液壓頂驅(qū)動(dòng)力源技術(shù)改造

摘 要：我公司一套液壓頂驅(qū)使用單獨(dú)柴油機(jī)作為動(dòng)力源，在現(xiàn)場(chǎng)使用中存在耗油量過(guò)高和維護(hù)、維修困難等不足之處，因此設(shè)計(jì)用一臺(tái)電機(jī)代替柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓源，從機(jī)械和電氣兩個(gè)方面設(shè)計(jì)技術(shù)方案進(jìn)行改造。

關(guān)鍵字：液壓頂驅(qū)軟啟動(dòng)器發(fā)電機(jī)并車節(jié)能發(fā)電機(jī)

中圖分類號(hào): TE文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)03(b)-0000-00

頂驅(qū)現(xiàn)在是打特殊井必備的設(shè)備之一，我公司這套頂驅(qū)為350t液壓頂驅(qū)使用兩年來(lái)在非常規(guī)井和水平井的施工中發(fā)揮了非常重要的作用，是甲方非常規(guī)井施工必須配備的關(guān)鍵設(shè)備，但是使用過(guò)程中逐漸發(fā)現(xiàn)存在一些不足之處，主要有兩方面：

(1)能耗成本高：使用獨(dú)立的540千瓦的VOLVO發(fā)動(dòng)機(jī)為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)一口井基本在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，空載和低負(fù)荷時(shí)消耗柴油過(guò)高，另外沃爾沃的機(jī)油和三濾等消耗品以及其他備件使用費(fèi)用過(guò)高。

(2)運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)高：該型號(hào)柴油機(jī)沒(méi)有備用，零部件較多，運(yùn)動(dòng)器件多，由于VOLVO發(fā)動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，維護(hù)保養(yǎng)困難，一旦機(jī)組出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致頂驅(qū)整體癱瘓，將導(dǎo)致工程事故的連鎖出現(xiàn)，尤其是在施工后期的關(guān)鍵階段，其經(jīng)濟(jì)損失無(wú)法估量。

因此借鑒其他頂驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式和機(jī)械傳動(dòng)的特點(diǎn)提出一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)方案：使用一臺(tái)與頂驅(qū)液壓系統(tǒng)相匹配的電動(dòng)機(jī)來(lái)替代沃爾沃柴油機(jī)。

1技術(shù)改造方案

1.1 機(jī)械方面

在去除原來(lái)沃爾沃柴油機(jī)的空間上放置一臺(tái)355KW三相異步電機(jī)和傳動(dòng)比為1:1.2的齒輪傳動(dòng)箱。355KW電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為1487rpm，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)箱的變比到達(dá)液壓泵齒輪箱的轉(zhuǎn)速為1785rpm，基本與原來(lái)的沃爾沃柴油機(jī)1800轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速相當(dāng)，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率有關(guān)，有正負(fù)兩赫茲的調(diào)節(jié)范圍，完全可以滿足使用要求。液壓泵與增速箱的連接充分考慮減震和固定。中間的連接器的選擇有三方面的考慮1、功率傳遞要求2、安裝、更換的方便性3、防止驅(qū)動(dòng)端出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)保護(hù)液壓泵的需要，綜合這幾方面的因素選用雙尼龍棒連接方式。

考慮井場(chǎng)實(shí)際發(fā)電機(jī)功率（單臺(tái)發(fā)電機(jī)400KW，即并車時(shí)最大電流770*2=1540A），電源電流必須滿足最小≥2倍電機(jī)額定電流，（必須為其他負(fù)荷留出一定的容量），否則啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響其他設(shè)備運(yùn)行。355KW電機(jī)額定電流628A，628*2=1256A。故選用355KW電機(jī)比較合適且通過(guò)下面的分析其功率可以滿足日常驅(qū)動(dòng)要求。

根據(jù)原有頂驅(qū)液壓泵的技術(shù)參數(shù)，當(dāng)頂驅(qū)輸出扭矩為N=30000N.m、頂驅(qū)輸出轉(zhuǎn)速為M=100rpm液壓馬達(dá)功率P=M*N/9550=30000*100/9550=314KW，當(dāng)液壓管線不泄露的情況下液壓馬達(dá)功率等于液壓泵的功率輸出。P=壓力*流量/60，所以頂驅(qū)輸出最大扭矩時(shí)液壓泵的排量=314*60/35=540L/min，單泵排量=540*1000/2100/2=130ml/轉(zhuǎn)。單泵的最大利用率=130/229=0.57，單泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率P=35*130*35/0.9=177KW，雙液壓泵同時(shí)工作時(shí)最大需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率=177*2/0.98=360KW。當(dāng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為68rpm時(shí)，頂驅(qū)輸出扭矩N=9550*314/68=44100N.m。完全滿足頂驅(qū)設(shè)計(jì)扭矩輸出。另外電機(jī)具備小于2分鐘1.5倍過(guò)載能力，在鉆井過(guò)程中復(fù)雜工況下偶爾需要超大扭矩時(shí)可以滿足功率要求。

為了滿足液壓泵在全速運(yùn)行時(shí)輸出壓力可以達(dá)到350bar，液壓泵扭矩=9550*177*2/2100=1610nm。由于兩個(gè)齒輪箱均為增速箱所以實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩=1610*1.17*1.2=2260n.m。要滿足最大扭矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率需達(dá)到P=2260/9550*1487=352KW。扭矩N=9550*355/1487=2280N.M，正好可以滿足驅(qū)動(dòng)扭矩需求。

1.2 電氣驅(qū)動(dòng)方面

1.2.1 電機(jī)啟動(dòng)方式選擇

355千瓦的電機(jī)的電機(jī)不可能采用直接啟動(dòng)的方式，必須采用降壓?jiǎn)?dòng)方式，常用的降壓?jiǎn)?dòng)方式有星三角啟動(dòng)、自耦減壓?jiǎn)?dòng)和串接起動(dòng)電阻啟動(dòng)和軟起動(dòng)器啟動(dòng)。對(duì)于前倆種啟動(dòng)方式?jīng)]有這樣容量的啟動(dòng)器，串接起動(dòng)電阻的方式需要配置大約一立方的啟動(dòng)液，體積比較龐大，不適合在現(xiàn)場(chǎng)改造，所以該電機(jī)采用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，接觸器旁路運(yùn)行的方式，在電控房安裝一臺(tái)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)柜，這種方式非常成熟可以充分利用軟啟動(dòng)器的各項(xiàng)保護(hù)功能?？紤]到是驅(qū)動(dòng)液壓泵，所以選用施耐德 400KW重載軟啟動(dòng)器和施耐德800安旁路接觸器，并且安裝一個(gè)施耐德800A萬(wàn)能斷路器控制電源。軟啟動(dòng)器是一種集電機(jī)軟起動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流。待電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，軟啟動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，延長(zhǎng)軟啟動(dòng)器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。

1.2.2 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的改造

考慮井場(chǎng)實(shí)際發(fā)電機(jī)是一臺(tái)300千瓦一臺(tái)400千瓦而且不能并車，300千瓦發(fā)電機(jī)本來(lái)就無(wú)法充分滿足井隊(duì)各種用電負(fù)荷的需求，現(xiàn)在任一個(gè)單臺(tái)發(fā)電機(jī)電機(jī)無(wú)法滿足頂驅(qū)電機(jī)啟動(dòng)要求和帶上頂驅(qū)以后的功率需求，因此在現(xiàn)有的條件下更換兩臺(tái)400千瓦的沃爾沃發(fā)電機(jī)組并且把控制系統(tǒng)改造配備一個(gè)并機(jī)柜，并機(jī)系統(tǒng)采用美國(guó)進(jìn)口的deep sea控制器，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)同步并車和功率分配，這樣并車時(shí)最大電流可以達(dá)到770*2=1440A。

由于一個(gè)沃爾沃發(fā)電機(jī)無(wú)法負(fù)擔(dān)全部井場(chǎng)用電功率，從安全角度和節(jié)能的角度考慮應(yīng)當(dāng)充分利用節(jié)能發(fā)電機(jī)。井隊(duì)的節(jié)能發(fā)電機(jī)是由190柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種不用調(diào)速、有效節(jié)約燃油的發(fā)電機(jī)。考慮到設(shè)備管理方便和更換的通用性以及整體井場(chǎng)用電負(fù)荷的容量決定選用現(xiàn)在公司40LDB鉆機(jī)上使用的586千瓦，1020安的大功率的節(jié)能發(fā)電機(jī)。這樣一臺(tái)節(jié)能發(fā)電機(jī)既可以滿足包括頂驅(qū)在內(nèi)全井場(chǎng)用電負(fù)荷，又可以滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)要求，提高了整個(gè)供電的安全系數(shù)。由于原節(jié)能發(fā)電機(jī)的皮帶輪直徑和皮帶數(shù)量不能滿足使用的需求，因此經(jīng)過(guò)計(jì)算把皮帶輪直徑由38厘米到40厘米，增加2厘米，皮帶數(shù)量由9根增加到12根，即滿足柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍1150-1250轉(zhuǎn)/分鐘，對(duì)應(yīng)節(jié)能發(fā)電機(jī)頻率48-52赫茲。這樣整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)改造后可以極大地提高井隊(duì)用電安全，擴(kuò)充總?cè)萘?，又可以?jīng)濟(jì)、充分滿足啟動(dòng)頂驅(qū)電機(jī)的沖擊和驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)負(fù)載的需求。

3 使用效果

在樊154-平3井經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用到現(xiàn)在，經(jīng)受了鉆井各種復(fù)雜工況的連續(xù)考驗(yàn)，一直平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)用效果良好，證明改造的方案和技術(shù)措施以及元器件的選用等正確、比較完善，達(dá)到了整修改造的目的，有效減少柴油消耗和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用同時(shí)減少VOLVO大修費(fèi)用、磨損費(fèi)用。

通過(guò)以上分析和實(shí)際驗(yàn)證，改造后月度減少費(fèi)用可達(dá)9萬(wàn)余元，年度百萬(wàn)元萬(wàn)元。這套系統(tǒng)的改造直接改造費(fèi)用在40余萬(wàn)元，間接費(fèi)用包括發(fā)電機(jī)和節(jié)能發(fā)電機(jī)的更換80余萬(wàn)元。通過(guò)綜合分析，可以在4個(gè)鉆機(jī)月內(nèi)收回直接成本，一年內(nèi)可以收回全部費(fèi)用。另外使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)后，為公司現(xiàn)在正在實(shí)施的利用工業(yè)電網(wǎng)的井隊(duì)網(wǎng)電改造創(chuàng)造了有利條件，解決了液壓頂驅(qū)的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，更加發(fā)揮節(jié)能和安全的優(yōu)勢(shì)。這種改造方式為以后配備的各種液壓頂驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式提供了另外一種思路和借鑒。