林王磊

（中海石油深圳分公司，廣東深圳 518067）

0 引言

在固定式海洋平臺模塊鉆機(jī)上，頂驅(qū)已逐步取代轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)以提高鉆井效率和作業(yè)安全。目前變頻驅(qū)動的頂驅(qū)在海洋平臺模塊鉆機(jī)上應(yīng)用非常廣泛。在變頻驅(qū)動頂驅(qū)系統(tǒng)中，由VFD 系統(tǒng)變頻器驅(qū)動和控制頂驅(qū)2 臺變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)、速度控制和扭矩輸出控制。頂驅(qū)的制動分為盤式剎車制動和能耗制動，頂驅(qū)VFD 系統(tǒng)配備一套制動電阻以實(shí)現(xiàn)能耗制動，消耗頂驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)和扭矩系統(tǒng)在鉆井扭矩波動較大時產(chǎn)生的電能。景宏DQ70BSQⅡ-JH 頂驅(qū)首次在南海東部海域應(yīng)用，在惠州油田某固定式海洋平臺模塊鉆機(jī)鉆井作業(yè)期間，因地層復(fù)雜、鉆井扭矩波動大等多方面因素，造成頂驅(qū)VFD 制動電阻頻繁異常放電，導(dǎo)致頂驅(qū)VFD 制動電阻過熱故障而停機(jī)。根據(jù)故障發(fā)生時的鉆井作業(yè)工況和故障實(shí)際情況，綜合分析故障產(chǎn)生原因，提出改進(jìn)措施并實(shí)施，取得較好應(yīng)用效果。對于頂驅(qū)在故障處理方面具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義，為頂驅(qū)制造商的變頻控制系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)提供了有利參考方向。

1 頂驅(qū)VFD 制動電阻過熱故障及原因分析

該鉆機(jī)配備的景宏DQ70DBⅡ型頂驅(qū)采用2 臺500 kW 交流變頻電機(jī)，由2 臺ACS880 變頻器驅(qū)動，每臺傳動單元分別控制1 臺電機(jī)，采用“主/從”宏的控制方法進(jìn)行一對一的驅(qū)動，主機(jī)采用速度控制模式，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式。最大連續(xù)工作扭矩為85 kN·m，VFD 輸入電壓AC 600 V，VFD 輸出頻率范圍0～121 Hz。

1.1 故障情況

發(fā)生故障時，鉆井井深約3900 m，地層相對較為復(fù)雜，鉆進(jìn)扭矩設(shè)定在23 000 lb-ft。頂驅(qū)制動電阻的散熱風(fēng)機(jī)電源線因高溫過熱產(chǎn)生煙霧，散熱風(fēng)機(jī)自動跳閘。但頂驅(qū)VFD 控制系統(tǒng)并未產(chǎn)生報警信號至司鉆控制臺，致使頂驅(qū)主機(jī)自動停機(jī)，頂驅(qū)主機(jī)及變頻器仍可運(yùn)行，存在較大潛在隱患。故障報警由頂驅(qū)VFD 控制間的煙霧探頭觸發(fā)至鉆機(jī)火災(zāi)盤產(chǎn)生報警，作業(yè)操作人員得知并關(guān)停主機(jī)。

井隊電氣主操檢查測量制動電阻各相阻值均為2.3 Ω，檢查各相電阻對地絕緣無窮大，屬于正常值。檢查制動電阻散熱風(fēng)機(jī)，其電源線因高溫熔化了絕緣層，測量散熱風(fēng)機(jī)電機(jī)繞組，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)電機(jī)已燒壞，只能更換1 個新風(fēng)機(jī)方能恢復(fù)正常功能。初步斷定是當(dāng)時工況導(dǎo)致制動電阻產(chǎn)生的熱量過大，散熱風(fēng)機(jī)無法滿足散熱量要求，制動電阻整體溫度過高后導(dǎo)致散熱風(fēng)機(jī)的電源線故障，造成散熱風(fēng)機(jī)電機(jī)短路燒壞。

1.2 原因分析

根據(jù)頂驅(qū)故障樹梳理，從發(fā)熱異常、散熱不良、缺少保護(hù)裝置等方面，分析造成頂驅(qū)制動電阻過熱故障的可能原因主要有以下方面。

1.2.1 發(fā)熱異常

頂驅(qū)制動電阻主要在頂驅(qū)制動和調(diào)整輸出時進(jìn)行放電發(fā)熱，故障發(fā)生時頂驅(qū)在正常執(zhí)行鉆進(jìn)功能，不存在頻繁剎車制動的情況，說明產(chǎn)生異常發(fā)熱的原因是變頻器異常頻繁調(diào)整負(fù)載輸出。地層和井下原因?qū)е裸@井扭矩波動大是造成變頻器及時插補(bǔ)運(yùn)算和調(diào)整輸出的主要原因，變頻器的輸出需要靠安裝在頂驅(qū)主電機(jī)上的測速編碼器來反饋頂驅(qū)主電機(jī)的運(yùn)行實(shí)際速度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。扭矩波動大和測速編碼器故障都可能引發(fā)控制閉環(huán)出現(xiàn)異常。測速編碼器對安裝精度和傳動精度要求較高，安裝精度不達(dá)標(biāo)或傳動機(jī)構(gòu)磨損都會引起測量信號不準(zhǔn)確。

經(jīng)過調(diào)取該井段的錄井?dāng)?shù)據(jù)和對比頂驅(qū)正常工作時制動電阻放電情況，在鉆進(jìn)過程或者劃眼上提鉆具時遇到扭矩波動范圍達(dá)到3000～20 000 lb-ft 時，制動電阻會連續(xù)放電，扭矩波動5000～13 000 lb-ft 或更小時，制動電阻則不會頻繁放電。另外在變頻器面板上連續(xù)監(jiān)測1#變頻器（對應(yīng)A 電機(jī)）、2#變頻器（對應(yīng)B 電機(jī)）的直流母線電壓，發(fā)現(xiàn)1#變頻器的直流母線波動較大（10 s 內(nèi)電壓值從DC 770 到DC 940 V，波動4 次），但2#變頻器的直流母線波動則相對穩(wěn)定。由此也可斷定1#變頻器收到的編碼器反饋信號不穩(wěn)定或失真，加劇了制動電阻放電頻率。

1.2.2 散熱不良

制動電阻機(jī)柜安裝在頂驅(qū)VFD 工作間內(nèi)，工作間內(nèi)有一用一備的制冷空調(diào)，因而整體環(huán)境溫度的影響可以排除。導(dǎo)致散熱不良的因素，主要考慮制動電阻散熱風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量及排風(fēng)通道的設(shè)計。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際檢查，機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)百葉窗過小，以及機(jī)柜的散熱出口風(fēng)道偏小，設(shè)計不合理也是制動電阻過熱故障之一。

1.2.3 報警檢測失效和缺少保護(hù)措施

正常情況下，頂驅(qū)制動電阻溫度過高時，其溫度傳感器PT100 應(yīng)能及時將溫度信號傳遞給頂驅(qū)VFD 的工控機(jī)，由工控機(jī)PLC 進(jìn)行判斷和發(fā)出報警。由于頂驅(qū)操作者司鉆沒有在司鉆操作箱的顯示畫面中看到報警，因此不能及時通知技術(shù)人員進(jìn)行排查，處理高溫異常，這是導(dǎo)致制動電阻散熱風(fēng)機(jī)過熱燒壞的重要原因。

其次，制動電阻散熱風(fēng)機(jī)因電源線短路自動跳閘后，頂驅(qū)VDF 工控機(jī)并未收到風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號聯(lián)鎖信息。而頂驅(qū)主機(jī)仍可正常運(yùn)行，頂驅(qū)操作者司鉆也不知道制動電阻風(fēng)機(jī)跳閘，導(dǎo)致制動電阻迅速過熱。聯(lián)鎖控制和制動電阻散熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在頂驅(qū)司鉆控制臺畫面顯示這些功能必須得到改進(jìn)。

2 故障處理及改進(jìn)措施

2.1 故障處理

首先，根據(jù)頂驅(qū)廠家的操作維護(hù)手冊，核算制動電阻發(fā)熱量、散熱量，排除設(shè)計計算的問題后，更換頂驅(qū)制動電阻散熱風(fēng)機(jī)。同時更換并測試溫度傳感器PT100，確保其在正常工作狀態(tài)。

其次，排查頂驅(qū)主電機(jī)A 電機(jī)的編碼器反饋信號失真故障。通過現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)頂驅(qū)主電機(jī)A 電機(jī)編碼器固定塊軸承與編碼器固定軸之間的間隙較大，編碼器軸有輕微晃動現(xiàn)象，可以肯定這是引起制動電阻異常發(fā)熱的因素之一。對磨損的零部件進(jìn)行更換、調(diào)整和潤滑，重新安裝到頂驅(qū)本體。

同時，優(yōu)化變頻器運(yùn)行參數(shù)，將制動電阻放電閾值由DC 936 V 切換至DC 1077 V，減少制動電阻放電頻率。為適應(yīng)鉆機(jī)不同供電電壓范圍，頂驅(qū)變頻器SOP 上有AC 525～600 V和AC 660～690 V 等2 種供電適應(yīng)模式可選。選擇AC 525～600 V 模式，變頻器能接受輸入電壓最低欠壓至AC 425 V，再低則變頻器會自動跳閘，該模式下制動電阻放電閾值為DC 936 V。選擇AC 660～690 V 模式，變頻器能接受輸入電壓欠壓至AC 535 V，再低則變頻器會自動跳閘，該模式下制動電阻放電閾值為DC 1077 V。相比而言，后者模式下，制動電阻放電頻率會降低很多，考慮到該油田給模塊鉆機(jī)的供電電壓波動很小，一般不會低于AC 590 V，變頻器欠壓跳閘可能性很小，因此選擇AC 600～690 V 供電模式，更適合當(dāng)復(fù)雜地層井段、扭矩波動較大的鉆井作業(yè)工況。

當(dāng)鉆遇復(fù)雜地層，扭矩波動較大時，司鉆可適當(dāng)調(diào)整鉆壓，可使扭矩波動明顯減小，這也是一種保護(hù)頂驅(qū)設(shè)備、降低磨損、減少設(shè)備維修頻率的方式。

2.2 改進(jìn)措施

（1）改善制動電阻柜內(nèi)部的通風(fēng)情況，確保頂驅(qū)VFD 工作間的空調(diào)冷氣能覆蓋到制動電阻機(jī)柜。在機(jī)柜底部增加1 個進(jìn)風(fēng)機(jī)，加強(qiáng)通風(fēng)。同時對制動電阻散熱風(fēng)機(jī)的排風(fēng)百葉窗進(jìn)行改良，確保散熱通暢。

（2）為確保頂驅(qū)操作者司鉆能及時掌控制動電阻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，將制動電阻散熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號增加至VFD 綜合控制柜的工控機(jī)PLC。從邏輯程序上實(shí)現(xiàn)控制聯(lián)鎖，風(fēng)機(jī)故障停機(jī)后可自動關(guān)停主機(jī)，并在頂驅(qū)司鉆控制臺顯示屏上以報警方式顯示其故障狀態(tài)。制動電阻散熱風(fēng)機(jī)故障停機(jī)后，確保頂驅(qū)司鉆控制臺畫面能第一時間產(chǎn)生報警信號并提示司鉆關(guān)停頂驅(qū)主機(jī)。

3 結(jié)論

頂驅(qū)制動電阻異常發(fā)熱是由多個因素引起的，散熱不良和缺少報警保護(hù)措施都會導(dǎo)致制動電阻過熱故障，引發(fā)設(shè)備事故且有潛在電氣火災(zāi)風(fēng)險。通過對景宏DQ70BSQⅡ-JH 型頂驅(qū)制動電阻過熱故障原因分析、處理，進(jìn)一步了解和掌控鉆遇復(fù)雜地層和特殊井下作業(yè)工況時頂驅(qū)的操作使用、運(yùn)行情況判斷、運(yùn)行參數(shù)調(diào)整等。結(jié)合實(shí)際情況分析頂驅(qū)設(shè)計制造時的不合理之處并提出改進(jìn)措施，促使頂驅(qū)系統(tǒng)平穩(wěn)、安全運(yùn)行。對今后頂驅(qū)故障處理方面具有重要實(shí)踐指導(dǎo)意義，為頂驅(qū)制造商的頂驅(qū)變頻控制系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)提供了有利的參考方向和推廣價值。