楊文佳，于秋瑞，頡 炯

（1.西部鉆探吐哈鉆井公司，新疆鄯善838200；2.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西西安710054；3.天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

1 引言

在石油鉆機(jī)中，由于鉆機(jī)的裝機(jī)功率與實(shí)際使用功率存在差異，富余功率較多；另外，在柴油機(jī)液力耦合器整體鏈條箱并車、統(tǒng)一驅(qū)動方案的鉆機(jī)中，使用節(jié)能發(fā)電機(jī)安裝容易，傳動簡單。因此在統(tǒng)一驅(qū)動方案的鉆機(jī)中將剩余功率用來驅(qū)動節(jié)能發(fā)電機(jī)，減少一臺輔助柴油發(fā)電機(jī)，只配備一臺輔助發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急備用，可以達(dá)到節(jié)約燃料，降低成本，提高效益的目的。

2 設(shè)計方案

除電動鉆機(jī)外，國內(nèi)石油機(jī)械鉆機(jī)普遍采用國產(chǎn)12V190柴油機(jī)作動力，通過液力耦合并車驅(qū)動或采用獨(dú)立驅(qū)動單元，為絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵等提供動力，另外配備2臺輔助柴油發(fā)電機(jī)組為固控循環(huán)系統(tǒng)和井場照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的用電設(shè)備提供電源。但在統(tǒng)一驅(qū)動方案的鉆機(jī)中，通過在整體鏈條傳動箱的一號傳動軸或附加一根鏈條軸取力，通過合理設(shè)計傳動比或附加增速系統(tǒng)，用以驅(qū)動節(jié)能發(fā)電機(jī)，并采用氣胎離合器連接和控制，在正常鉆進(jìn)的過程中，可以為整個井場提供電源。整體并車鏈條箱在鉆機(jī)設(shè)計中解決了三大問題：

（1）在設(shè)計上實(shí)現(xiàn)了模塊化，方便了鉆機(jī)的快速搬遷和找正安裝；

（2）在鉆機(jī)的動力匹配上實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)功力互補(bǔ)，避免了單臺柴油機(jī)功率過?；蜻^載，為利用鉆機(jī)剩余功率以驅(qū)動節(jié)能發(fā)電機(jī)提供了條件；

（3）在結(jié)構(gòu)設(shè)計上為使用節(jié)能發(fā)電機(jī)提供了方便，只需在整體鏈條箱的一號傳動軸或附加傳動軸取力，通過較簡單的設(shè)計和制造即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能發(fā)電機(jī)的連接和控制。

方案一：利用整體傳動鏈條箱的一號傳動軸，該軸的一端為柴油機(jī)液力耦合器輸入動力，另一端用來驅(qū)動節(jié)能發(fā)電機(jī)。但該軸的轉(zhuǎn)速低于節(jié)能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此需要增速。采用皮帶輪進(jìn)行增速是經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)成熟的方案。但值得注意的是傳動比的設(shè)計要與實(shí)際工況相適應(yīng)。G12V190ZL-3型柴油機(jī)標(biāo)定的額定轉(zhuǎn)速為1300r／min，液力耦合器的傳動比為1.95。按該轉(zhuǎn)速計算，整體傳動鏈條箱輸入軸轉(zhuǎn)速為666r／min，而在現(xiàn)場使用中，柴油機(jī)的使用轉(zhuǎn)速通常在1150-1200r／min，由此計算出一號傳動軸的轉(zhuǎn)速在590-615r／min之間，而選用的節(jié)能發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1000r／min。因此，節(jié)能發(fā)電機(jī)的傳動設(shè)計必須以柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速1150-1200r／min為標(biāo)準(zhǔn)，使節(jié)能發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)速與標(biāo)定額定工作轉(zhuǎn)速保持一致，保證節(jié)能發(fā)電機(jī)與井場各用電設(shè)備的參數(shù)要求相適應(yīng)。

在該方案中采用皮帶輪取力和傳動具有兩大優(yōu)點(diǎn)：①解決了由于泥漿泵干涉造成的節(jié)能發(fā)電機(jī)不便于安裝的問題；②傳動設(shè)計制造簡單，只需合理設(shè)計主動輪、從動輪直徑和傳動功率即可實(shí)現(xiàn)。節(jié)能發(fā)電機(jī)在ZJ40L鉆機(jī)中的傳動簡圖如圖1所示。

方案二：在整體傳動鏈條箱上附加鏈條軸取力，其傳動設(shè)計在整體鏈條箱內(nèi)完成，采用萬向軸連接，用同軸式通風(fēng)氣胎離合器進(jìn)行動力的控制。節(jié)能發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)同側(cè)布置在后臺機(jī)房底座上。

ZJ45鉆機(jī)改造升級為ZJ50LDB鉆機(jī)，采用3臺G12V190PZL-3型810kW柴油機(jī)、液力耦合器、整體鏈條箱并車驅(qū)動，轉(zhuǎn)盤采用交流變頻獨(dú)立驅(qū)動。F320鉆機(jī)改造升級為ZJ70LDB鉆機(jī)，采用3臺A12V190型1100kW柴油機(jī)、液力耦合器、整體鏈條箱并車驅(qū)動，轉(zhuǎn)盤采用交流變頻獨(dú)立驅(qū)動。兩種改造鉆機(jī)均采用節(jié)能發(fā)電機(jī)取代1臺輔助柴油發(fā)電機(jī)，節(jié)能發(fā)電機(jī)除了為循環(huán)系統(tǒng)、井場照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等用電設(shè)備提供電源外，還通過變壓器調(diào)壓后為交流變頻獨(dú)立驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的電機(jī)提供電源。

節(jié)能發(fā)電機(jī)在ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機(jī)中的傳動簡圖如圖2所示。

圖2 節(jié)能發(fā)電機(jī)在ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機(jī)中的傳動簡圖

3 節(jié)能發(fā)電機(jī)的選型

根據(jù)鉆機(jī)的工況特點(diǎn)，選用的節(jié)能發(fā)電機(jī)為IFC6系列無刷恒壓同步發(fā)電機(jī)，該系列發(fā)電機(jī)具有功率覆蓋面廣、調(diào)壓精度高、動態(tài)性能好、電壓波動率小、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、維修方便、工作可靠、使用壽命長、經(jīng)濟(jì)性能好等特點(diǎn)。

（1）功率選擇

節(jié)能發(fā)電機(jī)功率參數(shù)應(yīng)與鉆機(jī)整個井場實(shí)際用電負(fù)荷相匹配。井場用電負(fù)荷包括循環(huán)系統(tǒng)、井場照明系統(tǒng)、風(fēng)冷盤剎及風(fēng)冷電磁剎車電機(jī)、儀表控制系統(tǒng)及營區(qū)供電等，作為交流變頻獨(dú)立驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的鉆機(jī)，還需同時向轉(zhuǎn)盤電機(jī)供電，通常其功率選擇必須滿足鉆機(jī)最大用電負(fù)荷的需要。如表1所示為鉆機(jī)用電設(shè)備功率統(tǒng)計表。

ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機(jī)因轉(zhuǎn)盤采用交流變頻獨(dú)立驅(qū)動，因此節(jié)能發(fā)電機(jī)的主要用途是通過變壓器調(diào)壓后給轉(zhuǎn)盤電機(jī)供電；而ZJ40L鉆機(jī)配備的節(jié)能發(fā)電機(jī)給整個井場供電。因此，在ZJ70LDB、ZJ50LDB改造鉆機(jī)中選用的節(jié)能發(fā)電機(jī)額定功率為640kW（800kVA），在新購ZJ40L鉆機(jī)中選用的節(jié)能發(fā)電機(jī)額定功率為400kW（500kVA）。

表1 鉆機(jī)用電設(shè)備功率統(tǒng)計表

（2）轉(zhuǎn)速選擇

節(jié)能發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常有1500（4極）、1000（6極）、750（8極）、和 600（10極）r／min，鉆機(jī)中目前使用的節(jié)能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速均選擇1000r／min。如表2所示為節(jié)能發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表。

表2 節(jié)能發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表

4 工況分析

（1）功率匹配問題

節(jié)能發(fā)電機(jī)是在綜合利用鉆機(jī)柴油機(jī)剩余功率的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

ZJ70LDB鉆機(jī)裝機(jī)功率（不含輔助發(fā)電機(jī)）：1100kW×3＝3300kW；

ZJ50LDB鉆機(jī)裝機(jī)功率（不含輔助發(fā)電機(jī)）：810kW×3＝2430kW；

ZJ40L鉆機(jī)裝機(jī)功率（不含輔助發(fā)電機(jī)）：810kW×3＝2430kW。

鉆機(jī)在正常鉆進(jìn)過程中，其最大負(fù)荷的工況為開雙泵鉆進(jìn)，此時鉆機(jī)所需功率為：

ZJ70LDB 鉆機(jī)：960×2×0.8＝1536kW；

ZJ50LDB 鉆機(jī)：960×2×0.8＝1536kW；

ZJ40L 鉆機(jī)：（330＋960×2）×0.8＝1800kW。

根據(jù)以上分析：ZJ70LDB鉆機(jī)其使用的功率不足配備功率的47%；ZJ50LDB鉆機(jī)其使用的功率不足配備功率的64%；ZJ70LDB鉆機(jī)其使用的功率不足配備功率的74%。特別是在現(xiàn)代機(jī)械鉆機(jī)或復(fù)合驅(qū)動鉆機(jī)中，多采用整體鏈條箱統(tǒng)一驅(qū)動方案，由此在鉆機(jī)的動力配備上實(shí)現(xiàn)了功率互補(bǔ)，為綜合利用鉆機(jī)富余功率驅(qū)動節(jié)能發(fā)電機(jī)創(chuàng)造了有利條件。

（2）頻率及電壓波動的問題

在改造過的ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機(jī)中，由于交流變頻獨(dú)立驅(qū)動的轉(zhuǎn)盤具有多重自動保護(hù)功能，由于掛泵過程引起的發(fā)電機(jī)頻率和電壓波動，經(jīng)常導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤電機(jī)自動保護(hù)而停止運(yùn)轉(zhuǎn)。滿足供電要求的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1180rpm，不能滿足泥漿泵的沖數(shù)和單位時間內(nèi)泥漿排量，不能保證快速鉆井。使用電氣設(shè)備功率超過220kW時，頻繁出現(xiàn)跳閘停電情況。表3為AF60-331000技術(shù)參數(shù)。

在聯(lián)動機(jī)負(fù)荷變化小的情況下，通過在節(jié)能發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中安裝電子電壓調(diào)節(jié)器，使發(fā)電機(jī)的勵磁電流隨負(fù)載情況而自動調(diào)節(jié)，從而保持發(fā)電機(jī)的電壓恒定。但是在停泵開泵的工況下聯(lián)動機(jī)負(fù)荷急劇變化，造成聯(lián)動機(jī)轉(zhuǎn)速大范圍波動，節(jié)能發(fā)電機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)動作，極易造成跳閘。從而導(dǎo)致全井場停電，鉆井作業(yè)處于停止的不安全狀態(tài)。

表3 技術(shù)參數(shù)

鉆井作業(yè)的這種情況導(dǎo)致現(xiàn)有的節(jié)能發(fā)電機(jī)在口井的作業(yè)中利用率極低，這就要引入穩(wěn)頻穩(wěn)壓裝置的應(yīng)用。在該裝置中加入不間斷供電系統(tǒng)，可有效地保護(hù)井場供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

（3）穩(wěn)頻穩(wěn)壓裝置

大功率變頻電源是采用高頻電力電子開關(guān)變換技術(shù)，產(chǎn)品電壓、頻率均有±20%的調(diào)節(jié)范圍，可適用于三相平衡負(fù)載或完全不平衡負(fù)載，任意相均可作為單相電源使用。

（4）節(jié)能發(fā)電機(jī)和輔助發(fā)電機(jī)的切換

在鉆進(jìn)過程中，節(jié)能發(fā)電機(jī)正常工作，輔助柴油發(fā)電機(jī)作為備用，因此節(jié)能發(fā)電機(jī)和輔助發(fā)電機(jī)一樣，在MCC房內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)相互切換。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

節(jié)能發(fā)電機(jī)使用后，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可以從以下兩個方面來體現(xiàn)。

一是減少一臺柴油機(jī)耗油，其節(jié)能指標(biāo)顯而易見。以1臺C500D5進(jìn)口康明斯柴油發(fā)電機(jī)組為例，其額定功率440kW，持續(xù)功率400kW，該機(jī)組的 油 耗 為 103 升 ／小 時 （103 升 ／小 時 ×0.85＝87.55kg／小時）。

二是根據(jù)柴油機(jī)的負(fù)荷特性曲線分析，在正常鉆進(jìn)中，其使用功率不足配備功率的70%，在利用柴油機(jī)富余功率驅(qū)動節(jié)能發(fā)電機(jī)后，柴油機(jī)負(fù)荷率可達(dá)90%以上，根據(jù)柴油機(jī)的負(fù)荷特性曲線分析，此時柴油機(jī)基本處于最佳經(jīng)濟(jì)負(fù)荷狀態(tài)。因此，柴油機(jī)在掛合節(jié)能發(fā)電機(jī)后，雖然其輸出功率增大，但其油耗只略有增加。

使用節(jié)能發(fā)電機(jī)后，3臺P12V190ZL-3柴油機(jī)油耗增加量為：

使用節(jié)能發(fā)電機(jī)后每小時節(jié)約柴油消耗：

節(jié)能發(fā)電機(jī)每年按200天計算，其每年產(chǎn)生的節(jié)能指標(biāo)為：

另外，每臺節(jié)能發(fā)電機(jī)每年還可節(jié)約潤滑油、冷卻液及常規(guī)維護(hù)配件費(fèi)用、修理費(fèi)用等1萬余元。

6 結(jié)論

節(jié)能發(fā)電機(jī)在某油田的ZJ70LDB、ZJ50LDB、ZJ40L（共6臺）鉆機(jī)上得到了成功應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。在2006年新購置的4臺機(jī)械鉆機(jī)中，也配備了相應(yīng)的節(jié)能發(fā)電機(jī)。通過現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐表明，用節(jié)能發(fā)電機(jī)取代1臺輔助發(fā)電機(jī)為鉆機(jī)控制系統(tǒng)、固控循環(huán)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及為交流變頻獨(dú)立驅(qū)動的轉(zhuǎn)盤提供電源，除具有顯著的節(jié)能效益外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）節(jié)能發(fā)電機(jī)安裝、搬遷運(yùn)輸方便，維護(hù)保養(yǎng)工作量小，維護(hù)費(fèi)用低；

（2）經(jīng)幾年的使用實(shí)踐證明，節(jié)能發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，故障少；

（3）勵磁系統(tǒng)采用電子電壓調(diào)節(jié)器后，其工作電壓穩(wěn)定，波動小，對鉆機(jī)工況適應(yīng)能力強(qiáng)；

（4）使用節(jié)能發(fā)電機(jī)可節(jié)省人力，發(fā)電機(jī)可以由柴油機(jī)工代管；

（5）搬遷車輛減少一個車次；

（6）減少使用柴油機(jī)1臺，在節(jié)約燃料的同時，減少了廢物排放和降低了井場噪音。

總之，通過在油田的應(yīng)用實(shí)踐證明，節(jié)能發(fā)電機(jī)的應(yīng)用是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，該技術(shù)的普遍推廣是可行的和必要的，它不僅可以取得可觀的直接經(jīng)濟(jì)效益，而更重要的是它能把鉆機(jī)的富余功率有效利用起來，既節(jié)約能源又降低排放，成為在石油行業(yè)有效推行清潔生產(chǎn)的一個很好的示例。