電動(dòng)鉆機(jī)降低油耗方法研究

馮益強(qiáng)，劉 濤，朱奇先，魏永武，劉小寶

（1.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水 741020；2.中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京 100028）

1 引言

鉆機(jī)從機(jī)械傳動(dòng)發(fā)展到電傳動(dòng)，使其具備了先進(jìn)性和優(yōu)越性，但也同時(shí)帶來了許多缺點(diǎn)，最為突出的如油耗上升等。隨著國內(nèi)部分鉆井市場計(jì)費(fèi)方式的變化，鉆井公司如何降低鉆井成本的問題日漸迫切。在鉆井成本中，柴油消耗所占比重最大，為節(jié)省費(fèi)用，一些鉆井隊(duì)寧愿使用勞動(dòng)強(qiáng)度較大的機(jī)械鉆機(jī)而放棄性能優(yōu)越的電動(dòng)鉆機(jī)。為降低油耗，各鉆井公司采取各種方法，如“電代油技術(shù)”等。本文就機(jī)械鉆機(jī)和電動(dòng)鉆機(jī)油耗做一理論上的比較，并就降低電動(dòng)鉆機(jī)的油耗提出一些方法以及對其可行性進(jìn)行了研究。

2 機(jī)械與電動(dòng)鉆機(jī)油耗比較

無論機(jī)械還是電動(dòng)鉆機(jī)，只要鉆井負(fù)載完全一致，也就是完成的工作相同，從理論上講消耗燃油應(yīng)該相等。但從燃油做功到負(fù)載機(jī)械之間如果傳動(dòng)效率有差別，則實(shí)際油耗將會(huì)有差異。在柴油機(jī)額定負(fù)載下，對于機(jī)械鉆機(jī)，從柴油機(jī)的并車裝置、傳動(dòng)鏈條直到負(fù)載（絞車或泥漿泵）的效率對第一臺車為：η＝η1＝0.9，對第二臺車為：η＝η1η2＝0.9×0.98＝0.882，對第三臺車為：η＝η1η2η3＝0.9×0.98×0.98＝0.864；三臺平均為：η平均＝0.882。

對于電動(dòng)鉆機(jī)，不存在位置差別引起的效率變化，任何一臺車對交、直流鉆機(jī)均為：η＝ η發(fā)電機(jī)·η調(diào)速裝置·η電動(dòng)機(jī)＝0.96×0.98×0.96＝0.903。從計(jì)算數(shù)據(jù)看，按三臺車的平均效率比較，兩者相差在2.1%，基本接近。因此兩者油耗也應(yīng)該基本相同，然而實(shí)際情況并非如此，電動(dòng)鉆機(jī)的油耗要大于機(jī)械鉆機(jī)。而同等規(guī)格的電動(dòng)鉆機(jī)成本比機(jī)械鉆機(jī)高出很多，因此在按鉆機(jī)規(guī)格付費(fèi)的鉆井市場，導(dǎo)致一些使用者寧愿使用機(jī)械鉆機(jī)而放棄電動(dòng)鉆機(jī)。

3 電動(dòng)鉆機(jī)油耗增加的原因

電動(dòng)鉆機(jī)分直流和交流兩種，主要區(qū)別在于傳動(dòng)裝置和電動(dòng)機(jī)。直流電機(jī)工作時(shí)，SCR直流調(diào)試裝置需要一定的無功功率。隨著速度、負(fù)載要求的變化，無功功率變化范圍很大，對應(yīng)的功率因數(shù)可以從0.1到0.9。這些無功功率的提供是發(fā)電機(jī)（電球），雖然它在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間來回流動(dòng)不消耗，但卻占用發(fā)電機(jī)的容量。同時(shí)，由于低功率因數(shù)而產(chǎn)生的附加電流在電網(wǎng)阻抗上所增加的額外發(fā)熱損耗最終還是要通過燃油消耗來提供，這是電動(dòng)鉆機(jī)油耗增加的第一部分。

對于早期的電動(dòng)鉆機(jī)，配置發(fā)電機(jī)時(shí)，只考慮了有功的足夠，而沒有考慮無功的需求，例如1020kW的3512DITA的發(fā)電機(jī)容量為1250kVA或1500kVA，PF=0.8，發(fā)電機(jī)的有功功率為：P1＝1250kVA× cosφ＝1000kW，或者為：P1＝1500kVA×cosφ＝1200kW，如果只看有功，已經(jīng)足夠和柴油機(jī)匹配，這樣配置從投資成本來說最劃算。但在實(shí)際使用中，由于直流電機(jī)需要無功，特別是在低泵沖高泵壓或者低轉(zhuǎn)速高扭矩的起鉆加速階段，無功功率非常大，此時(shí)功率因數(shù)只有0.2-0.5左右，如果按0.3的功率因數(shù)，絞車起鉆階段按額定扭矩加速，需要的電網(wǎng)無功功率在單電機(jī)（額定功率800kW，額定電流1150A，額定電壓750V）時(shí)為，雙電機(jī)就是2280kVar，即使按照1500HP的額定扭矩加速，雙電機(jī)需要電網(wǎng)的無功功率也要；而單臺發(fā)電機(jī)（1250kVA，PF=0.8）能夠提供的無功為或者（1500kVA，PF=0.8）為900kVar，即使按0.5的功率因數(shù)計(jì)算，1500HP絞車雙電機(jī)需要的無功也要1165kVar。因此在起下鉆時(shí)一臺車即使有功足夠但無功是不能滿足要求的，需要兩臺車并網(wǎng)。而兩臺車的油耗盡管每臺油耗比滿載時(shí)少但總量還是要大于單車，這是電動(dòng)鉆機(jī)油耗增加的第二部分。

由于調(diào)速裝置中電力電子器件的非線性，鉆機(jī)工作時(shí)還會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生5、7、11、13次等諧波，諧波的大小隨負(fù)載和功率因數(shù)的變化而變化，例如換相重疊角γ＝2.24°，單臺泥漿泵按80%額定負(fù)載工作時(shí)諧波電流如表1所示。

表1 單臺泥漿泵按80%額定負(fù)載工作時(shí)諧波電流

兩臺泥漿泵和轉(zhuǎn)盤按400kW同時(shí)工作時(shí)的諧波電流如表2所示。

表2 諧波電流

諧波總電流有效值為：

這些諧波電流在電網(wǎng)內(nèi)阻上產(chǎn)生附加發(fā)熱損耗以及泵電纜產(chǎn)生大約為2.3-2.6kW，這些損耗最終通過柴油機(jī)由燃油消耗提供，這是電動(dòng)鉆機(jī)油耗增加的第三部分。

交流電機(jī)工作時(shí)，因勵(lì)磁需要一定的無功功率，電機(jī)功率因數(shù)一般在0.8以上。當(dāng)變頻器拖動(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)需要的勵(lì)磁無功不從電網(wǎng)獲取，而從變頻器中間回路的電容上獲取。對電網(wǎng)來講，兩臺泵和轉(zhuǎn)盤工作時(shí)，變頻器負(fù)載的功率因數(shù)在0.74左右。因此，配置發(fā)電機(jī)容量時(shí)，可以按照稍大于柴油機(jī)的有功功率即可，這可有效節(jié)約投資成本。例如，對3512B 1310kW的柴油機(jī)，可以配置1500kVA，PF=0.8的常規(guī)發(fā)電機(jī)便能完全滿足運(yùn)行要求，比配成1750kVA，0.7PF的特殊發(fā)電機(jī)可顯著降低投資成本。對運(yùn)行來講，和直流相比，減少了無功功率損耗，但諧波損耗和直流基本一樣。然而，變頻器運(yùn)行時(shí)自身的損耗比直流裝置在同等功率下幾乎大一倍以上，同時(shí)電纜損耗也幾乎要大一倍。因此，無功節(jié)約的和自身增加的抵消后，還是要比直流的燃油損耗高一些。

4 降低電動(dòng)鉆機(jī)油耗的方法

從使用的角度講，降低電動(dòng)鉆機(jī)的油耗主要有以下幾種方法。

（1）盡量減少在網(wǎng)機(jī)組數(shù)量。對直流鉆機(jī)，考慮到運(yùn)行中有功滿足而無功不滿足的情況，配置發(fā)電機(jī)時(shí)盡量按大一級配置容量。例如，3512DITA 1020kW的柴油機(jī)，發(fā)電機(jī)容量可以配成1750kVA，PF＝0.7。它能夠提供的無功為：Q4＝1750kVA×這個(gè)容量已經(jīng)接近了雙電機(jī)有功在1000kW以下絞車起鉆加速需要的無功了。由以前的兩臺車減少為一臺后，在一定的工作范圍，可以有效降低柴油消耗。對于以前發(fā)電機(jī)容量比較小的鉆機(jī)，可以通過加裝無功補(bǔ)償裝置，電網(wǎng)無功不足的部分由無功補(bǔ)償裝置提供，這樣也可因少開機(jī)組而節(jié)省油耗。

（2）有效利用輔助發(fā)電機(jī)組。鉆機(jī)上一般均配有輔助發(fā)電機(jī)組，柴油機(jī)容量大約為400kW、發(fā)電機(jī)容量大約為500kVA PF＝0.8左右。在通常情況下，井場的400V負(fù)載通過一個(gè)容量為1250kVA的變壓器由主機(jī)提供，主輔機(jī)不同時(shí)運(yùn)行。對于一些特殊的功率范圍工況下，可以采用主輔機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，以減少油耗。例如，負(fù)載有功大于一臺的能力，但遠(yuǎn)小于兩臺的能力。為了節(jié)約燃油，可以將部分400V負(fù)載單獨(dú)由輔機(jī)供給，也可以將輔機(jī)直接并在400V電網(wǎng)上共同運(yùn)行，這樣只用一主一輔就能夠滿足負(fù)載需要，可以有效降低油耗。

（3）將鉆機(jī)調(diào)速的傳動(dòng)與發(fā)電機(jī)組的控制作為一個(gè)整體來考慮。對于某些工況中一些沖擊負(fù)載或者短時(shí)大于在網(wǎng)機(jī)組能力的負(fù)載，為了減少在網(wǎng)機(jī)組數(shù)量，可以將傳動(dòng)與電網(wǎng)統(tǒng)一考慮。以在網(wǎng)機(jī)組能力為前提，對沖擊負(fù)載或短時(shí)過負(fù)載進(jìn)行綜合處理，以降低部分動(dòng)態(tài)指標(biāo)為代價(jià)，在鉆井效率略有降低下既能正常工作又不需要再并機(jī)組，可以達(dá)到有效節(jié)約燃油。

（4）利用儲能裝置彌補(bǔ)沖擊負(fù)載和短時(shí)過負(fù)載需要，以最低在網(wǎng)機(jī)組數(shù)量減少油耗。配置儲能裝置，正常工作時(shí)，在儲能裝置上儲存一定量的能量，根據(jù)負(fù)載需要，控制儲能裝置在需要的時(shí)候釋放到電網(wǎng)上，以補(bǔ)充沖擊負(fù)載和短時(shí)過負(fù)載需求，不需要多并機(jī)組上網(wǎng)，也可以達(dá)到節(jié)約燃油。

（5）利用下鉆能量節(jié)約燃油。配置儲能裝置，在沒有下鉆時(shí)作用與上相同，在有下鉆工況時(shí)，將下鉆能量儲存在儲能裝置上，通過適當(dāng)控制，將這部分能量全部或部分送回電網(wǎng)或者用于大鉤的提升，減少柴油機(jī)負(fù)載以達(dá)到降低油耗。

5 實(shí)施方法的可行性分析

在目前的實(shí)際情況下，最容易實(shí)現(xiàn)、投資也比較小的方法主要有以下幾種。

（1）對早期發(fā)電機(jī)容量較小的直流電動(dòng)鉆機(jī)，加裝無功補(bǔ)償裝置，同時(shí)優(yōu)化控制系統(tǒng)，達(dá)到負(fù)載、電網(wǎng)統(tǒng)一控制。

（2）對新上直流電動(dòng)鉆機(jī)，以單機(jī)能夠滿足雙電機(jī)起鉆為要求，適當(dāng)加大發(fā)電機(jī)容量，同時(shí)要求控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)、負(fù)載一體控制。

（3）由于儲能裝置在港機(jī)等其他方面已有應(yīng)用，節(jié)電效果顯著。對變頻鉆機(jī)，加裝儲能裝置，利用下鉆能量，同時(shí)優(yōu)化控制系統(tǒng)，達(dá)到負(fù)載、電網(wǎng)統(tǒng)一控制。

6 結(jié)論

（1）以在網(wǎng)機(jī)組能力為前提，負(fù)載、電網(wǎng)統(tǒng)一控制，以聲、光提醒工作人員及時(shí)并網(wǎng)或者解列機(jī)組，盡量減少在網(wǎng)機(jī)組數(shù)量能夠節(jié)省燃油；

（2）改變常規(guī)主、輔機(jī)不并網(wǎng)習(xí)慣，控制系統(tǒng)根據(jù)功率需求，以聲、光提醒工作人員及時(shí)將輔助機(jī)組并入電網(wǎng)，以小帶大運(yùn)行，能夠節(jié)省燃油；

（3）加裝儲能裝置，充分利用下鉆能量，是節(jié)省燃油的有效途徑之一，在當(dāng)前儲能裝置成本不斷降低的形勢下值得研究。