電源補(bǔ)償修井機(jī)的研制與應(yīng)用

張 鵬 吳艷茹 陳喜娟

（大慶石油管理局松原機(jī)械總廠，吉林 松原 138000）

·改造與創(chuàng)新·

電源補(bǔ)償修井機(jī)的研制與應(yīng)用

張 鵬 吳艷茹 陳喜娟

（大慶石油管理局松原機(jī)械總廠，吉林 松原 138000）

針對(duì)電動(dòng)修井機(jī)主要存在的井場(chǎng)變壓器容量過(guò)小的問(wèn)題，研發(fā)了帶UPS電源補(bǔ)償技術(shù)的JY5280TXJ900DZ型電動(dòng)修井機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該電動(dòng)修井機(jī)提高了作業(yè)穩(wěn)定性，擴(kuò)大了在井場(chǎng)的使用范圍。

電動(dòng)修井機(jī)；液壓絞車；UPS；電源補(bǔ)償系統(tǒng)；開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)；電氣控制系統(tǒng)

電動(dòng)修井機(jī)與機(jī)械修井機(jī)相比具有安全高效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已逐步取代了傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)修井機(jī)在國(guó)際大型石油鉆修井設(shè)備中的主動(dòng)地位。現(xiàn)制約電動(dòng)修井機(jī)發(fā)展的主要原因在于使用過(guò)程中受到井場(chǎng)變壓器的容量限制，會(huì)導(dǎo)致電驅(qū)修井機(jī)功率小、作業(yè)效率較低；電網(wǎng)停電時(shí)，無(wú)法進(jìn)行正常工作，存在安全隱患。

2012年大慶油田公司將電動(dòng)修井機(jī)的研制列為公司的“課題制”項(xiàng)目，我廠承擔(dān)了該項(xiàng)目，確定如下設(shè)計(jì)原則：一是整車結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)化，以提高其移運(yùn)性及降低運(yùn)營(yíng)成本；二是采用UPS電池補(bǔ)償系統(tǒng)，以解決井場(chǎng)電量不足的問(wèn)題；三是整車采用人機(jī)界面和PLC集中控制，司鉆人員不僅可以在操作室操縱，也可在井口附近操縱，增強(qiáng)了司鉆人員操作的靈活性。并于2014年開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了一種UPS蓄電池組作為電源補(bǔ)償?shù)男滦碗妱?dòng)修井機(jī)JY5280TXJ900DZ。

一、技術(shù)分析

1.結(jié)構(gòu)。JY5280TXJ900DZ型電動(dòng)修井機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該車采用自走底盤，由井場(chǎng)電源和車上UPS蓄電池補(bǔ)償系統(tǒng)同時(shí)提供電能，液壓絞車帶動(dòng)大鉤上下運(yùn)動(dòng)。

圖1 J Y5280TXJ 900DZ型電動(dòng)修井機(jī)的結(jié)構(gòu)

2.工作原理。井場(chǎng)電源和蓄電池補(bǔ)償系統(tǒng)同時(shí)為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)提供電能，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與閉式柱塞變量泵連接，液壓泵輸出液壓能，驅(qū)動(dòng)液壓絞車轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓絞車通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)游車大鉤上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)修井及鉆井作業(yè)；異步電動(dòng)機(jī)與普通液壓泵連接，驅(qū)動(dòng)井架主液缸、踏腳液缸及液壓大鉗等部件工作；電氣控制系統(tǒng)主要包括開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速控制和PLC集中控制。

3.電驅(qū)修井機(jī)主要參數(shù)。額定鉤載600kN；最大鉤載900kN；大鉤提升速度0～1.0m/s；井架高度21m；電氣系統(tǒng)電壓380V；液壓絞車滾筒直徑520mm。

4.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

（1）底盤車是我廠自制底盤，配備康明斯ISLe375 30發(fā)動(dòng)機(jī)及凱星BY502液力變速器，越野性能好，承載能力強(qiáng)，能夠滿足作業(yè)井場(chǎng)之間的移運(yùn)。

（2）主絞車采用液壓絞車，閉式回路液壓傳動(dòng)，由電控手柄控制轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)正反轉(zhuǎn)調(diào)速和遠(yuǎn)程控制，操作方便，安全可靠。

（3）電液集中控制系統(tǒng)中配有蓄能器組，能夠保持系統(tǒng)壓力恒定，還可作為應(yīng)急動(dòng)力源。

（4）采用UPS電池作為電源補(bǔ)償裝置，能更好的解決井場(chǎng)電量不足的問(wèn)題，使作業(yè)可靠進(jìn)行。

（5）驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī)采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，啟動(dòng)電流小，轉(zhuǎn)矩大，控制電路簡(jiǎn)單，節(jié)能效果更好。

二、關(guān)鍵技術(shù)

1.主傳動(dòng)設(shè)計(jì)。

（1）傳動(dòng)方案選擇。目前修井機(jī)的絞車驅(qū)動(dòng)方式主要是機(jī)械驅(qū)動(dòng)，即動(dòng)力源通過(guò)液力變矩器、角傳動(dòng)箱和鏈輪傳遞到絞車，絞車帶動(dòng)大鉤上下運(yùn)動(dòng)。此種傳動(dòng)存在以下缺點(diǎn)：傳動(dòng)系體積尺寸大，總重量重；安裝布置復(fù)雜，經(jīng)常需要精密加工的平面和精密的部件定位；難以實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)極變速；在有負(fù)載的情況下，難以取得平穩(wěn)的反轉(zhuǎn)。

JY5280TXJ900DZ電動(dòng)修井機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)絞車。動(dòng)力源帶動(dòng)液壓泵，液壓泵把液壓能傳遞給液壓絞車，驅(qū)動(dòng)液壓絞車轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的絞車具有以下優(yōu)點(diǎn)：雙向?qū)崿F(xiàn)從零到最大速度的無(wú)極變速控制，易于換向；輸出速度范圍大，負(fù)載的低速控制好，可以帶動(dòng)負(fù)載良好啟動(dòng)；系統(tǒng)允許長(zhǎng)時(shí)間支持負(fù)載，雙向可以限制不同力矩。因此，結(jié)合作業(yè)絞車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、實(shí)際工況和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，確定液壓驅(qū)動(dòng)方式作為作業(yè)絞車的驅(qū)動(dòng)方式。

（2）液壓絞車調(diào)速方式。整車采用閉式泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓主絞車轉(zhuǎn)動(dòng)。閉式泵系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)中的油液自成循環(huán)，不需要通過(guò)油箱的交換；執(zhí)行元件的回油直接進(jìn)入泵的入口，吸油條件好。閉式系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有結(jié)構(gòu)緊湊，油箱體積小，因而自重輕。閉式系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 閉式系統(tǒng)

系統(tǒng)采用雙向變量泵，直接用液壓泵的變量機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)速度和方向，避免了換向閥的控制方式造成的節(jié)流損失和換向沖擊。系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)帶動(dòng)雙向變量泵，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)始終以恒定轉(zhuǎn)數(shù)帶動(dòng)變量泵轉(zhuǎn)動(dòng)，利用PLC的模擬量輸出模塊控制雙向變量泵的變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以控制液壓絞車的速度和方向。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)采用PID速度反饋的方式控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

（3）液壓絞車和泵的型號(hào)選擇。經(jīng)計(jì)算液壓主絞車的額定扭矩為26N.m；額定轉(zhuǎn)速為120r/mim，則液壓馬達(dá)型號(hào)選為YLM100～8000；額定轉(zhuǎn)矩28744N.m；轉(zhuǎn)速0.5～125r/min；額定壓力25MPa；排量8298ml/r。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算，液壓泵型號(hào)選為400BCY14-1B。

2.電氣控制系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)、PLC集中控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)等，它是電動(dòng)修井機(jī)的重要組成部分，完成系統(tǒng)的供電、配電、控制及電氣保護(hù)功能。其中PLC集中控制是整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的核心，整個(gè)電氣控制系統(tǒng)采用防暴形式，防暴等級(jí)為ExdⅡBT4。

（1）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器、功率電路和控制電路4大部分組成。PLC把操作指令和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)輸送到控制器中，經(jīng)過(guò)分析輸出調(diào)節(jié)信號(hào)改變功率電路輸出的電壓、電流，使電動(dòng)機(jī)達(dá)到所需的工作狀況。功率電路是由三相整流電路和和逆變電路組成，向電動(dòng)機(jī)三相繞組供電。該調(diào)速系統(tǒng)屬于轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制電動(dòng)機(jī)繞組上的電壓、電流，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的各種控制。由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)速度閉環(huán)是必備的，因此系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)速精度，可以很方便地構(gòu)成無(wú)靜差調(diào)速控制。位置傳感器采用高性能紅外線光電子元件，能非常準(zhǔn)確檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和瞬時(shí)位置，把這些數(shù)據(jù)連續(xù)的提供給控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的精確控制。

（2）PLC集中控制。PLC集中控制包括所有電機(jī)工作狀態(tài)的檢測(cè)、調(diào)速與啟停控制，液壓主絞車的調(diào)速和啟動(dòng)控制，游車超限、過(guò)載、斷電及其他緊急情況下的安全保護(hù)連鎖系統(tǒng)的檢測(cè)與控制，與上位機(jī)通信，系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、故障顯示及報(bào)警功能等。還包括電機(jī)的配電、液壓系統(tǒng)電磁閥配電、控制電源配電等。

（3）液壓控制系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)包括起架液缸、踏腳液缸、液壓大鉗和液壓絞車啟停與調(diào)速控制。

①操作者通過(guò)各種電控手柄開(kāi)關(guān)向PLC發(fā)送指令，PLC根據(jù)手柄開(kāi)關(guān)的指令，控制相應(yīng)液缸或大鉗的電磁閥，使液缸起升或降落。②液壓絞車由柱塞泵、液壓馬達(dá)及卷?yè)P(yáng)減速器組成閉式液壓系統(tǒng)。柱塞泵為電氣控制。PLC模擬量輸入模塊接收手柄電位器的給定電壓信號(hào)，然后經(jīng)PLC控制器計(jì)算并發(fā)出指令，使模擬量輸出模塊輸出一個(gè)雙方向的電流控制信號(hào)，控制柱塞泵的電液比例換向閥輸出壓力，從而控制柱塞泵和馬達(dá)的排量及轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)絞車的正反轉(zhuǎn)及制動(dòng)。采用閉環(huán)控制，具有速度跟蹤功能，輸出精度高。手柄電位器采用機(jī)械連鎖保持中間零位，通過(guò)改變手柄的開(kāi)啟度，可以調(diào)整絞車的轉(zhuǎn)速。

3.UPS蓄電池補(bǔ)償總體設(shè)計(jì)。

（1）電動(dòng)修井機(jī)蓄電池補(bǔ)償原理。電動(dòng)修井機(jī)電源補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)理念即為交流整流系統(tǒng)與UPS電源供電系統(tǒng)相結(jié)合。以蓄電池組作為蓄能器，將交流整流系統(tǒng)中的直流段作為蓄電池組的充電電源，當(dāng)外接電源電壓低于蓄電池組電壓時(shí)通過(guò)整流器直流段放電，經(jīng)逆變后為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)提供電源，達(dá)到補(bǔ)償井場(chǎng)電源容量，為大于井場(chǎng)電源容量的電動(dòng)機(jī)提供充足電能的目的。

本套電源補(bǔ)償系統(tǒng)采用浮充充電法。在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，與直流母線相連的充電裝置除對(duì)常規(guī)負(fù)載供電外，還向蓄電池組提供浮充電電流。

（2）蓄電池種類選擇。鉛酸蓄電池制造成本低，容量大，價(jià)格低廉，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也是鉛酸電池應(yīng)用的比較廣泛。經(jīng)類比后選擇鉛酸電池作為JY5280TXJ900DZ電動(dòng)修井機(jī)電源補(bǔ)償系統(tǒng)的蓄能部分。

（3）蓄電池個(gè)數(shù)選擇。三相交流電壓經(jīng)過(guò)整流，得到直流環(huán)節(jié)的電壓為400V。不間斷電源在正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)處于浮充電狀態(tài)，電池只數(shù) N=Ue/Uf 。式中：N——蓄電池組串聯(lián)只數(shù)；Ue——開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率單元的直流環(huán)節(jié)電壓；Uf——單體電池的浮充電電壓。

常用蓄電池單只電壓為12V，浮充電壓為Uf=13.5V，則N=400/13.5=29.6，取N=30只。本修井機(jī)由于作業(yè)功率大，蓄電池個(gè)數(shù)選為60只，連接形式為每2個(gè)蓄電池組成一個(gè)并聯(lián)電路，然后串聯(lián)。

（4）蓄電池容量選擇。為了滿足修井機(jī)應(yīng)急處理時(shí)可依靠電池儲(chǔ)備工作1h的要求：蓄電池容量應(yīng)在：t應(yīng)急/t總×W總=W應(yīng)急，作業(yè)的容量，帶入數(shù)值

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