JC70DB低速大扭矩交流變頻直驅絞車設計*

陳繼甲，程 立，董靈芝

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

傳統鉆井絞車多為單軸齒輪箱或多軸鏈條傳動，經大小齒輪或鏈輪減速增扭后帶動滾筒軸。由于存在減速系統，導致絞車結構寬大、重量超重、傳動效率較低，鉆機總體設計總受限于絞車外形和重量。為了打破絞車減速系統對總體布局的局限，由電機直接驅動滾筒軸，即直驅絞車的傳動理念應運而生。現階段直驅絞車主要有兩個發展方向，一種采用永磁同步電機驅動，還有一種就是筆者提出的低速大扭矩交流變頻電機驅動，通過低速大扭矩電機對滾筒軸的直接驅動，提高了傳動效率；省掉減速系統，使得絞車結構緊湊、操作簡單、方便運輸。

1 直驅絞車電機對比

與普通電機相比，永磁電機功率密度大、傳動效率、功率因數高[1]，的確具有很大的優勢。但永磁電機原材料稀缺，生產成本非常高；為了對閉環反饋進行測速調節，需在電機轉軸上安裝編碼器，隨鉆機的每次搬遷，編碼器的位置信號需重新采集調整，容易出現故障，對經常搬家的鉆機而言非常麻煩；而且永磁電機還存在一些問題亟待解決，如不可逆的退磁問題、磁路結構的設計計算問題、對驅動的控制問題等，目前永磁電機大多用于鉆深5 000 m以下的鉆機。

低速大扭矩交流變頻電機采用了交流變頻調速技術，它是以自動控制、電路拓撲、電動機理論為依據，運用微電子計算機技術、可關斷全控技術、脈寬調制(PMW)等技術，是現代高新技術與傳統鉆井機械的有機融合。隨著上述技術近年來的快速發展，交流變頻電機現已能滿足鉆井工藝對調速性能的要求，這是傳統機械驅動、電驅動鉆機無法企及的優勢，故低速大扭矩交流變頻直驅絞車很好的發展前景。

2 JC70DB直驅絞車設計

2.1 技術參數

參照我國石油鉆機絞車最新標準《石油鉆機用絞車》(SY/T 5532-2016)[2]，確定JC70DB直驅絞車技術參數。

額定輸入功率：2×1000 kW；最大鉤載：4 500 kN；最大快繩拉力： 485 kN；鋼絲繩公稱直徑：φ38 mm；擋數：1正+1倒，交流變頻無極調速；主剎車：液壓盤式剎車；輔助剎車：交流變頻電機能耗制動；外形尺寸(長×寬×高)：6 400 mm×2 400 mm×2 500 mm；質量：37 500 kg。

2.2 工作原理及結構布局

2臺1 000 kW交流變頻電機通過聯軸器與滾筒軸相連，直接為絞車提供動力。滾筒軸總成通過軸承座與調心滾子軸承安裝與絞車架上。整個結構去掉傳統絞車單軸齒輪箱或多軸鏈條等減速裝置、稀油潤滑系統、輔助電機自動送鉆、氣胎離合器等裝置，使得絞車結構簡單、重量大幅減輕。滾筒中心與絞車底座中心重合，圖1 所示為整個絞車設計，左右對稱，受力均勻，結構的剛度、穩定性增加；主要受力件采用Q355D材料，對主要焊縫進行磁粉探傷，保證其有足夠的強度；為確保各部件安裝精度，對絞車架采用整體式加工。主絞車架內的盤剎液壓管線、防碰過卷進氣管線均采用不銹鋼硬管，提前預埋在絞車架中，預留好供快接軟管用的接頭，使用簡潔方便。

圖1 直驅絞車結構示意圖1.交流變頻電機 2.聯軸器 3.液壓盤剎莎車 4.絞車架 5.滾筒軸 6.軸承座 7.調心滾子軸承

3 JC70DB直驅絞車特性分析

由電機特性曲線(見圖2)，建立絞車P快-V鉤與Q鉤-V鉤(見圖3)特性曲線。圖中a-b為絞車間歇運轉恒扭矩區間，c-d為絞車持續運轉恒扭矩區間，d-e為恒功率區間，e-f為降功率區間。據圖分析可知，在恒扭區，電機轉速為0～100 r/min，鉤速在0～0.38 m/s范圍變化，鉤載(V鉤=3918 kN)、快繩拉力(P快=418 kN)基本為恒定值，能達到最大鉤載(V鉤MAX=4 500 kN)、最大快繩拉力(P快max=485 kN)的90%左右，實現了低速大扭矩特性；當鉆井工況需要提升最大鉤載時，可通過電機過載特性來實現。在恒功率區，電機轉速為100～250 r/min，鉤速在0.38～0.96 m/s范圍內，最大快繩拉力達到418 kN，最大鉤載達到3 918 kN，滿足正常鉆井工藝需求，可在此區間正常鉆進。在降功率區，滾筒轉速在250～450 /min變化，鉤速能達到1.72 m/s，電機高轉速輸出、功率下降，輸出扭矩降低，絞車可在此區間進行下鉆或解空吊卡等工作。

4 JC70DB直驅絞車設計創新要點

本次使用的的交流變頻電機，其調速范圍廣(0～450 r/min)。可在基頻10 Hz以上恒功率、基頻10 Hz以下恒扭矩變頻調速[3]，正反轉轉速均能從0～100%精準無級調節，省掉了繁瑣的減速機構，簡化了絞車檔位設計。且當電機轉速為0 r/min時，電機仍具有全扭矩作用，這對處理井下的鉆具事故、側鉆，修井等作業非常有利，具有很好的安全性能。

傳統絞車因有減速系統，不論是鏈條傳動、還是齒輪箱，不可避免的始終需要潤滑系統，絞車設計結構冗雜，且鉆井工人維護保養工作繁瑣。隨著使用有些漏油現象無法避免，不僅影響鉆井工作，而且還造成嚴重的環境污染、資源浪費。而直驅絞車故障點少，維護方便簡潔，更加高效環保。

本次設計直驅絞車能夠實現軟啟動、軟制動，采用能耗制動和盤剎制動器配合剎車，鉆機下放鉆具時產生的反電勢被有效轉化、消耗，使得制動過程噪音低、振動小，操作控制安全可靠。

圖2 電機特性曲線

圖3 P快-V鉤/Q鉤-V鉤曲線

5 結 語

此次JC70DB直驅絞車的設計，利用先進的交流變頻控制技術，實現了超井深等復雜工況對絞車低速

承載能力高的需求；且采用0.01 Hz超低頻控制技術，省去冗余的輔助送鉆系統，實現了主電機自動送鉆功能。傳統7 000 m電驅動絞車長度約7～8 m、寬度約3～4 m、質量大都在50 000 kg左右，設計的直驅絞車與之相比，整體重量減輕約30%、絞車占地面積縮小25%、效率由傳統的86%[4]提高至97%，實現了鉆井絞車操作簡單化、結構輕量化、能源高效利用的目的。