现代石油井场发电房安全操作

第十六章　发电房及安全操作

第一节　柴油发电机组房

不同类型的钻机通常采用不同的柴油发电机房。机械钻机、转盘电驱动钻机、机电复合钻机通常采用两台300～500kW的柴油发电机组进行单车或并车供电，如图16-1所示。直流和交流变频等全电动钻机通常采用3～5台柴油发电机组供电，如图16-2所示。

图16-1　机械钻机和转盘电驱动钻机发电房

图16-2　电动钻机柴油发电机房

机械、转盘电驱动和机电复合钻机发电房通常需要并车和倒车操作，通过发电房内的并车柜和馈电柜进行操作，如图16-3所示。电动钻机发电机控制柜如图16-4所示。

图16-3　机械、转盘电驱动和机电复合钻机发电房并车柜和馈电柜

①并车柜　②馈电柜1　③馈电柜2

图16-4　ZJ90DB电动钻机发电机控制柜

①GEN1　②GEN2　③同步柜　④GEN3　⑤GEN4　⑥GEN5

第二节　机械钻机、转盘电驱动钻机的柴油发电机组原理

一、发电机结构

如图16-5所示，IFC发电机由发电机（包含定子、转子）、励磁机（包含励磁定子、励磁转子）和励磁系统三大部件构成，在转子上装有通风冷却用的风扇、整流用的旋转整流模块及保护用的压敏模块。

图16-5　IFC系列发电机结构图

①前端盖　②机座　③风扇　④导风板　⑤定子　⑥转子　⑦励磁系统　⑧旋转整流二极管　⑨励磁定子　⑩励磁转子 后端盖

二、发电机原理

根据电磁感应定律，运动的导体在磁场中，作切割磁力线的运动，就会产生感应电势。感应电势的数值大小可用数学式表示如下：

E=BVL=4.44fφ　　　　　　　　　　 （16-2-1）

其中：E——感应电势；

B——磁场强度；

V——导体的运动速度；

L——导体在磁场中的有效长度；

f——发电机电势频率；

φ——每极磁通量。

发电机发电必须具备三个条件，即导体、磁场和相对运动。

另外，在发电机带负载后，由于电枢的去磁作用使磁场强度B下降，感应电势E降低，同时，由于绕组发热后电阻增加也会使端电压下降，因此必须有一个随负载变化而变化的直流励磁电源（即励磁系统），以维持端电压的稳定。

三、发电机转速、频率和极数

f=pn/60　　　　　　　　　　　　 （16-2-2）

其中：f——发电机电压的频率（Hz）；

n——发电机转速（r/min）；

p——发电机的极对数。

我国国家标准规定工业交流电势的频率为50Hz，因此电机的极对数和转速成反比关系，即：

p=60f/n=3000/n　　　　　　　　　　 （16-2-3）

表16-1列出了发电机极对数和转速的对应关系。

表16-1　发电机极对数和转速对应关系

四、励磁系统

（一）组成

励磁系统由整流变压器、电抗器、电容器、调差互感器、自动电压调节器五大部件组成，布

置如图16-6所示。

图16-6　发电机励磁系统示意图

①调差互感器　②功率部件　③电抗器　④电容器　⑤整流变压器

其中功率部件如图16-7所示。

图16-7　功率部件布置示意图

①三相整流模块　②大功率可调电阻　③可控硅模块　④铝安装底板　⑤自动电压调节板

（二）原理

通常石油井场发电机采用相复励励磁系统，为加快起励速度和减少起励时间，设置了电感、电容串联谐振回路帮助起励。为了提高稳态、动态调压精度，设置了自动电压调节器（AVR），控制励磁系统的输出，达到发电机端电压相对稳定不随负载变化而变化的目的。

1．电抗的移相和降压、电容的谐振

励磁系统原理如图16-8所示。

400V发电机励磁系统中电抗器的作用有两个。一是降压，400V的电压经电抗器降压后再输入整流变压器，降压量的大小与气隙的大小有关。气隙大，电抗值（ωL）小，压降小；气隙小，电抗值（ωL）大，压降大。二是移相，电抗器输出的电流（IL）的相位在时间上要滞后输入电压的相位90°。

电容器的作用主要有两点，一是与电抗器产生串联谐振动帮助起励建压；二是可以使电机运行时，励磁电流免于受励磁绕组发热的影响。

图16-8　励磁系统原理图

在400V发电机中，电抗器的调整要与整流变压器的调整相协调以达到负载特性的要求。

2．相复励

400V发电机的相复励是由整流变压器采取磁复合的方式来完成，整流变压器由三个绕组组成。在负载时，它在副边绕组感应出一个与负载电流成正比的感应电流，经整流后供给励定，以补偿电枢反应的去磁效应。如IFC系列发电机的相复励是由整流变压器采取电流互感器经变流后送到整流变压器的副边与电抗器送来的空载励磁电流（接到整流变压器原边）相叠加而形成电磁复合的相复励方式。

相复励矢量图如图16-9所示。

图16-9　相复励矢量图

从相复励矢量图可得出：

从式（16-2-4）可知，电流滞后电压相位角φ越大，IF值越大，因此它满足了发电机对励磁系统的要求，即感性负载时要加大励磁电流，容性负载时要减小励磁电流。

3．自动电压调节

由于不可控相复励的发电机电压调整率大（大于5%），所以采用自动电压调节器（AVR）以提高发电机电压调整率（小于1%）。自动电压调节采取在励磁回路交流侧分流的方法来控制励磁电流，即控制发电机电压。自动电压调节器（AVR）只有在发电机电压高于其整定值时才起作用，所以在空载至满载的整个过程中，没有自动电压调节器（AVR）的发电机，其电压都高于400V，在正常情况下，带自动电压调节器（AVR）的发电机其空载电压整定范围至少为380V至420V。

4．自动电压调节器（AVR）

以IFC发电机为例，自动电压调节器如图16-10所示。该自动电压调节器（AVR）有五个可调节的电位器（S、U、K、T、R47），说明如下：

S——调差电位器；

U——内部整定电位器；

K——放大倍数电位器；

T——积分时间电位器；

R47——扰动电位器。

图16-10　自动电压调节器外形

还有四个插头（X1、X2、X3、X40），说明如下：

X1——测量变压器（T1）400V电压输入端X1/1、X1/3

X2——外部整定电位器输入端（X2/1、X2/3）和调差电流互感器输入端（X2/5、X2/9）

X3——可控硅模块输入端（X3/5——阳极、X3/6——阴极、X3/3——控制极）

X40——外部附加控制输入端

从外形上看，该自动电压调节器（AVR）为比例积分（PI）电压调节器，因而具有很高的稳态、动态调压精度，只要电位器（K、T）调整合适，就能达到所要求的电压调整率。

S1三位拨动开关在一般情况下，S1/1、S1/2拨至ON（开）位，S1/3拨至OFF（关）位，只有在外部整定电位器损坏的情况下，才将S1/3拨至ON（开）位，由内部整定电位器（U）来整定所需的电压值（400V）。

（三）发电机工作原理

如图16-11所示为发电机空载特性曲线。从空载特性可以看出，发电机的电压与励磁电流是一种函数的关系即U=F（If），在发电机的工作区对应于每一个不同的励磁电流（If）值，都有一个确定的电压（U）值。

发电机运转后，由于转子存在剩磁，在定子上就会感应出剩磁电压，在一般情况下，该剩磁电压可达20～30V，该剩磁电压经电抗器、电容器组成的串联谐振回路送至整流变压器，经整流变压器降压、三相整流桥整流后供励磁定子，在励磁转子上产生三相感应电压，该三相感应电压经旋转整流模块整流后供给转子，由于转子有励磁电流，就会产生一个相应的磁场，这样在定子上就有相应的感应电压，该感应电压经上述路径后又会在转子上产生一个更大的励磁电流，那么在定子上就会产生一个更大的感应电压，这个循环是一个正反馈过程，发电机的电压建立起来。由于磁饱和的特性，发电机电压不可能无限增大，只能稳定在一个确定的数值上，该数值与发电机的主机及励磁有关，一般情况下，调整电抗器的气隙，也就可以调整发电机的空载电压，气隙大电压高，气隙小电压低。

图16-11　IFC6发电机空载特性

发电机带负载时，整流变压器就产生一个与负载电流成正比的感应电流供给励磁，以补偿电枢反应引起的发电机电压降，维持发电机电压的相对稳定。其补偿量的大小可通过调整整流变压器的抽头位置来调节，调节其补偿量大小要合适：补偿量调节过小，带负载时电压下降，超过发电机电压调整率的要求，造成用电设备不能正常工作；补偿量调节过大，带负载时电压上飘，发电机带负载不能稳定运行。

（四）发电机的并联运行

1．发电机并联运行的三个条件

（1）电压数值相等；

（2）三相电压的频率相等；

（3）三相电压相位相等。

2．两台柴油发电机组的并联运行

两台柴油发电机组必须具有相同的调速率和调差率才能保持其并联运行的稳定。调速率即柴油机转速从空载到满载的变化量（一般为3%～5%），调差率即发电机电压从空载到满载的变化量（一般为2.5%～5%）。

3．发电机的调差

下面以IFC6为例进行说明。

IFC6发电机采用单相测量变压器加一个电流互感器组成的调差环节，其原理如图16-12所示，从矢量图可知，Iu可分成有功分量Ip=Iucosφ和无功分量Iq=Iusinφ。有功分量IpRc垂直Vvw（即Ve），无功分量IqRc平行于Vvw（Ve），对于测量综合信号Vc，我们只注意它的幅值大小，一般不注意它的相位。因为Ve≥IuRc，从矢量图得，当OK≥KP时，我们可以认为OP=OK，即Vc≈Ve，所以可认为有功电流对测量综合信号Vc影响甚微，当发电机是感性负荷时，KQ=IuRcsinφ，它与Ve是同相相加，Vc=Ve+IuRcsinφ，它与Ve是同相相加，Vc=Ve+IuRcsinφ，因此Vc的幅值只决定于无功分量的调节，调节环流电阻Rc，可分别得到两台发电机负载为cosφ=0.8时，电压下降特性（即励磁电流下降特性）一致，从而使两台发电机无功电流分配得到平衡。在自动电压调节器（AVR）上有调差电位器（S）调节其调差量的大小，顺时针调节调差电位器（S），调差量变大，反之则变小。在单机运行时，一般将调差量（S）调至最小，提高发电机静态调压精度。

图16-12　IFC6发电机调差环节

同时IFC6发电机转子上装有阻尼绕组以减小并联运行时电压的波动。

4．并联运行的发电机有功功率和无功功率的调整

并联运行的发电机，其输出有功功率的大小是由柴油机调速率决定，其输出无功功率的大小是由发电机调差率决定，调速率小的柴油机其输出有功功率大，调差率小的发电机其输出的无功功率大。在运行过程中，若两台发电机的输出功率相差太大，可以通过手动调节来进行临时的调整，使其不至于影响机组的正常运行，其调节方法如下：

加大柴油机的油门（增加供油量），发电机输出的有功功率增加，配电箱的功率表（kW表）显示值变大，配电箱的功率因数表（cos表）显示值变大，同时电流表的显示值变大。减小柴油机的油门（减少供油量），发电机输出的有功功率减少，配电箱的功率表（kW表）显示值变小，配电箱的功率因数表（cos表）显示值变小，同时电流表的显示值变小。

往高电压升高方向调整调压电位器（增加发电机的励磁电流），发电机输出的无功功率增加，配电箱的功率因数表（cos表）显示值变小，同时电流表的显示值变大。

往低电压降低方向调整调压电位器（减少发电机的励磁电流），发电机输出的无功功率减少，配电箱的功率因数表（cos表）显示值变大，同时电流表的显示值变小。

第三节　电动钻机柴油发电机组原理

一、发电机励磁系统

发电机通常采用以下四种励磁方式：

1．相复励励磁；

2．三次谐波；

3．可控硅直接励磁；

4．无刷励磁。

二、柴油发电机组

电动钻机通常采用CATERPILLAR柴油发电机组，以CAT3512为例，其技术参数如下：

额定功率：1500kVA/1200kW

功率因素：0.8

频率：50Hz

相数：3相

接线方式：Y或△

发电机输出：690V/1255A

励磁电压：29V/6.6A

柴油机转速：1500r/min

三、柴油发电机组控制柜

电动钻机柴油发电机组控制柜通常有三种类型，一种是以ROSSHILL技术为代表进行控制的传统型，第二种是以天水电气传动研究所消化ROSSHILL技术生产为代表的国产型，第三种是采用WOODWARD调速器和同步器进行速度控制，采用巴斯勒电压调节模块进行电压控制的新型柴油发电机组控制系统。目前各个厂家都倾向于采用第三种方式进行柴油发电机组的控制。下面以第三种类型为例进行介绍。

一般柴油发电机组控制柜包括发电机柜和同步柜，如图16-13所示。

图16-13　柴油发电机组控制柜

①同步并车柜　②GEN1　③GEN2　④GEN3　⑤GEN4

发电柜控制面板如图16-14所示。同步并车柜控制面板如图16-15所示。

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图16-14　发电柜控制面板示意图

图16-15　同步并车柜面板示意图

四、柴油发电机组控制系统组成

柴油发电机组控制系统包括主回路开关、速度调节器、电压调节器、测量回路、保护回路、同期控制、电力监视、二次操作回路和稳压电源等单元。

（一）主回路开关

主回路开关包括长延时、短延时和瞬时等三种脱扣方式。长延时脱扣即发电机额定电流为110%～115%，短延时即发电机额定电流为200%～300%，瞬时脱扣即1000%～1700%。单台发电机时只设置长延时和短延时，两台发电机时需设置长延时和短延时，三台发电机时需设置全部脱扣方式。

（二）速度调节器

在不同负载情况下，柴油机电子调速器将保持柴油机的转速稳定于1000r/min（或1500r/min），从而保持发电机输出50Hz的恒定频率。WOODWARD 2301A电子调速器，具有功能全、反应快、精度高、稳定性好、功耗低、调整方便等一系列优点，其基本结构包括数/模转换电路、调节放大电路、负荷分配电路、输出电路和稳压电源等环节。

速度调节器的原理是通过调节油门大小来控制速度，如图16-16所示。

WOODWARD 2301A速度控制器外形如图16-17所示。

图16-16　速度控制器控制原理

图16-17　2301A速度控制器外形图

2301A速度控制器主要参数：

电源：20～24V

负载信号：90～240 V（AC）3ø 45～66　Hz 3ø

速度传感器：100～300Ω，1～30V（AC）

速度调整范围：0～10%

同步输入： ±5V（DC）

负载分配：0～6V（DC）

速度输出信号：7.5　V（DC）max for 0 to 214　mA

速度降：0～10%

怠速：55%额定转速

加速时间：0～10s

负载增益：最大6V（DC），5A电流

2301A速度控制器端子图如图16-18所示。

图16-18　2301A速度控制器端子图

速度控制系统图如图16-19所示。

图16-19　2301A速度控制系统图

图16-19中，LOW IDLE SPEED为怠速，ACTUATOR COMPENSATION为快速性，GAIN为增益电位器，RATED SPEED为额定转速电位器，START FUEL LIMIT为初始燃油限制电位器，RAMP TIME为升速时间电位器，RESET为复位电位器。

2301A负荷分配系统如图16-20所示。

图16-20　2301A负荷分配系统图

图16-20中DROOP为调差电位器，LOAD GAIN为负载增益电位器。

2301A负荷分配接线图如图16-21所示。

图16-21　2301A负荷分配接线图

2301A负荷分配接线图16-22所示。

图16-22　2301A负荷分配接线图

柴油转速控制指标如下：

频率稳态调整率：　　　0～5%（可调）

频率瞬态调整率：　　　±5%

频率波动率：　　　　　0.5%

频率稳定时间：　　　　3s

（三）电压调节器

电压调节器提供发电机空载励磁。当负荷发生变化时，发电机励磁调节单元将对发电机的励磁电流进行控制，以保证发电机输出电压的稳定及整个发电机组无功功率的均衡分配。该单元由PID调节器、功放电路、电压及无功测量电路、无功均衡电路组成。

交流发电机电压控制指标如下：

电压稳态调整率：　　　±2.5%

电压调整范围：　　　　±20%

电压波动率：　　　　　0.5%

电压稳定时间：　　　　1.5s

响应时间：　　　　　　20ms

DECS-100电压调节器如图16-23所示。

图16-23　DECS-100电压调节器

DECS-100电压调节器主要参数和功能：

电源：88～250V（AC），单相或三相，50～400Hz

建压电压：>6V

负载信号：100～600V（AC），单相或三相

电流检测：5A（AC），50/60Hz，单相

励磁输出：63V（DC），7A（DC），最大135V（DC），15A （DC）

并列补偿：无功降落和无功差动（横流）

磁场过压保护

磁场过电流保护

发电机过压保护

软启动功能

报警和跳闸输出

RS232接口

DECS-100电压调节器接线图如图16-24所示。

图16-24　DECS-100电压调节器接线图

（四）同期柜

用于实现柴油发电机组的并网条件的检测和并网控制。同期控制柜内包括同期控制单元、切换装置、接地检查单元、相序保护单元、功率限制单元及稳压电源。

实现的控制功能如下：

使用频率表及选择开关来读发电机频率；

发电机选择器和发电机断路器闭合按钮；

不需调节频率和电压，同步模块可自动调节频率和电压，可以防止误操作。

同期原理及方案如下：

1．同期控制单元

为了避免误操作造成发电机组对电网或电网对发电机组的冲击，防止发电机组在并网时出现故障，在同期控制中采取了双重保护措施，断路器选用欠压脱扣方式，在同期闭锁继电器控制的基础上增加一个电子同期闭锁装置，以确保并网合闸瞬间完全在满足并网的条件下进行，否则合闸操作无效（例如同步指示灯变化还较快，或相位差偏大时）。

2．相序保护单元

相序保护单元用来防止主电网相序出错。当检测电网为反相序情况时，保护单元立即发出故障信号，以避免电源相序接反而引起的各种事故。

3．功率限制单元

功率限制单元由kW（有功）限制控制电路和kVA（无功）限制控制电路两部分组成。

kW（有功）限制控制电路采用或门形式综合来自每台发电机组提供的有功超功率检测信号，当某台发电机出现kW数超限时，相应的比较电路发出指令，由记忆电路加以记忆并通过继电器发出封锁信号。

kVA（无功）限制控制电路也采用或门形式综合来自每台发电机组提供的无功超功率检测信号，当某台发电机出现kVA数超限时，相应的比较电路发出指令，由记忆电路加以记忆并通过继电器发出封锁信号。

4．接地检测单元

接地检测单元采用高阻抗接地检测电路，对三相600V、380V母线及各个整流柜输出的正负直流母线的接地情况进行检测，并通过相应的信号灯显示出接地故障。

同步模块外形图如图16-25所示。

图16-25　同步模块外形图

同步模块主要参数：

额定频率：50～60Hz

输入电压：115　V±10%或115V ±10%

相角偏置：0°～±10°

电压匹配：1%或5%

功　　率：5W

速度匹配

断路器闭合信号

同步模块系统图如图16-26所示。

图16-26　同步模块系统图

同步模块功能图如图16-27所示。

图16-27　同步模块功能图

同步模块端子图如图16-28所示。

图16-28　同步模块端子图

（五）测量回路和电力监视

组成包括测量变压器、电流互感器、电力仪表（多功能保护继电器）和交直流接地检测。

（六）发电机回路的保护

保护目的包括防止发电机过载损伤、切除发电机和发电机故障、发电机断路器以及馈电用保护装置进行选择切除动作，并迅速切除汇流故障，还包括发电机并联运行时，防止原动机损伤等。

保护内容包括发电机过载保护、发电机短路保护、发电机逆功率保护、发电机欠电压保护和自动卸载等。

第四节　发电机的并车及解列操作

一、并车

1．待并车略高于负荷车。

2．合上储能按钮。

3．合上同步检查继电器。

4．待同步指示比较平衡时，在“S”位同时按合闸。

5．调整两车负荷（即增减转速或励磁电压）。

二、解列

并车后，调整负荷，逐步让解列车负荷转移至另一车，一直到完全没有负荷时，按跳闸即可解列。

第五节　发电房运行监控及突发故障操作

一、运行监控

发电房并车操作完成后，值班人员不能离开岗位，两台车只有人工控制调整，使功率因素基本相同，不能出现车带车现象，否则逆功率动作跳闸。

二、突发故障操作

1. 突然停车熄火，或其他机械故障必须停车的操作。

2. 发电工应立即启动备用发电机送电。

3. 司机应立即赶到现场，指挥司助发电工盘查故障发电机并检查故障原因。

4. 在发电工启动发电机之前，司机应协助发电工检查被启动发电机的油、水，并启动发电机及时送电。