海洋石油電驅(qū)修井機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要點(diǎn)

馮守宇，鄧忠彬，李 浩，蔣代強(qiáng)

(1. 天津?yàn)I海概念人力資源有限公司 天津300452；2. 中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部 天津300452； 3.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

1 轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能

隨著海洋石油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，海洋石油工程取得了巨大的進(jìn)步，海洋石油修井機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式也發(fā)生了巨變，由傳統(tǒng)的柴油機(jī)變速箱驅(qū)動(dòng)方式改為電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。由于交流變頻電機(jī)具有噪音小、振動(dòng)小、轉(zhuǎn)矩大、能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速等優(yōu)點(diǎn)，再加上無(wú)廢氣產(chǎn)生，對(duì)大氣和海洋環(huán)境沒(méi)有任何破壞，由交流變頻電機(jī)取代柴油機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)已成為修井機(jī)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是海洋石油修井機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的核心部件。在海洋石油電驅(qū)修井機(jī)的設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性直接影響到井下作業(yè)的進(jìn)度和安全。它采用目前最先進(jìn)的交流變頻電機(jī)和鏈條減速箱為轉(zhuǎn)盤(pán)提供動(dòng)力，通過(guò)控制按鈕和觸摸屏完成對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)的方向和扭矩控制。可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速，能更精確地完成作業(yè)任務(wù)[1]。其功能如下：

①用轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)或處理事故時(shí)，用于旋轉(zhuǎn)鉆柱；

②為鉆具提供足夠大的扭矩和必要的轉(zhuǎn)速；

③起下鉆時(shí)，承托井中管柱重量或鉆桿柱重量；

④完成鉆具、鉆桿、管柱的連接、卸扣以及打撈作業(yè)；

⑤鉆進(jìn)時(shí)承受鉆柱上的反作用力矩；

⑥鉆定向井時(shí)調(diào)整和控制下井鉆頭的方位。

2 轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成及工作原理

轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)盤(pán)主電機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)主電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、鼓型齒式聯(lián)軸器、鏈條箱、慣剎氣胎離合器、橇座、萬(wàn)向聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩傳感器、轉(zhuǎn)盤(pán)等主要部件組成。

轉(zhuǎn)盤(pán)的扭矩由轉(zhuǎn)盤(pán)主電機(jī)(交流變頻電機(jī))經(jīng)鼓型齒式聯(lián)軸器、鏈條減速箱、萬(wàn)向聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩傳感器傳遞給轉(zhuǎn)盤(pán)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、修井等功能[2]。由于采用了交流變頻電機(jī)，可根據(jù)鉆修井工藝的要求，手動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速的目的，以獲得理想的轉(zhuǎn)速和扭矩。轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

圖1 轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成 Fig.1 Components of turntable drive system

3 轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置的主要部件設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)盤(pán)主電機(jī)選型設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤(pán)主電機(jī)的選型應(yīng)參照中國(guó)海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QHS 2007.1—2013《海上石油平臺(tái)修井機(jī) 第1部分：設(shè)計(jì)》[3]，根據(jù)最大鉤載來(lái)選擇轉(zhuǎn)盤(pán)，根據(jù)轉(zhuǎn)盤(pán)的扭矩來(lái)選擇電機(jī)。該電機(jī)必須具備一類二區(qū)的防爆能力，如最大鉤載為1350kN，轉(zhuǎn)盤(pán)選擇ZP275，最大扭矩為28kN·m，若鏈條箱的傳動(dòng)比為3.67，則電機(jī)的扭矩應(yīng)選擇在7.6kN·m。根據(jù)廠家交流變頻電機(jī)的選型手冊(cè)，應(yīng)選擇YJ23L10交流變頻電機(jī)作為轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原動(dòng)力。電機(jī)在額定點(diǎn)應(yīng)具有1.5倍過(guò)載能力，持續(xù)時(shí)間1.5min，間隔5min。主要參數(shù)如下：

額定功率600kW；額定電壓690V；額定電流IN＝605A；額定頻率fN＝33.5Hz；額定轉(zhuǎn)速nN＝661r/min，額定轉(zhuǎn)矩TN＝8669N·m；防爆等級(jí)ExdeIIBT3Gc。

3.2 轉(zhuǎn)盤(pán)主電機(jī)風(fēng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)盤(pán)主電機(jī)功率較大，在工作的時(shí)候瞬間會(huì)產(chǎn)生巨大熱量，故需要進(jìn)行散熱處理。一般采取風(fēng)冷的方式進(jìn)行散熱。采用11kW交流異步電動(dòng)機(jī)對(duì)電機(jī)內(nèi)部的定子和轉(zhuǎn)子進(jìn)行散熱處理，并將熱量通過(guò)風(fēng)道排放到安全區(qū)域。為了防止在沒(méi)有開(kāi)風(fēng)機(jī)的情況下，轉(zhuǎn)盤(pán)主電機(jī)意外啟動(dòng)，在風(fēng)道處應(yīng)設(shè)計(jì)風(fēng)壓開(kāi)關(guān)和檢修開(kāi)關(guān)，與轉(zhuǎn)盤(pán)主電機(jī)的啟動(dòng)按鈕連鎖啟動(dòng)，確保轉(zhuǎn)盤(pán)主電機(jī)在正常散熱的情況下啟動(dòng)，從而杜絕主電機(jī)因過(guò)熱而造成損壞的事故發(fā)生。在海洋的鹽霧環(huán)境下，為了避免鹽霧和潮氣進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部引發(fā)電機(jī)故障，在電機(jī)的進(jìn)風(fēng)口需設(shè)計(jì)鹽霧過(guò)濾器，對(duì)空氣中的鹽霧進(jìn)行過(guò)濾和攔截。

3.3 交流變頻器選型設(shè)計(jì)

交流變頻器的選擇應(yīng)根據(jù)電機(jī)的功率來(lái)選擇。同時(shí)還要考慮滿足電機(jī)過(guò)載要求。

如選用的西門(mén)子S120800kW的變頻器，基準(zhǔn)負(fù)載電流724A，過(guò)載1.5倍可以達(dá)到1086A，允許時(shí)間60s(間隔時(shí)間5min)，而主電機(jī)1.5倍過(guò)載時(shí)電流為714A×1.5＝1071A＜1086A，因此變頻器滿足電機(jī)1.5倍過(guò)載要求(5min內(nèi)允許過(guò)載1min)。

3.4 鏈條箱的設(shè)計(jì)

鏈條減速箱的功能是可實(shí)現(xiàn)一級(jí)減速，提供所需要的傳動(dòng)比。鏈條箱由箱體、輸入軸總成、輸出軸總成附件組成。

鏈條箱箱體為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，箱子頂部設(shè)有蓋板，便于觀察鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)情況。另外箱體上需設(shè)有空氣濾清器孔等。

輸入軸總成與動(dòng)力端相連，由輸入軸、輸入鏈輪、左右軸承、左右軸承座、軸承蓋、油封等件組成。輸出軸總成與傳動(dòng)軸相連，由輸出軸、輸出鏈輪、左右軸承、左右軸承座、軸承蓋、油封、慣剎離合器等零件組成。

轉(zhuǎn)盤(pán)鏈條箱鏈條和軸承采用飛濺潤(rùn)滑方式。

3.5 轉(zhuǎn)盤(pán)的選型設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤(pán)是一個(gè)用兩個(gè)錐齒輪將動(dòng)力端傳來(lái)的水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榇怪毙D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)盤(pán)總成主要由轉(zhuǎn)盤(pán)、法蘭、轉(zhuǎn)盤(pán)固定裝置等組成。轉(zhuǎn)盤(pán)的安裝應(yīng)在鉆臺(tái)上找正井口中心后，現(xiàn)場(chǎng)配焊定位裝置。轉(zhuǎn)盤(pán)與轉(zhuǎn)盤(pán)梁之間一般采用 V形定位塊連接[3]。

轉(zhuǎn)盤(pán)的選型取決于轉(zhuǎn)盤(pán)的主要參數(shù)。如最大鉤載為1350kN，轉(zhuǎn)盤(pán)選擇ZP275。主要參數(shù)如下：

通孔直徑698.5mm；最大靜載荷5000kN；最大扭矩28kN·m；傳動(dòng)比3～4；最高轉(zhuǎn)速300r/min；中心距1353mm。

3.6 轉(zhuǎn)盤(pán)剎車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤(pán)剎車(chē)系統(tǒng)采用氣胎離合器來(lái)完成轉(zhuǎn)盤(pán)的剎車(chē)。充氣剎車(chē)，放氣抬離合，可實(shí)現(xiàn)過(guò)扭矩保護(hù)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)斷電、氣胎離合器進(jìn)氣時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)制動(dòng)。轉(zhuǎn)盤(pán)剎車(chē)應(yīng)設(shè)計(jì)安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩傳感器之后，以便在轉(zhuǎn)盤(pán)剎車(chē)后轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)的動(dòng)態(tài)扭矩。

3.7 橇座的設(shè)計(jì)

橇座用來(lái)安裝固定主電機(jī)和鏈條箱，便于安裝和運(yùn)輸。橇座通過(guò)4組V形定位塊固定在鉆臺(tái)橇上。交流變頻電機(jī)通過(guò)4條螺栓與底座上的墊塊連接，采用調(diào)整墊調(diào)節(jié)安裝高度，鏈條箱輸出軸總成一端與氣胎離合器磨擦轂相連接。橇座主梁由20#工字鋼組焊而成，整體剛性好；為方便安裝運(yùn)輸時(shí)吊運(yùn)，橇座四周應(yīng)設(shè)計(jì)有吊裝耳。

3.8 司鉆房按鈕控制的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需要，在司鉆房的操作臺(tái)上應(yīng)設(shè)計(jì)一些控制按鈕或開(kāi)關(guān)，以方便司鉆對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行精確控制。它包括選擇開(kāi)關(guān)、控制旋鈕、相關(guān)指示和按鈕。

選擇開(kāi)關(guān)包括：轉(zhuǎn)盤(pán)的啟/停、轉(zhuǎn)盤(pán)方向選擇(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn))、轉(zhuǎn)盤(pán)慣剎(自動(dòng)、剎車(chē)、解除)。

控制旋鈕包括：轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩限制(0～150%)和轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速給定(0～300r/min)。

轉(zhuǎn)盤(pán)變頻器相關(guān)指示包括：轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)行燈、轉(zhuǎn)盤(pán)故障燈、轉(zhuǎn)盤(pán)變頻電流表。

按鈕：轉(zhuǎn)盤(pán)變頻器故障復(fù)位。

3.9 PLC及觸摸屏的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤(pán)離合器掛合的情況下，在正常模式時(shí)，通過(guò)觸摸屏來(lái)完成轉(zhuǎn)盤(pán)的操作。觸摸屏軟件操作界面 見(jiàn)圖2。

圖2 觸摸屏軟件操作界面 Fig.2 Operation interface of touch screen software

設(shè)計(jì)的觸摸屏至少應(yīng)該包含：?jiǎn)?dòng)按鈕、停止按鈕、復(fù)位按鈕、快速回零按鈕、轉(zhuǎn)速減小按鈕、轉(zhuǎn)速增加按鈕、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩限制值。

通過(guò)設(shè)定轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制轉(zhuǎn)盤(pán)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩限制值主要是限制轉(zhuǎn)盤(pán)逆變器的輸出。一旦井下有事情發(fā)生，出現(xiàn)卡鉆的情況，限制轉(zhuǎn)盤(pán)逆變器扭矩值的輸出可避免造成鉆桿擰斷等嚴(yán)重后果，保障鉆修井操作的安全性。

觸摸屏還要提供轉(zhuǎn)盤(pán)動(dòng)態(tài)扭矩值的顯示。轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩是通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩傳感器進(jìn)行間接測(cè)量的。轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩傳感器對(duì)傳動(dòng)軸扭矩的測(cè)量加上一定的傳動(dòng)比，即為轉(zhuǎn)盤(pán)的動(dòng)態(tài)扭矩。

3.10 轉(zhuǎn)盤(pán)的啟動(dòng)條件的設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，其啟動(dòng)的過(guò)程需要按照一定的操作規(guī)程才能完成轉(zhuǎn)盤(pán)的啟動(dòng)操作。具體條件如下：

①確保轉(zhuǎn)盤(pán)整流模塊DSU已經(jīng)合閘，并且處于正常狀態(tài)；

②轉(zhuǎn)盤(pán)逆變器處于“遠(yuǎn)程”模式；

③轉(zhuǎn)盤(pán)逆變器已經(jīng)合閘，并處于正常狀態(tài)；

④檢修開(kāi)關(guān)、風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)處于正常狀態(tài)；

⑤點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，程序?qū)⒆詣?dòng)啟動(dòng)與轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)相關(guān)的輔助電機(jī)，如轉(zhuǎn)盤(pán)風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)油泵，當(dāng)這些電機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)，有反饋信號(hào)(其反饋信號(hào)將顯示在轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)參數(shù)里面)以后，程序再啟動(dòng)變頻器；

⑥轉(zhuǎn)盤(pán)逆變器正常啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)盤(pán)的各項(xiàng)參數(shù)都會(huì)正常顯示，電流值一般在200A左右。

4 結(jié)語(yǔ)

海洋石油電驅(qū)修井機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的好壞在很大程度上取決于其主要部件的配合選型設(shè)計(jì)[4]?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，為了方便司鉆操作的便利性，系統(tǒng)的操作應(yīng)設(shè)計(jì)2種控制模式：正常模式(觸摸屏操作)和應(yīng)急模式(司鉆臺(tái)按鈕操作)。在系統(tǒng)的PLC電路出現(xiàn)故障的時(shí)候仍然能夠在應(yīng)急模式下完成轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的操作。

綜上所述，電驅(qū)修井機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)中需要考慮各部件的配合特點(diǎn)，特別是考慮海洋石油現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境特點(diǎn)，防爆、防護(hù)及防腐要求。目前電驅(qū)修井機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還存在諸多問(wèn)題，比如轉(zhuǎn)盤(pán)主電機(jī)的抗腐蝕能力尤其不足，應(yīng)注意避免安裝在不通風(fēng)和潮濕的地方。因此，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，全面優(yōu)化轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，讓電驅(qū)修井機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加完美，將是海洋修井機(jī)設(shè)計(jì)師們不斷追求的目標(biāo)。