重庆科技学院本科生毕业设计 2石油钻机控制系统简介
V-M 调速系统，就调节对象（电动机）而言，又有直流串励系统和直流他励系统，图2.4 给出的是它励系统框图，系统中控制部分均由模拟电子元件组成。由图可见系统为典型的双闭环控制系统，电流调节器LT 构成电流内环，控制电动机的电枢电流。而速度调节器ST 构成外环，是电动机电压负反馈形成的电压环。利用调节电动机的电压来实现速度调节。虽然系统结构较简单，精度不是太高，但能满足钻机调速的要求。
②全数字SCR 直流传动方案
微电子技术的发展，使电气传动系统发展到一个全新的阶段，通用型的全数字控制系统已经被广泛的采用。根据不同的控制对象，可以灵活地进行硬件和软件的各种配置，随心所欲地获得理想的控制功能。因此全数字直流调速系统早已被移植到钻机传动领域，取得了很好的效益[ 11 ]。系统框图见图2.5所示。
图2.5 全数字SCR系统框图
故障保护 显示 起停使能控制 脉冲输出 脉冲放大 同步检测 电流 变换 SCR 整 流 桥 全 数 字 速 度 调 节 器 摸入口 If Uf Ug 给定 电压 变换 M 13
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③全数字型变频调速系统。主回路为晶闸管整流器（或二极管整流器）和IGBT 功率元件组成的逆变器。控制功能由软件灵活设置，采用矢量技术控制驱动鼠笼型异步电机，来保证系统调速特性精度和快速响应。交流变频调速系统与钻机传动工艺发展的要求更加适合，因此显示出极强的生命力。PWM 变频器与鼠笼变频电机的结合，就其性能和成本而言，是公认的选择方案。再加上交流调速控制理论的发展，尤其是矢量控制技术的出现，使得交流调速系统的性能与直流双闭环系统的调速性能相媲美。特别是IGBT 等大功率器件的出现，使系统更加简单实用。全数字VFD系统框图如图2.6所示
图2.6 全数字VFD系统框图
观测器 M ψ* 速度调节器 ωg* 电流调节器 2/3 电流调节器 ωf ФT Im ψ Ir 3/2 2.3配电系统概述
交流电动机控制中心的主要功能是对井场的钻台、钻井泵房、钻井液循环罐区、油罐区、压气机房和水罐区的交流电动机进行控制，并给井场提供照明电源。交流电动机控制中心系统对3kW以上电动机采用软启动方式，通过AS-i总线操作和监控，同时保留手动软启动和手动直接启动功能。MCC柜采用分装式结构，以便维修更换。
MCC配电控制系统配置有开关柜，其主要功能是：切换选择交流电动机控制中心400V交流母线的电源，一路选择为主变压器供电至交流电动机控制中心交流母线，一路选择为辅助发电机组供电至交流电动机控制中心交流母线，两路电源电气互锁。
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2.4本章小结
本章主要对电动钻机电气控制系统作了整体的介绍，将石油钻机的控制系统分为发电控制系统、主传动控制调速系统、配电系统和司钻房控制系统四大部分。并分别对前三部分作了概述性的介绍，总结了石油钻机电气传动特性和提出了石油钻机的主传动调速系统方案。其中司钻房控制系统将在第三章做详细介绍。
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重庆科技学院本科生毕业设计 3司钻房控制系统设计
3 司钻房控制系统设计
3.1司钻房的概述
石油钻机是一组工作机繁多、功能复杂的大型成套设备, 按功能的差异可分为地面旋转送进系统、循环系统、起升系统、动力驱动系统、传动系统、控制与显示系统、支撑系统和辅助系统等八大系统。其中, 司钻控制房是控制与显示系统的核心部件, 也是石油钻机的控制中枢, 是石油钻机的“驾驶室”和“心脏”, 其性能的优劣直接关系到整台钻机的生产效率、维护保养性能、钻井工人的劳动强度和生产安全等。司钻控制房在整台石油钻机的设计与制造中所占的重要地位不言而喻[ 4 ]。
从石油钻机司钻控制房的结构和功能来分, 新型司钻控制房可以分为房体系统、控制系统、显示系统和辅助设备等四大系统。房体系统包括房身部分、底座部分、联体式转椅控制台部分等；控制系统包括司钻台(气控、电控、液控) 、控制台(电控) 、气控阀岛、防爆电控箱等；显示系统包括大钩悬重组件、立管压力组件、吊钳扭矩组件、钻井多参数显示仪、多画面监视器等；辅助设备包括室内照明、防爆空调、气动雨刮器、气喇叭和通讯装置等设备。这种新型司钻控制房的结构组成如图3.1所示。
通 气防 讯气动爆防防设喇雨电爆爆备 叭 刮加空照器 热调 明 器 灯 多钻吊力大画井钳管钩面参扭压悬监数矩力重视显组组组器 示 件 件 件 顶部驱动控制自 动电气控司送控控制钻钻箱 系台 台 控 统 制 联 隔防防减体底房热护雨震式座身机装机机转部部构 置 构 构 椅 分 分 辅助设备 显示系统 控制系统 房体系统 司钻控制房 图3.1 司钻控制房机构组成
石油钻机司钻控制房的设计和制造是一个非常复杂且繁琐的系统工程, 在这个过程中, 既要实现司钻对钻机的整体监测和控制, 又要考虑到有效防爆、防护、防腐、防震、隔热、防冷、隔音等功能需求, 既要满足钻井工程使用的便利要求，也要符合人体工程学的设计原理, 是一个充分融合机械、电气、液压和气压控制
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等多项知识与技术于一体的综合性工程。
司钻房控制系统主要分为电控系统、气控系统和液控系统三大部分，在控制系统中司钻台是最能体现之一特征的，司钻台的控制包括了气控、电控和液控。控制台(电控) 、气控阀岛、防爆电控箱两大部分, 是整个司钻控制房的控制中枢。在司钻房的旁边一般还会设置一个液压站，这个就称为液控系统。
3.1.1 司钻控制房的房体系统概述
房体是司钻控制房的“外衣”, 应满足司钻观察视野开阔、结构坚实牢固、吊装运输方便、外形美观大方等要求, 同时针对钻机可能在热带或寒带地区使用的情况, 相应地还要考虑房体的散热或保温功能。通常, 司钻控制房采用不锈钢或钢板制造, 并按石油钻井界的惯例, 喷涂白色油漆。房体正前方要开设固定窗,左右两侧开设推拉窗, 满足司钻观察井口、鼠洞、绞车滚筒轴和钢丝绳、液压大钳等设备的要求, 同时也要便于司钻与其他工作人员的交流。每个窗户前面应有必要的保护措施, 防止出现故障时钻井钢丝绳打碎玻璃, 危害司钻的生命安全。房体顶部开设观察窗, 便于司钻直接观察到井架二层台、游车和天车等设备的状。房体底部留有气路管线、液压管线和电缆等控制线的进出通道, 并同时考虑安全可靠和拆卸方便等问题。房体底部与钻机台面接触的部位应安装减震机构, 缓解钻机工作时产生的振动对司钻控制房的冲击作用。底部四周有固定机构, 用于司钻控制房与钻机台面的连接与固定。房体留有2道门, 一道是日常工作门, 另一道是紧急逃生门, 位置应便于司钻进出。每道门口都不应直对任何障碍物, 要为司钻紧急时刻逃生提供最大的便利。联体式转椅控制台安装在司钻房内部中间偏前的位置, 既要考虑到司钻观察钻机台面的视野, 也要照顾司钻操作司钻台上的设备时使用方便, 还要兼顾司钻进出的便利。
3.1.2 司钻控制房的控制系统概述
控制系统主要分为气控系统和电控系统两大部分, 是整个司钻控制房的控制中枢。气控系统包括压力表、气控开关和操作手柄。压力表显示总气源、绞车离合器、自动送钻离合器、捞砂滚筒离合器、转盘惯刹等设备的工作情况, 通常采用统一规格的公英制抗震压力表。气控开关可实现开关型和调压型2种控制方式, 前者主要用于雨刮器、气胎离合器等设备的控制；后者用于伊顿刹车等设备的控制。利用一阀两开关(过卷阀、防碰解除开关、余气释放开关)，气控系统可以防止钻机出现“上碰”险情。操作手柄主要用于实现对绞车和液压盘式刹车的控制。通过绞车控制手柄, 改变电动机的运转方向, 从而实现大钩的上升或下降；利用液压盘式刹车手柄, 实现制动控制, 从而改变大钩的下降速度。随着电控技术的不断成熟, 电控液压盘式刹车手柄已呈现出全面取代传统的液压盘式刹车手柄的趋势。从司钻使用方便的角度考虑, 压力表多放在司钻台的面板上，气控开关和
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