永磁電機(jī)在鉆機(jī)升級改造中的應(yīng)用

韓 霞

（天津市正方科技發(fā)展有限公司，天津 300270）

隨著電機(jī)驅(qū)動及電氣控制系統(tǒng)在石油鉆機(jī)配套設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，電驅(qū)動配套設(shè)備已經(jīng)成為鉆機(jī)配套設(shè)備首選。鉆機(jī)配套中主要動力設(shè)備有絞車、泥漿泵、頂驅(qū)和轉(zhuǎn)盤，都屬于大功率驅(qū)動設(shè)備，主要采用直流調(diào)速或交流變頻電機(jī)作為動力源。由于異步電機(jī)級數(shù)有限，在傳動中均需要通過鏈傳動或齒輪傳動進(jìn)行減速，以達(dá)到設(shè)備所需的運行轉(zhuǎn)速及動力扭矩。近幾年，稀土永磁電機(jī)在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用，永磁電機(jī)驅(qū)動設(shè)備及控制系統(tǒng)不斷完善成熟，也被陸續(xù)應(yīng)用在石油鉆機(jī)配套設(shè)備驅(qū)動中，陸續(xù)開發(fā)了永磁電機(jī)直驅(qū)絞車、永磁電機(jī)直驅(qū)泥漿泵、永磁電機(jī)直驅(qū)頂部驅(qū)動、永磁電機(jī)直驅(qū)轉(zhuǎn)盤等配套產(chǎn)品。永磁電機(jī)驅(qū)動控制特點是控制速度范圍區(qū)間大，特別是低轉(zhuǎn)速大扭矩的精準(zhǔn)控制，可能成為鉆機(jī)配套設(shè)備的優(yōu)選驅(qū)動電機(jī)，得到廣泛應(yīng)用。

本文通過永磁電機(jī)驅(qū)動設(shè)備在一套ZJ40D鉆機(jī)上的配套實例，介紹永磁電機(jī)配套設(shè)備及控制系統(tǒng)在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用。

1 永磁電機(jī)驅(qū)動設(shè)備在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用優(yōu)勢

（1）高效、節(jié)能。永磁電機(jī)作為石油鉆機(jī)配套設(shè)備動力源時，會改變原有電機(jī)勵磁方式，無需通過電流產(chǎn)生勵磁磁場，可以有效降低繞組損耗。和傳統(tǒng)的直流交流電機(jī)相比，永磁電機(jī)的能效可提升至少5%，可在額定負(fù)載范圍內(nèi)高效運行，大大提升鉆機(jī)配套設(shè)備的運行效率。

（2）可實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速大扭矩輸出。傳統(tǒng)異步電機(jī)為4～8極，永磁電機(jī)可達(dá)40～100極，可以實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速恒扭矩輸出。在配套設(shè)備設(shè)計中減少了機(jī)械傳動減速環(huán)節(jié)，可有效減少傳動部件數(shù)量，實現(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動，降低設(shè)備維護(hù)費用。這也是永磁電機(jī)驅(qū)動設(shè)備在石油鉆機(jī)應(yīng)用的最大優(yōu)勢。同時，永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子相鄰兩個磁極的磁力線是完全閉合的，對外不顯磁性，因此對于井下定向工具儀器的地面磁干擾遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)異步電機(jī)。

（3）電機(jī)體積小，配置靈活性高。永磁電機(jī)采用的材料具有高磁感應(yīng)能力，能夠提供穩(wěn)定的磁負(fù)荷，為電機(jī)設(shè)計帶來很大便利，相同額定功率的永磁電機(jī)比異步電機(jī)設(shè)計尺寸小很多。鉆機(jī)配套設(shè)備隨著動力電機(jī)尺寸的減小，使得配置更加靈活，也為鉆機(jī)升級改造提供了富裕的設(shè)備安裝空間，工作位置適應(yīng)性更強，安裝維修更便捷。

2 永磁電機(jī)驅(qū)動設(shè)備在鉆機(jī)升級改造中的應(yīng)用

（1）改造前鉆機(jī)參數(shù)。原鉆機(jī)型號ZJ40D，鉆井深度4000m（114鉆桿），最大鉤載2250kN，絞車功率735kW，泥漿泵956kW×2臺。

（2）升級改造。配套永磁電機(jī)直驅(qū)絞車2×400kW，配套永磁電機(jī)直驅(qū)泥漿泵2×500kW，配置永磁電機(jī)直驅(qū)頂驅(qū)400kW、司鉆房及電機(jī)控制。

鉆機(jī)改造前后配套設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 鉆機(jī)改造前后配套設(shè)備參數(shù)

永磁電機(jī)直驅(qū)絞車代替?zhèn)鹘y(tǒng)絞車及其傳動系統(tǒng)，永磁電機(jī)直驅(qū)絞車（圖1）在設(shè)計中減少了鏈傳動減速或齒輪傳動減速環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)上更簡單，安裝尺寸小，可在鉆機(jī)后臺任意位置安裝?？蓪崿F(xiàn)鉆機(jī)絞車無齒輪（無鏈條）傳動和無摩擦剎車（設(shè)計的剎車盤為輔助安全剎車，主要依靠電機(jī)控制制動），降低鉆機(jī)能耗，簡化操作，實現(xiàn)鉆機(jī)升級換代。

圖1 永磁電機(jī)直驅(qū)絞車示意圖

原鉆機(jī)絞車為異步電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)減速將動力傳給絞車滾筒軸，或通過鏈條箱將動力分別傳給絞車和轉(zhuǎn)盤，運行時采用盤剎控制滾筒轉(zhuǎn)速，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。異步電機(jī)在低負(fù)載率下的功率因數(shù)較低，大部分時間實際需要的運行功率只有設(shè)計的5%左右。異步電機(jī)驅(qū)動絞車提鉆、下鉆和送鉆時，由兩套電機(jī)和離合變速系統(tǒng)完成，提鉆、下鉆電機(jī)功率是送鉆電機(jī)功率的20～30倍。ZJ40D鉆機(jī)絞車功率為800kW左右，但送鉆功率只需要30kW，下鉆速度由盤剎或帶剎輪轂控制，造成嚴(yán)重的能耗損失。

ZJ40D鉆機(jī)配套絞車最大拉力為2250kN，改造升級后由兩臺400kW永磁電機(jī)直接驅(qū)動，提鉆、下鉆和送鉆用一套控制系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，可實現(xiàn)絞車高精度送鉆和自動送鉆、恒壓自動鉆，控制精度可達(dá)到0.1mm/s，最小送鉆速度0.06mm/s，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制自如。簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便了操作，延長了部分設(shè)備的使用壽命（如泥漿定期正反轉(zhuǎn)，可以使動力端運行更好，齒輪副壽命更長），鉆機(jī)的運行成本更低。

通過永磁電機(jī)控制系統(tǒng)可精準(zhǔn)控制絞車運轉(zhuǎn)，伺服驅(qū)動器可以通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)子位移和正負(fù)力矩閉環(huán)平衡達(dá)到制動或鎖定的效果。該功能可以智能化地控制絞車運行和懸停，在電子司鉆控制或人工控制鉆進(jìn)、起下鉆作業(yè)中最大限度避免了溜鉆、頓鉆、剎不住車和頂天車等惡性事故的發(fā)生。不額外增加其他裝置就可實現(xiàn)電子司鉆的主電機(jī)送鉆懸停功能，而且在正常生產(chǎn)時不依賴盤式剎車或電磁渦輪剎車。

永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出區(qū)間大、恒扭矩、恒功率的性能，使得電機(jī)直驅(qū)絞車成為可能，電機(jī)直驅(qū)絞車減少了原絞車設(shè)計結(jié)構(gòu)的減速箱部分，大大降小設(shè)備自重。電機(jī)直接驅(qū)動絞車沒有減速箱和離合器，也就不需要壓縮空氣，適合在高原鉆進(jìn)，相關(guān)技術(shù)可用在高原鉆機(jī)上。絞車沒有減速箱也就不需要潤滑油，也沒有潤滑油泄漏造成環(huán)保問題的風(fēng)險。

鉆機(jī)配套中泥漿泵功率配比占總裝機(jī)容量70%以上，改造后采用永磁電機(jī)直驅(qū)泥漿泵將節(jié)省過程能耗。用直驅(qū)方式省去了中間機(jī)械減速及皮帶輪等傳動機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)軟啟動，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)泥漿泵流量。AI電子軟泵不需要設(shè)置，鉆機(jī)配套的兩臺永磁電機(jī)直驅(qū)泥漿泵，控制上將啟動時間錯開，使兩臺泵液力端輸出壓力峰值和谷值重合，輸出泵壓更平穩(wěn)，不需離合器和變速箱傳動，實現(xiàn)了無齒輪傳動；不需盤剎和帶剎，實現(xiàn)了無摩擦剎車。利用永磁電機(jī)的發(fā)電功能和控制系統(tǒng)的共直流母線技術(shù)控制鉆具的下放速度，將鉆具下放的勢能轉(zhuǎn)化為電能，并可將所發(fā)電能回饋電網(wǎng)。

改造后配套永磁直驅(qū)頂驅(qū)，與全液壓頂驅(qū)和直流交流電機(jī)頂驅(qū)相比，自重小、體積小，能耗低。頂驅(qū)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，設(shè)備成本低，鉆機(jī)配套安裝空間小。

改造后永磁電機(jī)控制伺服驅(qū)動器預(yù)留有安裝雙向信息傳輸模塊的空間，也可以為遠(yuǎn)程傳輸、記錄設(shè)備提供接口。使得遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程控制成為現(xiàn)實。智能系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程回傳現(xiàn)場的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對公司技術(shù)人員現(xiàn)場預(yù)判提供數(shù)據(jù)支撐。智能控制系統(tǒng)可通過遠(yuǎn)程OTA（移動通信終端）對控制軟件升級或開通功能，還可以對設(shè)備狀態(tài)重新定義。

司鉆房改造后，司鉆房內(nèi)集中控制鉆進(jìn)參數(shù)，如永磁電機(jī)驅(qū)動裝備、泥漿泵循環(huán)系統(tǒng)和液壓泵站等設(shè)備工作參數(shù)。司鉆操作界面清晰明了，操作簡單易掌握。原鉆機(jī)需要3～4個手柄實現(xiàn)提下鉆、送鉆和駐車，分別控制提下鉆電機(jī)、送鉆電機(jī)、盤剎和離合轉(zhuǎn)換，且有先后順序。用2套控制系統(tǒng)完成，操作人員的培訓(xùn)需時較長。永磁直驅(qū)鉆機(jī)只需1個手柄控制提、下鉆、懸停駐車、送鉆，用1套控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 司鉆房

3 改造后電驅(qū)動鉆機(jī)技術(shù)提升

永磁電機(jī)運行效率和功率因數(shù)幾乎不受電機(jī)驅(qū)動實際負(fù)載影響，但異步電機(jī)運行效率和功率因數(shù)與實際負(fù)載直接相關(guān)。以往鉆機(jī)配套裝備都是按照最大工作負(fù)荷來選擇電機(jī)功率，而實際工作中，平均運行負(fù)載一般低于30%，給鉆機(jī)帶來非常大的能耗損失，配套永磁電機(jī)直驅(qū)設(shè)備后將徹底解決這一問題。

永磁電機(jī)直驅(qū)絞車、永磁電機(jī)直驅(qū)泥漿泵和永磁電機(jī)直驅(qū)頂部驅(qū)動在改造后的ZJ40D鉆機(jī)配套負(fù)載運行，根據(jù)多口油井鉆進(jìn)過程中電機(jī)負(fù)載工況的變化，積累了大量永磁電機(jī)直驅(qū)設(shè)備現(xiàn)場使用性能數(shù)據(jù)。結(jié)合不同工況電機(jī)負(fù)載運行應(yīng)用數(shù)據(jù)分析，掌握了直驅(qū)設(shè)備配置永磁電機(jī)熱設(shè)計、磁材料選型、抗振動耐沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，克服傳統(tǒng)永磁電機(jī)在高溫及振動惡劣環(huán)境下易失磁的難題，掌握了永磁電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速高精度控制方法，控制精度可達(dá)0.03r/min。

隨著永磁電機(jī)直驅(qū)設(shè)備在鉆機(jī)配套中的廣泛應(yīng)用，結(jié)合不同工況，不同型號參數(shù)鉆機(jī)配套需求，開發(fā)了永磁電機(jī)直驅(qū)鉆井絞車、直驅(qū)頂部驅(qū)動、直驅(qū)泥漿泵、直驅(qū)轉(zhuǎn)盤等系列化產(chǎn)品，陸續(xù)將永磁電機(jī)驅(qū)動設(shè)備應(yīng)用于ZJ30D～ZJ70D系列鉆機(jī)的升級改造中。

4 結(jié)束語

結(jié)合ZJ40D鉆機(jī)升級改造應(yīng)用成功案例，近年永磁電機(jī)直驅(qū)裝備在鉆機(jī)配套設(shè)備中廣泛應(yīng)用，永磁電機(jī)直驅(qū)設(shè)備配套改造后的石油鉆機(jī)同原鉆機(jī)相比鉆臺面操作空間增大，鉆井現(xiàn)場布置更優(yōu)化，永磁電機(jī)直驅(qū)設(shè)備運行控制更便捷，更可靠，減少過程傳動總能耗。鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，運輸成本低，安裝施工時短，占地面積小。永磁電機(jī)直驅(qū)設(shè)備配套鉆機(jī)可應(yīng)用于海洋鉆探船進(jìn)行深海鉆探，尤其是可充分發(fā)揮永磁電機(jī)直驅(qū)設(shè)備自重小、設(shè)備占地小、能耗低的優(yōu)勢。

永磁電機(jī)直驅(qū)絞車、永磁電機(jī)直驅(qū)泥漿泵近幾年廣泛應(yīng)用于石油鉆機(jī)及其他工程鉆機(jī)，設(shè)計參數(shù)、可靠性、實用性得到應(yīng)用驗證，為新技術(shù)、新裝備的推廣，提供了現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)支撐。永磁電機(jī)驅(qū)動設(shè)備綠色環(huán)保、安全可靠、節(jié)能高效，實現(xiàn)了獨特設(shè)計理念。