變頻鉆機(jī)一檔絞車機(jī)電參數(shù)設(shè)計(jì)

郭宏林，朱奇先，楊硯杭，田斌

（1.大型電氣傳動系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020；2.天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741020；3.中國石油渤海鉆探第四鉆井公司，河北任丘 062550；4.西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

變頻鉆機(jī)一檔絞車機(jī)電參數(shù)設(shè)計(jì)

郭宏林1，2，朱奇先1，2，楊硯杭3，田斌4

（1.大型電氣傳動系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020；2.天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741020；3.中國石油渤海鉆探第四鉆井公司，河北任丘 062550；4.西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

以典型的ZJ70DB鉆機(jī)的一檔絞車為例，根據(jù)機(jī)械要求的性能指標(biāo)，介紹了包括電機(jī)額定速度、轉(zhuǎn)矩、功率、弱磁最高速度、變頻器額定、超載輸出能力、容量等電氣配合參數(shù)的算法以及在此條件下能夠達(dá)到的各項(xiàng)實(shí)際性能指標(biāo)；根據(jù)常規(guī)配置、已經(jīng)選定的機(jī)械和現(xiàn)有電氣參數(shù)，計(jì)算了絞車能夠到達(dá)的性能指標(biāo)，指出了機(jī)電協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵設(shè)置項(xiàng)。

變頻鉆機(jī)；一檔絞車；機(jī)電配合；性能計(jì)算

常規(guī)變頻鉆機(jī)的絞車一般為兩檔，隨著市場競爭的加劇，在不降低性能的前提下，一檔絞車的鉆機(jī)具有很強(qiáng)的競爭力，對其研發(fā)很有必要。本文以某一典型的ZJ70DB鉆機(jī)為例，按常規(guī)的機(jī)械參數(shù)要求計(jì)算一檔絞車需要的電氣配合，以及在常規(guī)的電氣配置（與兩檔絞車相比不增加成本）下，對計(jì)算起下鉆性能兩個方面進(jìn)行研究，以供參考。

1 絞車系統(tǒng)

鉆機(jī)的絞車系統(tǒng)主要包括大鉤、動靜滑輪組、鋼繩、滾筒、齒輪傳動環(huán)節(jié)、動力機(jī)等部分。對于電動鉆機(jī)，動力機(jī)主要指電動機(jī)及其控制系統(tǒng)。一個典型的ZJ70DB鉆機(jī)的絞車系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 變頻鉆機(jī)絞車系統(tǒng)示意圖Fig.1 Drawworks system schematic diagram of variable-frequency drilling rig

圖1中，A1，A2為變頻電氣控制系統(tǒng)；A3為制動系統(tǒng)；DWA，DWB為交流變頻電機(jī)；BK為制動電阻；CLD為齒輪傳動機(jī)構(gòu)；GT為滾筒。

2 基本參數(shù)

以圖1為例，其絞車選定的機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)如下：滾筒飛輪矩GD2dz=1 231 kg·m2，輸出軸飛輪矩GD2cz=315 kg·m2，中間軸飛輪矩GD2zj=64 kg·m2，輸入軸飛輪矩GD2rz=4 kg·m2，聯(lián)軸器飛輪矩GD2lz=2kg·m2，電機(jī)飛輪矩GD2dj=39kg·m2，一檔傳動比（1∶5.838 5）為59/32，76/24，額定鉤載鉤速v1=0.4 m/s，空載鉤速v2=1.8 m/s，游動系統(tǒng)總效率ηt=0.782，傳動效率ηdr=0.91，滾筒及纏繩效率ηb=0.95，有效繩系Z=12，鋼絲繩直徑38 mm，空鉤重量Qgd=18 t（不含頂驅(qū)），最大鉆柱重量Qds=220 t，最大鉤載Qmax=450 t，第1層纏繩直徑Ddr=808 mm（游車在最下部），第4層纏繩直徑1 004 mm（游車在最頂部），游車行程S=32～36 m，單個滑輪飛輪矩GD2w=332 kg·m2，節(jié)距（工作直徑）Dw=1 441 mm，游繩的重量Qr=3 t。

3 電氣計(jì)算

3.1 絞車功率

絞車功率（輸入）即為電機(jī)的輸出功率，按儲備系數(shù)KN=1.15,額定鉤載Q1=Qds+Qgd=238 t時，其值為

3.2 滾筒轉(zhuǎn)速

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，則額定和空鉤鉤載速度時對應(yīng)滾筒的轉(zhuǎn)速分別為

3.3 傳動比

傳動比的計(jì)算式為：i1=ni/nd，其中nd為電機(jī)的輸出速度，ni為滾筒的實(shí)際轉(zhuǎn)速。根據(jù)一檔和電機(jī)目前只能達(dá)到2 400 r/min的限速要求，可以算出傳動比為：i1=411/2 400=0.171 25，這樣在低鉤速時電機(jī)的轉(zhuǎn)速為nd1=666 r/min。

3.4 電機(jī)轉(zhuǎn)矩

需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為

如果設(shè)定電機(jī)的恒功率速度點(diǎn)為2 000 r/min，從2 000～2 400 r/min為自然特性，只要在自然最高點(diǎn)能夠提起空鉤，以v1速度時為額定點(diǎn)，則電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為

折算到單電機(jī)時為Td1=11 378 N·m。

在2 000 r/min時能夠輸出的轉(zhuǎn)矩為

此時能夠提起的鉤載和鉆柱重量分別為

空鉤高速上提時需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩為

因此在電機(jī)自然特性的極限點(diǎn)時轉(zhuǎn)矩能夠滿足Td3的數(shù)值，就可以正常使用。

3.5 電機(jī)功率

雙電機(jī)拖動時，如果考慮電機(jī)效率ηd=0.95,則要求的單電機(jī)輸入功率為

3.6 電機(jī)要求

在以上絞車性能下，對所選用電機(jī)的基本要求為：輸入功率不低于835 kW，功率因數(shù)cosα≥0.85，效率不低于95%，在轉(zhuǎn)速666 r/min時輸出轉(zhuǎn)矩不低于11 378 N·m，在2 000 r/min時不低于7 578 N·m。

當(dāng)電機(jī)的供電電壓為AC 600 V時，需要的輸入電流為

3.7 過載要求

根據(jù)鉆井工藝要求，絞車需要具有處理450 t鉤載的能力，由于此種工況極少，因此可用電機(jī)的過載能力去匹配，也就是說，電機(jī)需要大致的轉(zhuǎn)矩線性輸出特性，允許短時（60 s）超載，超載倍數(shù)為

相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩和電流分別為

由此對電機(jī)的附加要求為過載1.89倍時，轉(zhuǎn)矩大致按線性增大，時間是60 s。

3.8 變頻裝置

電機(jī)由變頻裝置拖動，電機(jī)要求的輸入特性為變頻裝置的最低性能，也就是說，在電機(jī)的三相輸入端上，變頻電源應(yīng)滿足：Ue=600 V, Ie=946 A,Idmax=1 789 A(60 s)；輸出頻率應(yīng)滿足0～2 400 r/min的要求。對于Idmax的滿足，既可以用額定電流、也可以用過載能力去適配，考慮到成本因素以及實(shí)際使用工況，以后者去適配比較合理，再以此選擇相應(yīng)的變頻器。

需要注意的是，電動鉆機(jī)的600 V電源電壓為行業(yè)的普遍配置，由于從電源到電機(jī)需要經(jīng)過整流、逆變以及中間傳輸線等的損耗降壓，到電機(jī)端得到的最高電壓大約只有其96%，這將使鉆機(jī)的一些性能參數(shù)無法達(dá)到。為滿足要求的能力，需要對電網(wǎng)電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。變頻裝置（A1，A2）的匹配容量最低值為

3.9 飛輪矩計(jì)算

3.9.1 鉤載

鉤載Q1,Qgd折算到滾筒的轉(zhuǎn)動飛輪矩分別為

可見這部分很小，可以忽略。

3.9.2 滑輪

滑輪組的總飛輪矩折算到滾筒上時為

3.9.3 游繩

全部游繩折算到滾筒的飛輪矩為

3.9.4 滾筒

滾筒上的總飛輪矩為

3.9.5 總量

從電機(jī)軸上看進(jìn)去的總飛輪矩為

3.10 提升時間

電機(jī)的拖動方程為

如果控制系統(tǒng)允許以最大轉(zhuǎn)矩Tdmax加速，以Td1為負(fù)載，速度從零按線性達(dá)到nd1時，需要的時間為

在此時間內(nèi)大鉤移動的距離為

大鉤以v1從鉆臺面上升到32～36 m高度時需要的最長時間：

如果控制系統(tǒng)仍以最大轉(zhuǎn)矩Tdmax加速，以空鉤轉(zhuǎn)矩為負(fù)載，速度從零按線性加速到nd2時，需要的時間為

在此時間內(nèi)大鉤移動的距離為

大鉤以v2從鉆臺面上升到32～36 m高度時需要的最長時間：t4=S/v2≈18～20 s，空鉤提升總的最短時間還需要再加上變頻控制系統(tǒng)內(nèi)速度階躍給定后附加的積分上升時間。

3.11 制動功率

大鉤在Q1以v1下放時產(chǎn)生最大回饋功率，如果提升和下放的損耗相等，則下放時從電機(jī)軸看進(jìn)去的總效率應(yīng)為

則回饋到電機(jī)軸上的功率為

如果效率仍按0.676粗略估算，則回饋功率為

因此制動裝置需要的最低持續(xù)功率為495 kW、沖擊功率為5×495=2 475 kW 時即可滿足要求。據(jù)此選用制動系統(tǒng)A3和制動電阻BK。

3.12 控制要求

根據(jù)以上性能要求和計(jì)算數(shù)據(jù)，對變頻器控制的最低要求為：額定速度點(diǎn)為666 r/min，弱磁最高點(diǎn)為2 400 r/min，速度限幅值為2 400 r/min，電流限幅值為1 789A，鉤載與閉環(huán)速度系統(tǒng)需要協(xié)調(diào)控制，給定積分器的上升、下降時間根據(jù)機(jī)械要求設(shè)定。

4 性能計(jì)算

如果依照上述選定的絞車機(jī)械參數(shù)，考慮成本等因素后，以目前符合以上要求的單機(jī)最大變頻器匹配，計(jì)算實(shí)際達(dá)到的性能指標(biāo)。

4.1 基本數(shù)據(jù)

絞車電氣系統(tǒng)及其傳動見圖1，機(jī)械參數(shù)見第2節(jié)。

變頻電動機(jī)參數(shù)為：額定功率800 kW；額定電壓600 V；額定電流953.3 A；額定轉(zhuǎn)速ndj=670 r·min-1/34 Hz；額定轉(zhuǎn)矩Tde=11 403 N·m；恒功最高轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1/100 Hz；恒功點(diǎn)轉(zhuǎn)矩3 820 N·m；最高轉(zhuǎn)速ndjmax=2 400 r·min-1/120 Hz；最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩≥870 N·m；功率因數(shù)0.85；額定效率95%。

兩種逆變器（6SL3720-1TG41-0AA3-Z/ ACS800-107-1740-7）參數(shù)為：額定輸出功率1 000/1 400 kW；額定輸出電壓3AC 0～690 V；輸出頻率0～120 Hz；額定電流1 025/1 414 A；10 s啟動輸出電流1 500/2 116A。

4.2 變頻器容量

由于變頻電機(jī)電壓為600 V，因此兩種逆變器在此電壓下輸出的最低容量分別為

PBP1=1.732×600×1 025=1 065 kV·A

PBP2=1.732×600×1 414=1 469 kV·A

如果考慮中間電壓損耗，需要提高輸入電壓，則相應(yīng)的容量也會加大。

4.3 電機(jī)輸入功率

4.4 提升時間

如果變頻器以10 s最大電流輸出，以Td1為負(fù)載，速度從零按線性增加達(dá)到nd1=670 r/min時，對應(yīng)兩種變頻器需要的時間為

同理，以空鉤轉(zhuǎn)矩為負(fù)載，速度從零按線性加速到nd2=2 400 r/min時，需要的時間為t8≈0.22 s, t9≈0.15 s。

如果以兩種變頻器的額定電流加速，對應(yīng)兩種速度的時間為：額定鉤載，t10≈1.18 s,t11≈0.19 s；空鉤鉤載，t12≈0.32 s,t13≈0.23 s。

由以上結(jié)果可見，無論變頻器以10 s的啟動電流還是以額定輸出電流加速時，通過計(jì)算數(shù)據(jù)比較，相關(guān)參數(shù)與3.10節(jié)接近，因此只要變頻器控制和電機(jī)配合恰當(dāng)，包括其他參數(shù)在內(nèi)的各項(xiàng)性能指標(biāo)完全能夠達(dá)到機(jī)械要求。

5 結(jié)論

由以上論述說明，如果一檔變頻絞車按照圖1所示布置，相關(guān)參數(shù)能夠按照第2節(jié)所示的設(shè)計(jì)出來，變頻電機(jī)能夠按照要求的數(shù)據(jù)制造出來，則以目前的現(xiàn)有常規(guī)變頻器，在不增加成本的前提下完全能夠滿足要求；通過計(jì)算可知在2種變頻器下機(jī)械性能相差不大，對實(shí)際使用造成的時效影響幾乎可以忽略，考慮到成本、安裝和已有裝置等因素，以配置800 kW的電機(jī)和1 000 kW的變頻器最為經(jīng)濟(jì)。

［1］顧繩谷.電機(jī)及拖動基礎(chǔ)（上冊）［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1980.

［2］陳如恒，沈家駿.鉆井機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1995.

［3］陳伯時.自動控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［4］北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司.3ABD00013725，版本E［Z］.2011.

［5］西門子（中國）有限公司工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域驅(qū)動技術(shù)集團(tuán).產(chǎn)品目錄D21.3.CN［Z］.2012.

修改稿日期：2016-04-15

Single Gear Drawworks Electro-mechanical Parameters Design of Variable-frequency Drilling Rig

GUO Honglin1，2，ZHU Qixian1，2，YANG Yanhang3，TIAN Bin4
（1.State Key Laboratory of Large Electric Drive System and Epuipment Technology，Tianshui 741020，Gansu，China；2.Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，Gansu，China；3.The 4th Drilling Companyof CNPC Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd.，Renqiu 062550，Hebei，China；4.Xibu Drilling Engineering Co.，Ltd.，Urumqi 830011，Xinjiang，China；）

Taking single gear drawworks of ZJ70DB rig for example，based on mechanical requirements of performance indicators，mainly introduced the algorithm of electrical parameters such as motor rated speed，rated torque，rated power，the highest flux-weakening speed，the inverter rated，overload output capability，capacity etc.，and also calculated the indicators that could be achieved under these conditions；According to the mechanical and existing electrical parameters of the conventional configuration，finally calculated performance indicators that the drawworks could reach，and pointed out the importance of coordinated electromechanical control.

variable-frequency drilling rig；single gear drawworks；electro-mechanical coordination；performance calculation

TM64；TM72

A

10.19457/j.1001-2095.20161103

郭宏林（1977-），男，學(xué)士，高工，Email：ghlryan@yeah.net

2015-10-09