海洋石油電驅修井機轉盤驅動系統的基本設計要點

馮守宇，鄧忠彬，李 浩，蔣代強

(1. 天津濱海概念人力資源有限公司 天津300452；2. 中海油服油田生產事業部 天津300452； 3.中海油能源發展裝備技術有限公司 天津300452)

1 轉盤驅動系統的功能

隨著海洋石油產業的發展，海洋石油工程取得了巨大的進步，海洋石油修井機的驅動方式也發生了巨變，由傳統的柴油機變速箱驅動方式改為電機驅動方式。由于交流變頻電機具有噪音小、振動小、轉矩大、能實現無級變速等優點，再加上無廢氣產生，對大氣和海洋環境沒有任何破壞，由交流變頻電機取代柴油機作為動力系統已成為修井機未來發展的必然趨勢。

轉盤驅動系統是海洋石油修井機旋轉系統的核心部件。在海洋石油電驅修井機的設計中，轉盤驅動系統的可靠性直接影響到井下作業的進度和安全。它采用目前最先進的交流變頻電機和鏈條減速箱為轉盤提供動力，通過控制按鈕和觸摸屏完成對轉盤的方向和扭矩控制。可以實現無極變速，能更精確地完成作業任務[1]。其功能如下：

①用轉盤鉆進或處理事故時，用于旋轉鉆柱；

②為鉆具提供足夠大的扭矩和必要的轉速；

③起下鉆時，承托井中管柱重量或鉆桿柱重量；

④完成鉆具、鉆桿、管柱的連接、卸扣以及打撈作業；

⑤鉆進時承受鉆柱上的反作用力矩；

⑥鉆定向井時調整和控制下井鉆頭的方位。

2 轉盤驅動系統的組成及工作原理

轉盤驅動系統由轉盤主電機、轉盤主電機冷卻風機、鼓型齒式聯軸器、鏈條箱、慣剎氣胎離合器、橇座、萬向聯軸器、轉盤扭矩傳感器、轉盤等主要部件組成。

轉盤的扭矩由轉盤主電機(交流變頻電機)經鼓型齒式聯軸器、鏈條減速箱、萬向聯軸器、轉盤扭矩傳感器傳遞給轉盤，實現旋轉鉆進、修井等功能[2]。由于采用了交流變頻電機，可根據鉆修井工藝的要求，手動調節電機旋轉方向和轉速，達到控制轉盤的旋轉方向和轉速的目的，以獲得理想的轉速和扭矩。轉盤驅動系統組成見圖1。

圖1 轉盤驅動系統組成 Fig.1 Components of turntable drive system

3 轉盤驅動裝置的主要部件設計

3.1 轉盤主電機選型設計

轉盤主電機的選型應參照中國海洋石油總公司企業標準QHS 2007.1—2013《海上石油平臺修井機 第1部分：設計》[3]，根據最大鉤載來選擇轉盤，根據轉盤的扭矩來選擇電機。該電機必須具備一類二區的防爆能力，如最大鉤載為1350kN，轉盤選擇ZP275，最大扭矩為28kN·m，若鏈條箱的傳動比為3.67，則電機的扭矩應選擇在7.6kN·m。根據廠家交流變頻電機的選型手冊，應選擇YJ23L10交流變頻電機作為轉盤驅動系統的原動力。電機在額定點應具有1.5倍過載能力，持續時間1.5min，間隔5min。主要參數如下：

額定功率600kW；額定電壓690V；額定電流IN＝605A；額定頻率fN＝33.5Hz；額定轉速nN＝661r/min，額定轉矩TN＝8669N·m；防爆等級ExdeIIBT3Gc。

3.2 轉盤主電機風機的選型設計

由于轉盤主電機功率較大，在工作的時候瞬間會產生巨大熱量，故需要進行散熱處理。一般采取風冷的方式進行散熱。采用11kW交流異步電動機對電機內部的定子和轉子進行散熱處理，并將熱量通過風道排放到安全區域。為了防止在沒有開風機的情況下，轉盤主電機意外啟動，在風道處應設計風壓開關和檢修開關，與轉盤主電機的啟動按鈕連鎖啟動，確保轉盤主電機在正常散熱的情況下啟動，從而杜絕主電機因過熱而造成損壞的事故發生。在海洋的鹽霧環境下，為了避免鹽霧和潮氣進入電機內部引發電機故障，在電機的進風口需設計鹽霧過濾器，對空氣中的鹽霧進行過濾和攔截。

3.3 交流變頻器選型設計

交流變頻器的選擇應根據電機的功率來選擇。同時還要考慮滿足電機過載要求。

如選用的西門子S120800kW的變頻器，基準負載電流724A，過載1.5倍可以達到1086A，允許時間60s(間隔時間5min)，而主電機1.5倍過載時電流為714A×1.5＝1071A＜1086A，因此變頻器滿足電機1.5倍過載要求(5min內允許過載1min)。

3.4 鏈條箱的設計

鏈條減速箱的功能是可實現一級減速，提供所需要的傳動比。鏈條箱由箱體、輸入軸總成、輸出軸總成附件組成。

鏈條箱箱體為鋼板焊接結構，具有足夠的強度和剛度，箱子頂部設有蓋板，便于觀察鏈條運轉情況。另外箱體上需設有空氣濾清器孔等。

輸入軸總成與動力端相連，由輸入軸、輸入鏈輪、左右軸承、左右軸承座、軸承蓋、油封等件組成。輸出軸總成與傳動軸相連，由輸出軸、輸出鏈輪、左右軸承、左右軸承座、軸承蓋、油封、慣剎離合器等零件組成。

轉盤鏈條箱鏈條和軸承采用飛濺潤滑方式。

3.5 轉盤的選型設計

轉盤是一個用兩個錐齒輪將動力端傳來的水平旋轉運動變為垂直旋轉運動的機構。轉盤總成主要由轉盤、法蘭、轉盤固定裝置等組成。轉盤的安裝應在鉆臺上找正井口中心后，現場配焊定位裝置。轉盤與轉盤梁之間一般采用 V形定位塊連接[3]。

轉盤的選型取決于轉盤的主要參數。如最大鉤載為1350kN，轉盤選擇ZP275。主要參數如下：

通孔直徑698.5mm；最大靜載荷5000kN；最大扭矩28kN·m；傳動比3～4；最高轉速300r/min；中心距1353mm。

3.6 轉盤剎車系統的設計

轉盤剎車系統采用氣胎離合器來完成轉盤的剎車。充氣剎車，放氣抬離合，可實現過扭矩保護，當電動機斷電、氣胎離合器進氣時實現轉盤制動。轉盤剎車應設計安裝在轉盤扭矩傳感器之后，以便在轉盤剎車后轉盤扭矩傳感器能實時監測轉盤的動態扭矩。

3.7 橇座的設計

橇座用來安裝固定主電機和鏈條箱，便于安裝和運輸。橇座通過4組V形定位塊固定在鉆臺橇上。交流變頻電機通過4條螺栓與底座上的墊塊連接，采用調整墊調節安裝高度，鏈條箱輸出軸總成一端與氣胎離合器磨擦轂相連接。橇座主梁由20#工字鋼組焊而成，整體剛性好；為方便安裝運輸時吊運，橇座四周應設計有吊裝耳。

3.8 司鉆房按鈕控制的設計

根據實際需要，在司鉆房的操作臺上應設計一些控制按鈕或開關，以方便司鉆對轉盤進行精確控制。它包括選擇開關、控制旋鈕、相關指示和按鈕。

選擇開關包括：轉盤的啟/停、轉盤方向選擇(正轉、反轉)、轉盤慣剎(自動、剎車、解除)。

控制旋鈕包括：轉盤扭矩限制(0～150%)和轉盤轉速給定(0～300r/min)。

轉盤變頻器相關指示包括：轉盤運行燈、轉盤故障燈、轉盤變頻電流表。

按鈕：轉盤變頻器故障復位。

3.9 PLC及觸摸屏的設計

轉盤離合器掛合的情況下，在正常模式時，通過觸摸屏來完成轉盤的操作。觸摸屏軟件操作界面 見圖2。

圖2 觸摸屏軟件操作界面 Fig.2 Operation interface of touch screen software

設計的觸摸屏至少應該包含：啟動按鈕、停止按鈕、復位按鈕、快速回零按鈕、轉速減小按鈕、轉速增加按鈕、轉盤轉速給定、轉盤扭矩限制值。

通過設定轉盤轉速來計算并控制電機的轉速，從而控制轉盤的實際轉速，轉盤扭矩限制值主要是限制轉盤逆變器的輸出。一旦井下有事情發生，出現卡鉆的情況，限制轉盤逆變器扭矩值的輸出可避免造成鉆桿擰斷等嚴重后果，保障鉆修井操作的安全性。

觸摸屏還要提供轉盤動態扭矩值的顯示。轉盤扭矩是通過轉盤扭矩傳感器進行間接測量的。轉盤扭矩傳感器對傳動軸扭矩的測量加上一定的傳動比，即為轉盤的動態扭矩。

3.10 轉盤的啟動條件的設計

由于轉盤驅動系統較為復雜，其啟動的過程需要按照一定的操作規程才能完成轉盤的啟動操作。具體條件如下：

①確保轉盤整流模塊DSU已經合閘，并且處于正常狀態；

②轉盤逆變器處于“遠程”模式；

③轉盤逆變器已經合閘，并處于正常狀態；

④檢修開關、風機開關處于正常狀態；

⑤點擊“啟動”按鈕，程序將自動啟動與轉盤電機相關的輔助電機，如轉盤風機、轉盤油泵，當這些電機已經啟動，有反饋信號(其反饋信號將顯示在轉盤電機參數里面)以后，程序再啟動變頻器；

⑥轉盤逆變器正常啟動后，轉盤的各項參數都會正常顯示，電流值一般在200A左右。

4 結語

海洋石油電驅修井機轉盤驅動系統性能的好壞在很大程度上取決于其主要部件的配合選型設計[4]。考慮到現場的實際情況，為了方便司鉆操作的便利性，系統的操作應設計2種控制模式：正常模式(觸摸屏操作)和應急模式(司鉆臺按鈕操作)。在系統的PLC電路出現故障的時候仍然能夠在應急模式下完成轉盤驅動系統的操作。

綜上所述，電驅修井機轉盤驅動系統的選型設計中需要考慮各部件的配合特點，特別是考慮海洋石油現場的環境特點，防爆、防護及防腐要求。目前電驅修井機轉盤驅動系統還存在諸多問題，比如轉盤主電機的抗腐蝕能力尤其不足，應注意避免安裝在不通風和潮濕的地方。因此，在今后相當長的時間內，全面優化轉盤驅動系統的設計，讓電驅修井機轉盤驅動系統的設計更加完美，將是海洋修井機設計師們不斷追求的目標。