修井機動力系統(tǒng)油改電技術(shù)方案

陳 燦，趙曉龍，于繼林，邢有為

（1.渤海裝備鉆采裝備銷售公司，天津 300280；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

隨著國內(nèi)油田礦區(qū)電網(wǎng)覆蓋范圍的不斷擴大，油田石油鉆機、修井機使用公共電網(wǎng)作為主要動力源成為可能，驅(qū)動方式的改變將徹底解決以往靠柴油機直接驅(qū)動或柴油發(fā)電機間接驅(qū)動的油耗高、噪音大、排放污染不達標(biāo)等弊端。以一套XJ650修井機的實際改造實施試驗為例，改造后取得了良好的節(jié)能減排效果。

1 系統(tǒng)主要改造方案

改造內(nèi)容包括動力傳動系統(tǒng)、電驅(qū)控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)四大系統(tǒng)和輔助設(shè)備的改造。

1.1 動力系統(tǒng)

（1）發(fā)動機。以CAT C9 發(fā)動機為主行走動力，通過并車分動箱實現(xiàn)動力切換。行駛狀態(tài)時，發(fā)動機動力經(jīng)并車分動箱動力輸出口，由傳動軸分配給底盤前后車橋，實現(xiàn)載車行駛。

（2）變頻電機。由電機、并車分動箱、角傳動箱、主滾筒、剎車系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤傳動裝置、井架和液壓、氣壓系統(tǒng)等組成。作業(yè)狀態(tài)時，變頻電機的動力經(jīng)并車分動箱傳給車上作業(yè)部分，分動箱動力輸出口經(jīng)傳動軸傳至角傳動箱，經(jīng)鏈條傳至滾筒實現(xiàn)修井時起下鉆作業(yè)。

1.2 傳動系統(tǒng)

并車分動箱配套有專用部件，采用直齒圓柱齒輪組成的閉式傳動，主要由輸入軸、二級軸、三級軸、四級軸、五級軸、輸出軸、換檔機構(gòu)及左右箱體等組成，是電動修井機中實現(xiàn)動力傳動及分配、改變動力傳動方向的重要部件。改造后的電動修井機是在分動箱上增加電機扭矩輸入端，即實現(xiàn)發(fā)動機動力輸入端和電機動力輸入端并存；在并車分動箱上設(shè)計兩個動力輸入端，利用并車分動箱的手動換擋機構(gòu)來實現(xiàn)并車分動箱的動力功能切換。行走時，使用發(fā)動機傳動機構(gòu)；作業(yè)時，可以使用柴油發(fā)動機提供動力，也可以使用電機提供動力。在施工井場具備用電條件時，使用電機傳動機構(gòu)完成施工作業(yè)；在施工井場不具備用電條件時，使用發(fā)動機傳動機構(gòu)完成施工作業(yè)。

1.3 電驅(qū)控制系統(tǒng)

包括主控制柜、蓄電池組、直流整流充電器、能量回饋單元4 個主要的電驅(qū)控制部件。

（1）主控制柜。使用額定電壓380 V、頻率50 Hz 交流電源，配置漏電保護，零地分開，配置過載保護，在負荷達到設(shè)定負荷的極限值時，接收到過載信號，自動斷電。

（2）蓄電池組。40 只6-GFM-150Ah 電池串聯(lián)作為1 組，單只電池額定電壓為12 V，串聯(lián)額定電壓480 V，膠體電池單只容量為150 A·h，滿充電電壓520 V，工作電壓440～520 V。該電池組低內(nèi)阻，自放電率低，性能穩(wěn)定，有效充電量多，循環(huán)耐久能力強，在環(huán)境溫差變化大的使用條件下性能優(yōu)越?，F(xiàn)場作業(yè)時，如果井場用電負荷不足，電池組內(nèi)儲存的化學(xué)能將轉(zhuǎn)化為電能，整形、整流后提供給電機使用，滿足主電機工作的正常用電要求。

（3）直流整流充電器。包括整流電源和逆變電源，完成修井機工作狀態(tài)時的直流和交流電源的交互轉(zhuǎn)換和電能存儲。

（4）能量回饋單元。系統(tǒng)由電網(wǎng)供電設(shè)備、變頻器、儲能單元（電池組）、負載及連接電纜等構(gòu)成。在作業(yè)現(xiàn)場電源容量不足、修井機難以滿負荷運轉(zhuǎn)時，補充部分電能，同時減少電機啟動過程中啟動電流對作業(yè)現(xiàn)場電網(wǎng)的沖擊，增強電動施工時對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。

1.4 液壓控制系統(tǒng)

雙液路液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)包括行駛液壓系統(tǒng)和作業(yè)液壓系統(tǒng)，即發(fā)動機自帶液壓系統(tǒng)和電動液壓系統(tǒng)，兩套液路互相連通但互不干涉，供液穩(wěn)定可靠。通過電機或發(fā)動機來驅(qū)動液壓泵向液壓系統(tǒng)供油，液壓油箱至主液壓部分分為兩路液壓管路，主管路和控制元件采用同1 套，實現(xiàn)雙動力修井機在行走和施工作業(yè)時用不同動力，使用同1 套主液路向液壓系統(tǒng)提供壓力油。

1.5 氣路控制系統(tǒng)

保留原車的BW550 空壓機，增加GX5 電動螺桿空壓機進入原車儲氣瓶，共用1 個儲氣瓶，使用相同氣路，原車氣路系統(tǒng)未作改動，氣壓系統(tǒng)由車載空壓機、電動空壓機、干燥器、濾清器、自動排水器、防凍器及各類控制閥件組成，壓縮空氣經(jīng)多級凈化處理后供給修井機氣壓系統(tǒng)。修井機行駛時使用車載空壓機，車上作業(yè)時使用電動空壓機提供氣源。電動空壓機氣路直接接入原車載氣路主管路，兩套設(shè)備都能提供氣源，不互相影響設(shè)備工作，行駛時使用車載空氣壓縮機，作業(yè)時使用電動空氣壓縮機。

2 改造方案技術(shù)特點

2.1 設(shè)計特點

電驅(qū)修井機采用雙動力配置，井下施工作業(yè)和底盤驅(qū)動行走均可使用柴油機進行驅(qū)動，在油田電網(wǎng)滿足施工的情況下，井下施工作業(yè)優(yōu)先采用電機動力作業(yè)。如圖1 所示，作業(yè)主動力為工業(yè)電網(wǎng)200 kW 變頻電機，作業(yè)部分動力由電機、并車分動箱、角傳動箱、主滾筒、剎車系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤傳動裝置、井架和液壓、氣壓系統(tǒng)等組成。

圖1 修井機動力系統(tǒng)油改電平面布局

作業(yè)狀態(tài)時，變頻電機的動力經(jīng)并車分動箱傳給車上作業(yè)部分，分動箱動力輸出口經(jīng)傳動軸傳至角傳動箱，經(jīng)鏈條傳至滾筒實現(xiàn)修井時起下鉆作業(yè)。車上作業(yè)部分動力也可由發(fā)動機提供，發(fā)動機動力經(jīng)并車分動箱動力輸出口經(jīng)傳動軸傳至角傳動箱，經(jīng)鏈條傳至滾筒實現(xiàn)修井時起下鉆作業(yè)。車上動力和底盤動力靠設(shè)置在并車分動箱上的操作手柄來控制，保證車上作業(yè)和底盤行駛不同時使用，故行駛和作業(yè)均安全可靠。整機作業(yè)部分的操縱集中在液壓控制臺和司鉆控制臺上，集中控制。

2.2 設(shè)備改造后應(yīng)用特點

（1）實現(xiàn)電機直傳功能。主電機直接帶動分動箱、滾筒作業(yè)，減少了傳動鏈，提高了傳動效率。由電控?zé)o級調(diào)速來實現(xiàn)電機輸出轉(zhuǎn)速，滿足修井作業(yè)大鉤提升的速度要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍可實現(xiàn)1∶80 的調(diào)速比，柴油機一般只有1∶8 的調(diào)速比。經(jīng)過測試，電機輸出扭矩能滿足作業(yè)最大提升載荷的要求，啟動扭矩可達3000 N·m，額定扭矩1460 N·m，大于柴油機的1200 N·m。

（2）電源補償系統(tǒng)的應(yīng)用。電源補償系統(tǒng)是“修井機電控驅(qū)動系統(tǒng)”的一部分，可在作業(yè)現(xiàn)場電源容量不足以帶動修井機滿負荷運轉(zhuǎn)時，補充部分電能，滿足修井機滿負荷運行，最大補償能力50 kV·A。在非補償輸出工況下，作業(yè)現(xiàn)場電源一直對補償系統(tǒng)中的蓄電池充電；在補償輸出工況下，作業(yè)現(xiàn)場電源與電源補償系統(tǒng)同時為修井機主電機提供電能，減少了電機啟動過程中啟動電流對作業(yè)現(xiàn)場電源的沖擊。

（3）游車速度實時控制。游車提升速度根據(jù)推動控制手柄的多少來決定其提升速度的大小，即控制手柄推動得多則游車提升速度快，反之則慢，并能實現(xiàn)點動功能。電驅(qū)同柴油驅(qū)修井機油門控制方式一樣，便于司鉆更快地熟練掌握電驅(qū)修井機操作方法，同時能減少對新設(shè)備的誤操作率，提高安全系數(shù)。

（4）各系統(tǒng)獨立工作，整機運行可靠性提高。電動修井機主電機、氣路系統(tǒng)、液路系統(tǒng)將原來依靠柴油發(fā)動機提供動力的運行方式，改為各自獨立的動力源，達到減少依賴柴油發(fā)動機的目的，提高了電動修井機輔助系統(tǒng)的可靠性。

（5）滾筒離合和電機加速開關(guān)一體化操作。滾筒離合器控制和電子加速器開關(guān)合二為一的控制裝置，實現(xiàn)利用電子行程開關(guān)手動控制電機的加減速和正反運轉(zhuǎn)，同時利用壓縮空氣控制滾筒推盤離合器的正常掛合和斷開。取代手動電子油門加速器開關(guān)，簡化操作步驟，縮短響應(yīng)時間，提高控制精度，保證了施工作業(yè)的安全可靠。

（6）雙保險剎車功能的應(yīng)用。在司鉆臺上，經(jīng)過改進氣路，把緊急剎車操作閥、防碰天車操作閥和一體化操作閥氣路接通。作業(yè)時，如果一體化操作閥出現(xiàn)故障發(fā)生飛車，需要緊急停車，此時可以立刻合上防碰天車操作閥或緊急剎車操作閥，打通滾筒剎車氣路，剎車氣缸工作，推動曲拐剎車。同時關(guān)閉滾筒離合器，使離合器推盤脫開，使電機空轉(zhuǎn)，而滾筒不轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)雙保險剎車功能，保證作業(yè)安全。

3 結(jié)論

改造后經(jīng)過3 個多月的現(xiàn)場應(yīng)用表明：①修井機的使用性、操控性明顯增強，各種性能均優(yōu)于原設(shè)備，節(jié)能效果明顯，可達40%；②現(xiàn)場噪聲明顯降低，施工條件大大改善；③電控?zé)o級調(diào)速實現(xiàn)電機輸出轉(zhuǎn)速滿足修井作業(yè)大鉤提升速度要求；④修井機網(wǎng)電供電總體互換性強，可滿足高壓電網(wǎng)正常供電、臨時停電和無電等各種工況，高壓房具備雙電源互鎖功能，提高了用電安全性。