ZJ30钻机柴动改电动实施方案及应用效果

2017-05-10满国祥康欣雷齐新超程林李艳丽孔令沪王士昭

地质装备 2017年2期

关键词：大功率钻机柴油机

满国祥，康欣雷，齐新超，程林，李艳丽，孔令沪，王士昭

(河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄 050081)

ZJ30钻机柴动改电动实施方案及应用效果

满国祥，康欣雷，齐新超，程林，李艳丽，孔令沪，王士昭

(河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄 050081)

石油钻机在电力供应充沛的华北地区应用中，从节能、环保等因素的考虑，用户对柴油机动力改电动机动力的要求越来越广泛，也越来越迫切。文中详细分析了石油30钻机柴动改电动需要解决的问题，对改造方案进行对比优化选择，最优方案的实施及其应用效果。

石油钻机；柴油机；电动机；节能降耗

0 引言

石油钻机在非油领域的应用越来越广，各地质队、水文队都已普遍使用，进行盐井、地热井、干热岩井等项目的勘查施工。石油钻机出厂配置动力为柴油机，如ZJ20钻机动力为1台济柴12V190柴油机、ZJ30为2台济柴12V190柴油机、ZJ40为3台济柴12V190柴油机。在华北地区施工时会遇到以下问题：柴油机动力不环保，达不到绿色施工要求；柴油机噪音大，存在噪音污染问题；华北地区用电方便，电动较柴动可节省50%～60%的能源消耗，存在不经济的问题。在此种形势下，诸多石油钻机使用单位均存在柴动改电动的意愿，且在市场不景气，施工利润低的背景下，这种意愿越来越强烈。

1 石油钻机柴油机动力改电动机动力需解决的问题

石油钻机柴油机动力改电动机动力在实施上是完全可行的，但还有几个方面的问题需要解决：

(1)在电动机的选择上，355 kW交流电动机是目前400 V电压下可长时间稳定运行的最大功率电动机，也就是说，如果选用常压电动机，1台电动机不能满足石油钻机的动力需求，需要2台或2台以上电动机并车组成电动机组来提供动力。

(2)如果选择大功率的高压电动机，工作电压为600 V及以上，不适用于常规电网，常规市电接入后需经升压变压器升压后才能满足。

(3)4级电动机实际输出转速1460 r/min，而柴油机正常工作时输出转速为1250 r/min，电动机和柴油机输出转速差距较大，电动机需经减速机减速后才能符合动力输入转速的要求。

(4)如果选择大功率直流调速电动机，可实现无级调速，解决柴油机动力和电动机动力转速不一致问题，但直流调速电动机附属装置多，控制柜的维护需高级电工才能操作，人力物力投入较大。

2 改型方案的选择

经问题分析，可以得出三种电动改型方案。

方案一：采用2台355 kW常压电动机并车组成电动机组，替代柴油机作为石油钻机动力。

方案二：采用1台高压大功率电动机经减速机减速后，直接替代柴油机作为石油钻机动力。

方案三：采用1台大功率直流调速电动机直接替代柴油机作为石油钻机动力。

三种方案均能满足功率和转速的要求，但从方案实施的经济性和使用、维护的方便性对比，方案一配备常规的自耦式减压启动柜就可以启动，改启动柜具有价格低，在恶劣工况中稳定性好，不易损坏，易维修等优点；方案二需配备增压变压器和高压电动机启动柜，二者不但价格高，而且对环境要求高，还需设置安全防护区域，在维护方面需要有经验的专业电工才能胜任；方案三所需的大功率直流电动机启动柜和控制柜存在和方案二同样的问题，设备投入大、环境要求高、需有经验的专业电工操作。经对比，并结合野外钻井施工的实际条件、人员状况及经济性、可靠性要求，不难看出，方案一是适应钻井施工的柴油机动力改电动机动力的最优方案。

3 方案优化与实施

ZJ30钻机柴油机动力配置为2台济柴12V190柴油机(见图1)，单台功率为996 kW，在一般钻进时，通常采用1台柴油机作为动力驱动钻机和1台F1300泥浆泵工作，另1台柴油机备用。只有在3000 m以上深孔作业时才会用到2台柴油机并车驱动。在柴油机动力改电动机动力时，我们设计保留1台柴油机作为停电，或电动机故障时的备用动力，把另1台柴油机替换为2台355 kW电动机组成的电动机机组。2台电动机总功率710 kW，1台12V190柴油机虽额定功率为996 kW，但此功率对应转速为1500 r/min，而一般12V190柴油机在工作时的转速为1250 r/min，此时输出功率与2台355 kW电动机基本相当，可满足要求。采用2台电动机并车驱动，可在开孔和浅井施工时仅使用1台电动机驱动，这样在功耗上就更小了，完全体现了节能的使用要求。

图1 ZJ30钻机柴油机动力图

双电动机并车动力机组应用效果的好坏完全取决于设计方案的合理性。首先是双电动机的并车方案选择，常用的并车方案一般有三种：皮带并车、链条并车和齿轮并车。皮带并车是一种最简单的并车方式，最容易实现，但皮带并车为了保证传动效果，皮带的张紧力比较大，在小功率并车中常用，在大功率机组并车时易出现支撑轴承使用寿命短的问题，所以在大功率并车时一般不采用；链条并车在石油钻机上采用较多，一般都用于减速之后的低速并车，在高速并车时，如发生链条断裂将造成重大事故，所以在高速并车时不建议采用；齿轮并车具有适用转速范围广、接合平稳、使用寿命长的优点，并可实现并车与减速一体化，可有效减少动力机组部件数量，使结构更加紧促，更方便动力机组的布置。

双电动机动力机组传动路线见图2。2台电动机并列布置，电动机动力输出后经液力耦合器、气胎离合器、进入齿轮减速并车箱。并车后输出转速1250 r/min，与柴油机的工作转速一致，并车箱动力输出盘与原钻机动力输入盘连接。液力耦合器的作用是使两台电动机在并车使用时可以受载均衡，不会产生2台电动机因受载不同而产生的转速不一致，造成并车时输入干涉的问题。气胎离合器可以单独控制2台电动机的离、合，实现启动时的依次启动，逐台并入和任何1台电动机的单独使用。减速并车箱采用双输入单输出，三轴传动，在并车的同时通过调整齿轮传动比实现降速要求。

图2 双电动机动力机组传动路线图

在加工制造中需要着重注意的是各部件的加工精度和装配精度。两台大功率电动机在近距离并排布置时，如果中心高或平行度偏差较大极易造成共振现象，使设备由于振动过大而不能正常工作。要避免共振现象的产生就要提高零件的加工精度并降低表面粗糙度，提高机架和各连接部件的刚度及安装面的加工精度，在安装时还要严格控制装配精度。

4 试车和实际应用情况

机组试制完成后进行空载试运转，见图3。先启动1台电动机，启动后运行平稳无振动，接入并车箱后运行平稳无噪音，连续运转2 h无轴承、并车箱过热现象；再关闭此台电动机，启动另1台电动机，启动后运行平稳无振动，接入并车箱后运行平稳无噪音，连续运转2 h无轴承、并车箱过热现象；再启动前1台电动机，接入并车箱后运转平稳，无转速不一致、并车困难等问题，连续运转8 h无轴承、并车箱过热现象，空载试车成功。

图3 空载试车现场图

电动机组试车成功后在我中心钻探公司ZJ30钻机上改装使用。在河北省邢台市宁晋县进行了一口2800 m盐井施工，在整个施工过程中前1000 m采用单台电动机驱动，1000 m以后采用2台电动机并车驱动，从开孔到成井整个过程中电动机组运转良好，未出现故障问题。与以往柴油机动力施工对比节约了60%的能源成本，达到了节能的目的。现场工作人员反映省去了柴油机的定时保养，操纵、维护变得更简单了，解决了柴油机工作噪音问题，工作环境有显著改善。