的，结合国内变频器技术发展，通过电控系统改造，在西部钻探某钻井队成功配置并应用了HD2000国产水冷型变频器。下表为改造ZJ50DB钻机的主电机配置。
在充分考虑安全性、通用性和替代性的前提下，改造后的变频调速器具体配置如下：
截止2018年12月底，完成电控改造后的钻机已开钻2口井，完井1口，系统运行平稳。与应用风冷变频器时相比较，应用水冷变频器的电控系统具有以下优点：
a、结构紧凑，全套变频器集成在了1栋12.5m长的VFD电控房内，较常规ZJ50DB电控系统减少1栋房体，节约了井场面积，降低了设备运输成本;
b、水冷换热系数可达3500W/（m2·℃），水冷散热效率比风冷高出了30个百分点，提高了变频器作业的可靠性，大幅延长了变频器的使用寿命;
c、水冷变频器运行时VFD房内运转噪音不超过50dB，远低于风冷变频器。
该应用减少了对系统内大功率空气冷却系统的需要，水冷高效率，低噪音，方便热传导，可在小容量空调或没有空调的情况下应用。
5 结束语
变频器是电动钻机电控系统的核心，其国产化将是一条必由之路。此次在电动钻机上应用HD2000国产水冷型变频器是一次尝试，目的在于通过应用发现、解决问题，最终实现技术成熟，这也为国内钻机电控变频器国产化工作的开展和推广提供了借鉴经验。相信在不远将来，国产变频器会在电动钻机上得到大量推广应用。
作者简介：
师远征（1981-），2004年毕业于长江大学机械设计制造及其自动化专业，西部钻探工程有限公司设备处工作。
收稿日期：2019-01-28
关键词： 石油钻机; 电传动; 国产变频器; 水冷
中图分类号： TM3 文献标识码： A
Abstract： To strengthen the characteristics of electric variable frequency drilling rig， such as green and environmental protection， small volume， light weight and convenient removal， and based on the domestication of technical equipment， and combining with the developmental status of domestic converter technology， this paper briefly describes that a drilling team in west successfully configured and applied HD2000 domestic water-cooling frequency converter through replacing foreign wind-cooling frequency converter with domestic water-cooling frequency converter and carrying out an experimental modification of the existing electric control system of electric drilling machine， thus providing reference for the development and popularization of domestic application of water-cooling frequency converter for electric drilling machine.
Key words： Oil drilling rig， Electric drive， Domestic frequency converter， Water cooling
1 引言
在油气生产中，钻机起着非常重要的作用，是油气生产的关键设备。随着钻井工艺发展，交流变频电动钻机的诸多优点得以凸显，变频传动已成为电动钻机的主流配置。目前国内外除部分海洋钻机外，大多数油气电动钻机变频器还是以风冷为主要散热方式。常规ZJ50DB电动钻机通过系统内的3台柴油发电机组控制柜控制3台柴油发电机组并网运行，向交流母排输出600VAC、3φ、50Hz交流电。采用西门子S120或ABB公司ACS880多传动交流风冷变频调速装置，先由整流单元将交流母排上的600VAC交流电转换成810VDC直流电，输出到公共直流母排上;再由逆变单元将直流母排上的810VDC直流电转换成电压0～600VAC、频率0～150Hz连续可调的交流电，采用一对一控制方式驱动交流变频电动机，拖动性能满足绞车、转盘、泥浆泵的传动要求。其特点为噪音大（大容量冷却风机），因风冷变频器体积和重量大而使电控房体积和重量增大，系统成本增加，移运难度提高。采用水冷变频器则是解决该问题的有效措施之一。
2 水冷变频器简介
相关资料表明，变频器功耗一般为其容量的4～5%。其中整流、直流及逆变部分约占90%。10℃法则表明当器件温度降低10℃，器件的可靠性增长一倍。可见变频器良好的散热，可提高变频器的可靠性，从而延长其使用寿命。
HD2000水冷型变频器是禾望电气的hopeDrive2000系列工程型水冷变频调速传动系统装置，采用较低电导率的纯水作为循环介质，整体散热效率高，主要应用于中高功率段，防护等级高，非常适宜于石油钻机。此款水冷多传变频器较钻井电控驱动系统中常规应用的风冷变频器拥有更高的功率密度，更小的噪音，结构尺寸大为减小，使得可以使用更少数量、更小尺寸的电控房完成钻井电控驱动系统的设计，进而大为降低钻机电控驱动系统于异地使用时的运输成本。此外，变频器采用了换热外置（置于电控房外）的设计方案，减小了电控房内的制冷需求，降低了电控房房体的设计成本;同时电控房内噪音大为减小，改善了现场工作环境。图1为HD2000水冷型变频器的示意图。
3 水冷型变频器的水冷原理
HD2000变频器功率单元采用水循环冷却系统进行散热，该循环可以分为内循环和外循环，两个循环之间有热交换器，进行热能量交换。
内循环是整套水冷系统的核心，在主循环泵的驱动下，通过管路以恒定的流速向功率设备的水冷板内部注入循环水，在循环水通过水冷板时， IGBT等功率元件的发热传递给循环水，由循环水不断带出热量，升温后的循环水进入板式换热器，实现对功率单元设备的冷却;外循环则是从外部接入一套循环水系统，将内循环板式换热器的热量即时交换出去。板式换热器通过和外循环水换热，热量由外循环水带走。恒定压力和流速的循环水源源不断流经发热体带走热量，温升冷却介质由循环泵的进口经室外空气散热器与冷空气进行热交换，散热后的循环水再循环进入发热体，形成一个密闭式循环系统。为防止因外部环境温度而引起变频器内部有凝露现象产生，在水冷管道内加入加热装置。变频器外部水温低于25℃时，水冷系统会自动启动加热器，同时将散热外水通过旁路管道直接回流，当水温高于25℃时，自动关闭加热器，根据温度的大小，自动调节外水通过散热板的流量，让外循环水带走内循环水的热量。
该水冷系统具有导热系数大，水流平稳，震动和噪声小等优点，可有效较低发热硬件的温度，提高其寿命。
4 應用
2018年10月，基于技术装备国产化的目的，结合国内变频器技术发展，通过电控系统改造，在西部钻探某钻井队成功配置并应用了HD2000国产水冷型变频器。下表为改造ZJ50DB钻机的主电机配置。
在充分考虑安全性、通用性和替代性的前提下，改造后的变频调速器具体配置如下：
截止2018年12月底，完成电控改造后的钻机已开钻2口井，完井1口，系统运行平稳。与应用风冷变频器时相比较，应用水冷变频器的电控系统具有以下优点：
a、结构紧凑，全套变频器集成在了1栋12.5m长的VFD电控房内，较常规ZJ50DB电控系统减少1栋房体，节约了井场面积，降低了设备运输成本;
b、水冷换热系数可达3500W/（m2·℃），水冷散热效率比风冷高出了30个百分点，提高了变频器作业的可靠性，大幅延长了变频器的使用寿命;
c、水冷变频器运行时VFD房内运转噪音不超过50dB，远低于风冷变频器。
该应用减少了对系统内大功率空气冷却系统的需要，水冷高效率，低噪音，方便热传导，可在小容量空调或没有空调的情况下应用。
5 结束语
变频器是电动钻机电控系统的核心，其国产化将是一条必由之路。此次在电动钻机上应用HD2000国产水冷型变频器是一次尝试，目的在于通过应用发现、解决问题，最终实现技术成熟，这也为国内钻机电控变频器国产化工作的开展和推广提供了借鉴经验。相信在不远将来，国产变频器会在电动钻机上得到大量推广应用。
作者简介：
师远征（1981-），2004年毕业于长江大学机械设计制造及其自动化专业，西部钻探工程有限公司设备处工作。
收稿日期：2019-01-28