節(jié)能發(fā)電機(jī)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化

楊文佳，于秋瑞，頡 炯

（1.西部鉆探吐哈鉆井公司，新疆鄯善838200；2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西西安710054；3.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

1 引言

在石油鉆機(jī)中，由于鉆機(jī)的裝機(jī)功率與實(shí)際使用功率存在差異，富余功率較多；另外，在柴油機(jī)液力耦合器整體鏈條箱并車(chē)、統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)方案的鉆機(jī)中，使用節(jié)能發(fā)電機(jī)安裝容易，傳動(dòng)簡(jiǎn)單。因此在統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)方案的鉆機(jī)中將剩余功率用來(lái)驅(qū)動(dòng)節(jié)能發(fā)電機(jī)，減少一臺(tái)輔助柴油發(fā)電機(jī)，只配備一臺(tái)輔助發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急備用，可以達(dá)到節(jié)約燃料，降低成本，提高效益的目的。

2 設(shè)計(jì)方案

除電動(dòng)鉆機(jī)外，國(guó)內(nèi)石油機(jī)械鉆機(jī)普遍采用國(guó)產(chǎn)12V190柴油機(jī)作動(dòng)力，通過(guò)液力耦合并車(chē)驅(qū)動(dòng)或采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元，為絞車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)、泥漿泵等提供動(dòng)力，另外配備2臺(tái)輔助柴油發(fā)電機(jī)組為固控循環(huán)系統(tǒng)和井場(chǎng)照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的用電設(shè)備提供電源。但在統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)方案的鉆機(jī)中，通過(guò)在整體鏈條傳動(dòng)箱的一號(hào)傳動(dòng)軸或附加一根鏈條軸取力，通過(guò)合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)比或附加增速系統(tǒng)，用以驅(qū)動(dòng)節(jié)能發(fā)電機(jī)，并采用氣胎離合器連接和控制，在正常鉆進(jìn)的過(guò)程中，可以為整個(gè)井場(chǎng)提供電源。整體并車(chē)鏈條箱在鉆機(jī)設(shè)計(jì)中解決了三大問(wèn)題：

（1）在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了模塊化，方便了鉆機(jī)的快速搬遷和找正安裝；

（2）在鉆機(jī)的動(dòng)力匹配上實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)功力互補(bǔ)，避免了單臺(tái)柴油機(jī)功率過(guò)?；蜻^(guò)載，為利用鉆機(jī)剩余功率以驅(qū)動(dòng)節(jié)能發(fā)電機(jī)提供了條件；

（3）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上為使用節(jié)能發(fā)電機(jī)提供了方便，只需在整體鏈條箱的一號(hào)傳動(dòng)軸或附加傳動(dòng)軸取力，通過(guò)較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和制造即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能發(fā)電機(jī)的連接和控制。

方案一：利用整體傳動(dòng)鏈條箱的一號(hào)傳動(dòng)軸，該軸的一端為柴油機(jī)液力耦合器輸入動(dòng)力，另一端用來(lái)驅(qū)動(dòng)節(jié)能發(fā)電機(jī)。但該軸的轉(zhuǎn)速低于節(jié)能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此需要增速。采用皮帶輪進(jìn)行增速是經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)成熟的方案。但值得注意的是傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)要與實(shí)際工況相適應(yīng)。G12V190ZL-3型柴油機(jī)標(biāo)定的額定轉(zhuǎn)速為1300r／min，液力耦合器的傳動(dòng)比為1.95。按該轉(zhuǎn)速計(jì)算，整體傳動(dòng)鏈條箱輸入軸轉(zhuǎn)速為666r／min，而在現(xiàn)場(chǎng)使用中，柴油機(jī)的使用轉(zhuǎn)速通常在1150-1200r／min，由此計(jì)算出一號(hào)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速在590-615r／min之間，而選用的節(jié)能發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1000r／min。因此，節(jié)能發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)必須以柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速1150-1200r／min為標(biāo)準(zhǔn)，使節(jié)能發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)速與標(biāo)定額定工作轉(zhuǎn)速保持一致，保證節(jié)能發(fā)電機(jī)與井場(chǎng)各用電設(shè)備的參數(shù)要求相適應(yīng)。

在該方案中采用皮帶輪取力和傳動(dòng)具有兩大優(yōu)點(diǎn)：①解決了由于泥漿泵干涉造成的節(jié)能發(fā)電機(jī)不便于安裝的問(wèn)題；②傳動(dòng)設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單，只需合理設(shè)計(jì)主動(dòng)輪、從動(dòng)輪直徑和傳動(dòng)功率即可實(shí)現(xiàn)。節(jié)能發(fā)電機(jī)在ZJ40L鉆機(jī)中的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

方案二：在整體傳動(dòng)鏈條箱上附加鏈條軸取力，其傳動(dòng)設(shè)計(jì)在整體鏈條箱內(nèi)完成，采用萬(wàn)向軸連接，用同軸式通風(fēng)氣胎離合器進(jìn)行動(dòng)力的控制。節(jié)能發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)同側(cè)布置在后臺(tái)機(jī)房底座上。

ZJ45鉆機(jī)改造升級(jí)為ZJ50LDB鉆機(jī)，采用3臺(tái)G12V190PZL-3型810kW柴油機(jī)、液力耦合器、整體鏈條箱并車(chē)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤(pán)采用交流變頻獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。F320鉆機(jī)改造升級(jí)為ZJ70LDB鉆機(jī)，采用3臺(tái)A12V190型1100kW柴油機(jī)、液力耦合器、整體鏈條箱并車(chē)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤(pán)采用交流變頻獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。兩種改造鉆機(jī)均采用節(jié)能發(fā)電機(jī)取代1臺(tái)輔助柴油發(fā)電機(jī)，節(jié)能發(fā)電機(jī)除了為循環(huán)系統(tǒng)、井場(chǎng)照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等用電設(shè)備提供電源外，還通過(guò)變壓器調(diào)壓后為交流變頻獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的電機(jī)提供電源。

節(jié)能發(fā)電機(jī)在ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機(jī)中的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 節(jié)能發(fā)電機(jī)在ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機(jī)中的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

3 節(jié)能發(fā)電機(jī)的選型

根據(jù)鉆機(jī)的工況特點(diǎn)，選用的節(jié)能發(fā)電機(jī)為IFC6系列無(wú)刷恒壓同步發(fā)電機(jī)，該系列發(fā)電機(jī)具有功率覆蓋面廣、調(diào)壓精度高、動(dòng)態(tài)性能好、電壓波動(dòng)率小、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、維修方便、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性能好等特點(diǎn)。

（1）功率選擇

節(jié)能發(fā)電機(jī)功率參數(shù)應(yīng)與鉆機(jī)整個(gè)井場(chǎng)實(shí)際用電負(fù)荷相匹配。井場(chǎng)用電負(fù)荷包括循環(huán)系統(tǒng)、井場(chǎng)照明系統(tǒng)、風(fēng)冷盤(pán)剎及風(fēng)冷電磁剎車(chē)電機(jī)、儀表控制系統(tǒng)及營(yíng)區(qū)供電等，作為交流變頻獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的鉆機(jī)，還需同時(shí)向轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)供電，通常其功率選擇必須滿足鉆機(jī)最大用電負(fù)荷的需要。如表1所示為鉆機(jī)用電設(shè)備功率統(tǒng)計(jì)表。

ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機(jī)因轉(zhuǎn)盤(pán)采用交流變頻獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，因此節(jié)能發(fā)電機(jī)的主要用途是通過(guò)變壓器調(diào)壓后給轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)供電；而ZJ40L鉆機(jī)配備的節(jié)能發(fā)電機(jī)給整個(gè)井場(chǎng)供電。因此，在ZJ70LDB、ZJ50LDB改造鉆機(jī)中選用的節(jié)能發(fā)電機(jī)額定功率為640kW（800kVA），在新購(gòu)ZJ40L鉆機(jī)中選用的節(jié)能發(fā)電機(jī)額定功率為400kW（500kVA）。

表1 鉆機(jī)用電設(shè)備功率統(tǒng)計(jì)表

（2）轉(zhuǎn)速選擇

節(jié)能發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常有1500（4極）、1000（6極）、750（8極）、和 600（10極）r／min，鉆機(jī)中目前使用的節(jié)能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速均選擇1000r／min。如表2所示為節(jié)能發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表。

表2 節(jié)能發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表

4 工況分析

（1）功率匹配問(wèn)題

節(jié)能發(fā)電機(jī)是在綜合利用鉆機(jī)柴油機(jī)剩余功率的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

ZJ70LDB鉆機(jī)裝機(jī)功率（不含輔助發(fā)電機(jī)）：1100kW×3＝3300kW；

ZJ50LDB鉆機(jī)裝機(jī)功率（不含輔助發(fā)電機(jī)）：810kW×3＝2430kW；

ZJ40L鉆機(jī)裝機(jī)功率（不含輔助發(fā)電機(jī)）：810kW×3＝2430kW。

鉆機(jī)在正常鉆進(jìn)過(guò)程中，其最大負(fù)荷的工況為開(kāi)雙泵鉆進(jìn)，此時(shí)鉆機(jī)所需功率為：

ZJ70LDB 鉆機(jī)：960×2×0.8＝1536kW；

ZJ50LDB 鉆機(jī)：960×2×0.8＝1536kW；

ZJ40L 鉆機(jī)：（330＋960×2）×0.8＝1800kW。

根據(jù)以上分析：ZJ70LDB鉆機(jī)其使用的功率不足配備功率的47%；ZJ50LDB鉆機(jī)其使用的功率不足配備功率的64%；ZJ70LDB鉆機(jī)其使用的功率不足配備功率的74%。特別是在現(xiàn)代機(jī)械鉆機(jī)或復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)中，多采用整體鏈條箱統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)方案，由此在鉆機(jī)的動(dòng)力配備上實(shí)現(xiàn)了功率互補(bǔ)，為綜合利用鉆機(jī)富余功率驅(qū)動(dòng)節(jié)能發(fā)電機(jī)創(chuàng)造了有利條件。

（2）頻率及電壓波動(dòng)的問(wèn)題

在改造過(guò)的ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機(jī)中，由于交流變頻獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤(pán)具有多重自動(dòng)保護(hù)功能，由于掛泵過(guò)程引起的發(fā)電機(jī)頻率和電壓波動(dòng)，經(jīng)常導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)自動(dòng)保護(hù)而停止運(yùn)轉(zhuǎn)。滿足供電要求的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1180rpm，不能滿足泥漿泵的沖數(shù)和單位時(shí)間內(nèi)泥漿排量，不能保證快速鉆井。使用電氣設(shè)備功率超過(guò)220kW時(shí)，頻繁出現(xiàn)跳閘停電情況。表3為AF60-331000技術(shù)參數(shù)。

在聯(lián)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化小的情況下，通過(guò)在節(jié)能發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中安裝電子電壓調(diào)節(jié)器，使發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流隨負(fù)載情況而自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保持發(fā)電機(jī)的電壓恒定。但是在停泵開(kāi)泵的工況下聯(lián)動(dòng)機(jī)負(fù)荷急劇變化，造成聯(lián)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大范圍波動(dòng)，節(jié)能發(fā)電機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，極易造成跳閘。從而導(dǎo)致全井場(chǎng)停電，鉆井作業(yè)處于停止的不安全狀態(tài)。

表3 技術(shù)參數(shù)

鉆井作業(yè)的這種情況導(dǎo)致現(xiàn)有的節(jié)能發(fā)電機(jī)在口井的作業(yè)中利用率極低，這就要引入穩(wěn)頻穩(wěn)壓裝置的應(yīng)用。在該裝置中加入不間斷供電系統(tǒng)，可有效地保護(hù)井場(chǎng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

（3）穩(wěn)頻穩(wěn)壓裝置

大功率變頻電源是采用高頻電力電子開(kāi)關(guān)變換技術(shù)，產(chǎn)品電壓、頻率均有±20%的調(diào)節(jié)范圍，可適用于三相平衡負(fù)載或完全不平衡負(fù)載，任意相均可作為單相電源使用。

（4）節(jié)能發(fā)電機(jī)和輔助發(fā)電機(jī)的切換

在鉆進(jìn)過(guò)程中，節(jié)能發(fā)電機(jī)正常工作，輔助柴油發(fā)電機(jī)作為備用，因此節(jié)能發(fā)電機(jī)和輔助發(fā)電機(jī)一樣，在MCC房?jī)?nèi)可以實(shí)現(xiàn)相互切換。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

節(jié)能發(fā)電機(jī)使用后，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可以從以下兩個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)。

一是減少一臺(tái)柴油機(jī)耗油，其節(jié)能指標(biāo)顯而易見(jiàn)。以1臺(tái)C500D5進(jìn)口康明斯柴油發(fā)電機(jī)組為例，其額定功率440kW，持續(xù)功率400kW，該機(jī)組的 油 耗 為 103 升 ／小 時(shí) （103 升 ／小 時(shí) ×0.85＝87.55kg／小時(shí)）。

二是根據(jù)柴油機(jī)的負(fù)荷特性曲線分析，在正常鉆進(jìn)中，其使用功率不足配備功率的70%，在利用柴油機(jī)富余功率驅(qū)動(dòng)節(jié)能發(fā)電機(jī)后，柴油機(jī)負(fù)荷率可達(dá)90%以上，根據(jù)柴油機(jī)的負(fù)荷特性曲線分析，此時(shí)柴油機(jī)基本處于最佳經(jīng)濟(jì)負(fù)荷狀態(tài)。因此，柴油機(jī)在掛合節(jié)能發(fā)電機(jī)后，雖然其輸出功率增大，但其油耗只略有增加。

使用節(jié)能發(fā)電機(jī)后，3臺(tái)P12V190ZL-3柴油機(jī)油耗增加量為：

使用節(jié)能發(fā)電機(jī)后每小時(shí)節(jié)約柴油消耗：

節(jié)能發(fā)電機(jī)每年按200天計(jì)算，其每年產(chǎn)生的節(jié)能指標(biāo)為：

另外，每臺(tái)節(jié)能發(fā)電機(jī)每年還可節(jié)約潤(rùn)滑油、冷卻液及常規(guī)維護(hù)配件費(fèi)用、修理費(fèi)用等1萬(wàn)余元。

6 結(jié)論

節(jié)能發(fā)電機(jī)在某油田的ZJ70LDB、ZJ50LDB、ZJ40L（共6臺(tái)）鉆機(jī)上得到了成功應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。在2006年新購(gòu)置的4臺(tái)機(jī)械鉆機(jī)中，也配備了相應(yīng)的節(jié)能發(fā)電機(jī)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，用節(jié)能發(fā)電機(jī)取代1臺(tái)輔助發(fā)電機(jī)為鉆機(jī)控制系統(tǒng)、固控循環(huán)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及為交流變頻獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤(pán)提供電源，除具有顯著的節(jié)能效益外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）節(jié)能發(fā)電機(jī)安裝、搬遷運(yùn)輸方便，維護(hù)保養(yǎng)工作量小，維護(hù)費(fèi)用低；

（2）經(jīng)幾年的使用實(shí)踐證明，節(jié)能發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，故障少；

（3）勵(lì)磁系統(tǒng)采用電子電壓調(diào)節(jié)器后，其工作電壓穩(wěn)定，波動(dòng)小，對(duì)鉆機(jī)工況適應(yīng)能力強(qiáng)；

（4）使用節(jié)能發(fā)電機(jī)可節(jié)省人力，發(fā)電機(jī)可以由柴油機(jī)工代管；

（5）搬遷車(chē)輛減少一個(gè)車(chē)次；

（6）減少使用柴油機(jī)1臺(tái)，在節(jié)約燃料的同時(shí)，減少了廢物排放和降低了井場(chǎng)噪音。

總之，通過(guò)在油田的應(yīng)用實(shí)踐證明，節(jié)能發(fā)電機(jī)的應(yīng)用是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，該技術(shù)的普遍推廣是可行的和必要的，它不僅可以取得可觀的直接經(jīng)濟(jì)效益，而更重要的是它能把鉆機(jī)的富余功率有效利用起來(lái)，既節(jié)約能源又降低排放，成為在石油行業(yè)有效推行清潔生產(chǎn)的一個(gè)很好的示例。