海上吊机柴电双驱液压系统设计研究与应用

乔亚军，张 浩，罗廷文

（1.中海石油（中国）有限公司辽东作业公司，天津 300452；2.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452）

0 引言

海上平台起重机是海洋石油生产中最重要的生产和安全设备之一，它不仅要负责常规的生产吊装作业，还为平台人员的生活和安全保驾护航，因此海上吊机同样作为海上的应急设备之一，在特殊情况下必须保证其动力系统正常工作。随着新环保法的推广实施，提高了柴油机烟气的排放要求，而海上吊机所常用的卡特3406型号柴油机排放不满足新要求，卡特彼勒公司已停止生产此型号柴油机，从而影响了此型号柴油机的维保工作，从而影响吊机的运行。

为了解决以上问题，同时提高保证吊机后续的可用率，故提出对吊机进行柴电双驱系统设计，利用电网富余电能，以电机驱动作为吊机的主要动力源，柴油机驱动作为应急动力源。机能减少吊机的柴油消耗，实现节能减排，减少油田生产成本费用，又能保证吊机在应急情况下的使用。

柴电双驱系统是在中国海洋石油范围内，乃至全国吊车领域内的首次大胆创新设计应用，实施后可以实现柴油机驱动和电动机驱动的自由转换，并通过安全控制系统保证系统转换的完整性。每年能够为平台直接节省柴油消耗和备件消耗，同时技能保证失电状态下柴油机的应急保障功能，还能实现电机驱动模式下的“零”消耗和“零”排放，达到节能减排效果。

1 液压系统设计

海上吊机柴电双驱系统是由电动机、电动机泵组、柴油机、柴油机泵组、切换控制阀以及完整的控制系统组成[1]。通过将柴油机带动的液压泵组与电动机带动的液压泵组进行并联，通过控制阀对两套系统的切换来更换驱动液压系统的动力源，从而实现电动机驱动和柴油机驱动的转换。

为了保证不破坏原液压系统的完整性，将电动机驱动液压泵动力系统同样设计为负载传感系统，原理图见图二。利用三通球阀与原系统的吸油管线并联，在出油口增加单向阀保护液压泵，并通过三通与柴油机驱动端液压泵出口进行并联。同时保证新液压泵与原多路阀相匹配，达到公用一套控制系统，只将动力系统进行切换的目的，合理利用原有资源进行改造[3]。新增一套冷却循环系统，利用第三联泵将液压油输送至风冷器，利用电机风扇对液压油进行冷却，同时增加温度传感器，对温度实现自动控制。

2 元器件选择

2.1 液压泵选型计算

旅大平台起重机原柴油机输出端采用的为德国力士乐液压泵组，规格为：

A11VLO190LRDS+A11VLO190LRDS+YB-FQ125/8，柴油机的工作转速为1 800 r/min。

柴油机泵组的主泵总排量q=190+190=380 ml/r

在1 800 r/min时容积效率取95%，

总流量Q=380 1800 0.95 1000=649.8 L/min。

而电动机的额定转速为1500 r/min，因此可知需要液压泵总排量：

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q=649.8 1000 1500 0.95=456 ml/r。

根据力士乐液压泵规格，电机驱动端主液压泵选用为：

A11VLO260LRDS+A11VLO190LRDS

主泵总流量为（260+190） 1500 0.95 1000=641.3 L/min

改造后电机泵组与柴油机泵组流量仅相差8.5 L/min，可忽略不计，满足系统使用要求[4]。

控制泵同样选用与原车相同的YB-FQ125/8。

2.2 电动机选型计算

原柴油机功率为344 kW，由于柴油机输出效率较低，所以柴油机功率不作为选择电动机功率的参考值。电动机功率通过表1和表2液压泵的最大功率可以算出。

A11VLO260恒功率调定，见表1。

根据液压泵出厂时调定的恒功率值得出两泵在30 MPa时最大功率为115+160=275 kW，而吊机液压系统压力值最高为20 MPa，功率值为100.8+135.3=236.1 kW。

根据ABB电动机规格，选用电机功率为250 kW。

图1 原车液压原理图

图2 双驱液压原理图

表1 A11VLO190泵恒功率调定表

表2 A11VLO260泵恒功率调定表

2.3 风冷器选型计算

液压油箱容积为1 135.5 L，温度从30℃升到70℃约30分钟。液压油的当量热容量C油为1.88 kJ/kg，液压油的密度ρ油为0.915 kg/L。可算出产生的热功率为：

PV＝ΔT C油ρ油V/t/60

PV＝(70-30) 1.88 0.915 2000/45/60

PV＝50.97 kW

按照系统正常工作的最佳期望油温来计算当量冷却功率：

P01＝PV/(T1－T2)

该系统的最佳期望油温为T1为50℃，当时的环境温度T2为25℃，从而算得：

P01＝50.97/(50－25)

P01＝2.04 kW/℃

根据计算出的当量冷却功率按照图3所示风冷器的冷却特性曲线选择风冷器规格，所选型号必须同时能满足系统流量及发热功率要求[5]。

根据冷却特性曲线最终选择型号为28C-4，参数见表3。

所选风扇形式为吸风式；风扇电机和油泵电机防护等级为IP55，F级绝缘，符合国际CE标准，经过特殊处理后可用于防爆区域；噪音值为距离1 m处的值；

图3 当量冷却功率曲线

在风冷器油口处增加了温度开关，温度值为50℃，实时监测液压油温度，当温度高于50℃时风冷器自动运行，低于50℃时则自动停止。

表3 风冷器参数

2.4 三通球阀选型

根据原车吸油口管线尺寸选择相应规格的三通球阀，结构形式如图4所示。

图5 限位指示器

为了保证操作以及控制的安全性，在此结构形式的基础上又在三通球阀手柄扳把的上方增加了带限位开关的位置指示器，通过图5所示的限位指示器上的标志来直观的反应出当前的工作状态[6]。

3 电气安全控制系统设计

吊机的电气安全控制系统作为液压系统的辅助系统，保证吊机的安全运行，在柴电双驱系统中保证了两个系统的安全切换，实现两系统互锁，电气原理图见图6。将电机启动按钮与柴电选择开关、三通球阀位置开关进行关联，将柴油机启动按钮与柴电选择开关、三通球阀位置开关进行关联，将电机启动和柴油机启动进行互锁，任何一个开关不到位将无法启动按钮。同时任何一种状态接通后另外一种状态也将无法使用。这样能够保证三通球阀切换到位，保证系统安全，也保证双系统的运行互不干涉[7]。

图4 三通球阀结构示意图

图6 电气原理图

4 结束语

平台起重机柴电双驱液压系统设计的成功实现了海洋石油平台电机双驱系统“零”的突破，同时也对节能环保、降本增效工作上有着重大意义。该系统现已成功推广到旅大10-1油田三台吊车，使用效果良好，通过理论设计和实践分析可以看出这项技术的设计与应用是比较成功的，技术也是比较成熟的，具有很大的推广意义。结合此研究的成果，后续将对不同结构、不同液压系统的吊机进行进一步的改进，以达到对成果的最大化优化，保证平台的安全生产。

［1］吴振顺.液压控制系统［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［2］纪云峰，陈欠根，张新海.负载传感系统及其应用［J］.装备制造技术，2003（4）：10-12.

［3］张利平.液压传动系统及设计［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［4］陈启松.液压传动与控制手册［M］.上海：科学技术出版社，2006.

［5］雷天觉.新编液压工程手册［M］.北京：北京理工大学出版社，1998.

［6］中国船级社.船舶与海上设施起重设备规范［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［7］吴双，马建平.民航飞机液压系统虚拟性能样机设计及应用研究［J］.机电工程，2017（11）：1270-1274.

［8］秦大同，谢里阳.现代机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2011.