液壓頂驅動力源技術改造

摘 要：我公司一套液壓頂驅使用單獨柴油機作為動力源，在現場使用中存在耗油量過高和維護、維修困難等不足之處，因此設計用一臺電機代替柴油機驅動液壓源，從機械和電氣兩個方面設計技術方案進行改造。

關鍵字：液壓頂驅軟啟動器發電機并車節能發電機

中圖分類號: TE文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)03(b)-0000-00

頂驅現在是打特殊井必備的設備之一，我公司這套頂驅為350t液壓頂驅使用兩年來在非常規井和水平井的施工中發揮了非常重要的作用，是甲方非常規井施工必須配備的關鍵設備，但是使用過程中逐漸發現存在一些不足之處，主要有兩方面：

(1)能耗成本高：使用獨立的540千瓦的VOLVO發動機為液壓系統提供動力，發動機一口井基本在連續運轉，空載和低負荷時消耗柴油過高，另外沃爾沃的機油和三濾等消耗品以及其他備件使用費用過高。

(2)運轉風險高：該型號柴油機沒有備用，零部件較多，運動器件多，由于VOLVO發動機在連續運轉，維護保養困難，一旦機組出現故障，將導致頂驅整體癱瘓，將導致工程事故的連鎖出現，尤其是在施工后期的關鍵階段，其經濟損失無法估量。

因此借鑒其他頂驅的驅動方式和機械傳動的特點提出一個動力系統的改進方案：使用一臺與頂驅液壓系統相匹配的電動機來替代沃爾沃柴油機。

1技術改造方案

1.1 機械方面

在去除原來沃爾沃柴油機的空間上放置一臺355KW三相異步電機和傳動比為1:1.2的齒輪傳動箱。355KW電機的實際轉速為1487rpm，經過傳動箱的變比到達液壓泵齒輪箱的轉速為1785rpm，基本與原來的沃爾沃柴油機1800轉的轉速相當，而且電機的轉速與電源頻率有關，有正負兩赫茲的調節范圍，完全可以滿足使用要求。液壓泵與增速箱的連接充分考慮減震和固定。中間的連接器的選擇有三方面的考慮1、功率傳遞要求2、安裝、更換的方便性3、防止驅動端出現問題時保護液壓泵的需要，綜合這幾方面的因素選用雙尼龍棒連接方式。

考慮井場實際發電機功率（單臺發電機400KW，即并車時最大電流770*2=1540A），電源電流必須滿足最小≥2倍電機額定電流，（必須為其他負荷留出一定的容量），否則啟動時間過長，影響其他設備運行。355KW電機額定電流628A，628*2=1256A。故選用355KW電機比較合適且通過下面的分析其功率可以滿足日常驅動要求。

根據原有頂驅液壓泵的技術參數，當頂驅輸出扭矩為N=30000N.m、頂驅輸出轉速為M=100rpm液壓馬達功率P=M*N/9550=30000*100/9550=314KW，當液壓管線不泄露的情況下液壓馬達功率等于液壓泵的功率輸出。P=壓力*流量/60，所以頂驅輸出最大扭矩時液壓泵的排量=314*60/35=540L/min，單泵排量=540*1000/2100/2=130ml/轉。單泵的最大利用率=130/229=0.57，單泵驅動電機功率P=35*130*35/0.9=177KW，雙液壓泵同時工作時最大需要驅動電機功率=177*2/0.98=360KW。當液壓馬達轉速為68rpm時，頂驅輸出扭矩N=9550*314/68=44100N.m。完全滿足頂驅設計扭矩輸出。另外電機具備小于2分鐘1.5倍過載能力，在鉆井過程中復雜工況下偶爾需要超大扭矩時可以滿足功率要求。

為了滿足液壓泵在全速運行時輸出壓力可以達到350bar，液壓泵扭矩=9550*177*2/2100=1610nm。由于兩個齒輪箱均為增速箱所以實際驅動電機的扭矩=1610*1.17*1.2=2260n.m。要滿足最大扭矩驅動電機的功率需達到P=2260/9550*1487=352KW。扭矩N=9550*355/1487=2280N.M，正好可以滿足驅動扭矩需求。

1.2 電氣驅動方面

1.2.1 電機啟動方式選擇

355千瓦的電機的電機不可能采用直接啟動的方式，必須采用降壓啟動方式，常用的降壓啟動方式有星三角啟動、自耦減壓啟動和串接起動電阻啟動和軟起動器啟動。對于前倆種啟動方式沒有這樣容量的啟動器，串接起動電阻的方式需要配置大約一立方的啟動液，體積比較龐大，不適合在現場改造，所以該電機采用軟啟動器啟動，接觸器旁路運行的方式，在電控房安裝一臺單獨的驅動柜，這種方式非常成熟可以充分利用軟啟動器的各項保護功能。考慮到是驅動液壓泵，所以選用施耐德 400KW重載軟啟動器和施耐德800安旁路接觸器，并且安裝一個施耐德800A萬能斷路器控制電源。軟啟動器是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，平滑啟動，降低啟動電流。待電機啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網避免了諧波污染。

1.2.2 發電機系統的改造

考慮井場實際發電機是一臺300千瓦一臺400千瓦而且不能并車，300千瓦發電機本來就無法充分滿足井隊各種用電負荷的需求，現在任一個單臺發電機電機無法滿足頂驅電機啟動要求和帶上頂驅以后的功率需求，因此在現有的條件下更換兩臺400千瓦的沃爾沃發電機組并且把控制系統改造配備一個并機柜，并機系統采用美國進口的deep sea控制器，實現兩臺發電機同步并車和功率分配，這樣并車時最大電流可以達到770*2=1440A。

由于一個沃爾沃發電機無法負擔全部井場用電功率，從安全角度和節能的角度考慮應當充分利用節能發電機。井隊的節能發電機是由190柴油機驅動的一種不用調速、有效節約燃油的發電機。考慮到設備管理方便和更換的通用性以及整體井場用電負荷的容量決定選用現在公司40LDB鉆機上使用的586千瓦，1020安的大功率的節能發電機。這樣一臺節能發電機既可以滿足包括頂驅在內全井場用電負荷，又可以滿足驅動電機的啟動要求，提高了整個供電的安全系數。由于原節能發電機的皮帶輪直徑和皮帶數量不能滿足使用的需求，因此經過計算把皮帶輪直徑由38厘米到40厘米，增加2厘米，皮帶數量由9根增加到12根，即滿足柴油機驅動時的轉速范圍1150-1250轉/分鐘，對應節能發電機頻率48-52赫茲。這樣整個發電系統改造后可以極大地提高井隊用電安全，擴充總容量，又可以經濟、充分滿足啟動頂驅電機的沖擊和驅動頂驅負載的需求。

3 使用效果

在樊154-平3井經現場使用到現在，經受了鉆井各種復雜工況的連續考驗，一直平穩運轉，應用效果良好，證明改造的方案和技術措施以及元器件的選用等正確、比較完善，達到了整修改造的目的，有效減少柴油消耗和維護保養費用同時減少VOLVO大修費用、磨損費用。

通過以上分析和實際驗證，改造后月度減少費用可達9萬余元，年度百萬元萬元。這套系統的改造直接改造費用在40余萬元，間接費用包括發電機和節能發電機的更換80余萬元。通過綜合分析，可以在4個鉆機月內收回直接成本，一年內可以收回全部費用。另外使用電機驅動頂驅后，為公司現在正在實施的利用工業電網的井隊網電改造創造了有利條件，解決了液壓頂驅的驅動問題，更加發揮節能和安全的優勢。這種改造方式為以后配備的各種液壓頂驅的驅動方式提供了另外一種思路和借鑒。