滿國祥，康欣雷，齊新超，程林，李艷麗，孔令滬，王士昭

(河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081)

ZJ30鉆機(jī)柴動改電動實(shí)施方案及應(yīng)用效果

滿國祥，康欣雷，齊新超，程林，李艷麗，孔令滬，王士昭

(河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081)

石油鉆機(jī)在電力供應(yīng)充沛的華北地區(qū)應(yīng)用中，從節(jié)能、環(huán)保等因素的考慮，用戶對柴油機(jī)動力改電動機(jī)動力的要求越來越廣泛，也越來越迫切。文中詳細(xì)分析了石油30鉆機(jī)柴動改電動需要解決的問題，對改造方案進(jìn)行對比優(yōu)化選擇，最優(yōu)方案的實(shí)施及其應(yīng)用效果。

石油鉆機(jī)；柴油機(jī)；電動機(jī)；節(jié)能降耗

0 引言

石油鉆機(jī)在非油領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，各地質(zhì)隊、水文隊都已普遍使用，進(jìn)行鹽井、地?zé)峋?、干熱巖井等項(xiàng)目的勘查施工。石油鉆機(jī)出廠配置動力為柴油機(jī)，如ZJ20鉆機(jī)動力為1臺濟(jì)柴12V190柴油機(jī)、ZJ30為2臺濟(jì)柴12V190柴油機(jī)、ZJ40為3臺濟(jì)柴12V190柴油機(jī)。在華北地區(qū)施工時會遇到以下問題：柴油機(jī)動力不環(huán)保，達(dá)不到綠色施工要求；柴油機(jī)噪音大，存在噪音污染問題；華北地區(qū)用電方便，電動較柴動可節(jié)省50%～60%的能源消耗，存在不經(jīng)濟(jì)的問題。在此種形勢下，諸多石油鉆機(jī)使用單位均存在柴動改電動的意愿，且在市場不景氣，施工利潤低的背景下，這種意愿越來越強(qiáng)烈。

1 石油鉆機(jī)柴油機(jī)動力改電動機(jī)動力需解決的問題

石油鉆機(jī)柴油機(jī)動力改電動機(jī)動力在實(shí)施上是完全可行的，但還有幾個方面的問題需要解決：

(1)在電動機(jī)的選擇上，355 kW交流電動機(jī)是目前400 V電壓下可長時間穩(wěn)定運(yùn)行的最大功率電動機(jī)，也就是說，如果選用常壓電動機(jī)，1臺電動機(jī)不能滿足石油鉆機(jī)的動力需求，需要2臺或2臺以上電動機(jī)并車組成電動機(jī)組來提供動力。

(2)如果選擇大功率的高壓電動機(jī)，工作電壓為600 V及以上，不適用于常規(guī)電網(wǎng)，常規(guī)市電接入后需經(jīng)升壓變壓器升壓后才能滿足。

(3)4級電動機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速1460 r/min，而柴油機(jī)正常工作時輸出轉(zhuǎn)速為1250 r/min，電動機(jī)和柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)速差距較大，電動機(jī)需經(jīng)減速機(jī)減速后才能符合動力輸入轉(zhuǎn)速的要求。

(4)如果選擇大功率直流調(diào)速電動機(jī)，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，解決柴油機(jī)動力和電動機(jī)動力轉(zhuǎn)速不一致問題，但直流調(diào)速電動機(jī)附屬裝置多，控制柜的維護(hù)需高級電工才能操作，人力物力投入較大。

2 改型方案的選擇

經(jīng)問題分析，可以得出三種電動改型方案。

方案一：采用2臺355 kW常壓電動機(jī)并車組成電動機(jī)組，替代柴油機(jī)作為石油鉆機(jī)動力。

方案二：采用1臺高壓大功率電動機(jī)經(jīng)減速機(jī)減速后，直接替代柴油機(jī)作為石油鉆機(jī)動力。

方案三：采用1臺大功率直流調(diào)速電動機(jī)直接替代柴油機(jī)作為石油鉆機(jī)動力。

三種方案均能滿足功率和轉(zhuǎn)速的要求，但從方案實(shí)施的經(jīng)濟(jì)性和使用、維護(hù)的方便性對比，方案一配備常規(guī)的自耦式減壓啟動柜就可以啟動，改啟動柜具有價格低，在惡劣工況中穩(wěn)定性好，不易損壞，易維修等優(yōu)點(diǎn)；方案二需配備增壓變壓器和高壓電動機(jī)啟動柜，二者不但價格高，而且對環(huán)境要求高，還需設(shè)置安全防護(hù)區(qū)域，在維護(hù)方面需要有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)電工才能勝任；方案三所需的大功率直流電動機(jī)啟動柜和控制柜存在和方案二同樣的問題，設(shè)備投入大、環(huán)境要求高、需有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)電工操作。經(jīng)對比，并結(jié)合野外鉆井施工的實(shí)際條件、人員狀況及經(jīng)濟(jì)性、可靠性要求，不難看出，方案一是適應(yīng)鉆井施工的柴油機(jī)動力改電動機(jī)動力的最優(yōu)方案。

3 方案優(yōu)化與實(shí)施

ZJ30鉆機(jī)柴油機(jī)動力配置為2臺濟(jì)柴12V190柴油機(jī)(見圖1)，單臺功率為996 kW，在一般鉆進(jìn)時，通常采用1臺柴油機(jī)作為動力驅(qū)動鉆機(jī)和1臺F1300泥漿泵工作，另1臺柴油機(jī)備用。只有在3000 m以上深孔作業(yè)時才會用到2臺柴油機(jī)并車驅(qū)動。在柴油機(jī)動力改電動機(jī)動力時，我們設(shè)計保留1臺柴油機(jī)作為停電，或電動機(jī)故障時的備用動力，把另1臺柴油機(jī)替換為2臺355 kW電動機(jī)組成的電動機(jī)機(jī)組。2臺電動機(jī)總功率710 kW，1臺12V190柴油機(jī)雖額定功率為996 kW，但此功率對應(yīng)轉(zhuǎn)速為1500 r/min，而一般12V190柴油機(jī)在工作時的轉(zhuǎn)速為1250 r/min，此時輸出功率與2臺355 kW電動機(jī)基本相當(dāng)，可滿足要求。采用2臺電動機(jī)并車驅(qū)動，可在開孔和淺井施工時僅使用1臺電動機(jī)驅(qū)動，這樣在功耗上就更小了，完全體現(xiàn)了節(jié)能的使用要求。

圖1 ZJ30鉆機(jī)柴油機(jī)動力圖

雙電動機(jī)并車動力機(jī)組應(yīng)用效果的好壞完全取決于設(shè)計方案的合理性。首先是雙電動機(jī)的并車方案選擇，常用的并車方案一般有三種：皮帶并車、鏈條并車和齒輪并車。皮帶并車是一種最簡單的并車方式，最容易實(shí)現(xiàn)，但皮帶并車為了保證傳動效果，皮帶的張緊力比較大，在小功率并車中常用，在大功率機(jī)組并車時易出現(xiàn)支撐軸承使用壽命短的問題，所以在大功率并車時一般不采用；鏈條并車在石油鉆機(jī)上采用較多，一般都用于減速之后的低速并車，在高速并車時，如發(fā)生鏈條斷裂將造成重大事故，所以在高速并車時不建議采用；齒輪并車具有適用轉(zhuǎn)速范圍廣、接合平穩(wěn)、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)并車與減速一體化，可有效減少動力機(jī)組部件數(shù)量，使結(jié)構(gòu)更加緊促，更方便動力機(jī)組的布置。

雙電動機(jī)動力機(jī)組傳動路線見圖2。2臺電動機(jī)并列布置，電動機(jī)動力輸出后經(jīng)液力耦合器、氣胎離合器、進(jìn)入齒輪減速并車箱。并車后輸出轉(zhuǎn)速1250 r/min，與柴油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速一致，并車箱動力輸出盤與原鉆機(jī)動力輸入盤連接。液力耦合器的作用是使兩臺電動機(jī)在并車使用時可以受載均衡，不會產(chǎn)生2臺電動機(jī)因受載不同而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速不一致，造成并車時輸入干涉的問題。氣胎離合器可以單獨(dú)控制2臺電動機(jī)的離、合，實(shí)現(xiàn)啟動時的依次啟動，逐臺并入和任何1臺電動機(jī)的單獨(dú)使用。減速并車箱采用雙輸入單輸出，三軸傳動，在并車的同時通過調(diào)整齒輪傳動比實(shí)現(xiàn)降速要求。

圖2 雙電動機(jī)動力機(jī)組傳動路線圖

在加工制造中需要著重注意的是各部件的加工精度和裝配精度。兩臺大功率電動機(jī)在近距離并排布置時，如果中心高或平行度偏差較大極易造成共振現(xiàn)象，使設(shè)備由于振動過大而不能正常工作。要避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生就要提高零件的加工精度并降低表面粗糙度，提高機(jī)架和各連接部件的剛度及安裝面的加工精度，在安裝時還要嚴(yán)格控制裝配精度。

4 試車和實(shí)際應(yīng)用情況

機(jī)組試制完成后進(jìn)行空載試運(yùn)轉(zhuǎn)，見圖3。先啟動1臺電動機(jī)，啟動后運(yùn)行平穩(wěn)無振動，接入并車箱后運(yùn)行平穩(wěn)無噪音，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2 h無軸承、并車箱過熱現(xiàn)象；再關(guān)閉此臺電動機(jī)，啟動另1臺電動機(jī)，啟動后運(yùn)行平穩(wěn)無振動，接入并車箱后運(yùn)行平穩(wěn)無噪音，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2 h無軸承、并車箱過熱現(xiàn)象；再啟動前1臺電動機(jī)，接入并車箱后運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)速不一致、并車?yán)щy等問題，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)8 h無軸承、并車箱過熱現(xiàn)象，空載試車成功。

圖3 空載試車現(xiàn)場圖

電動機(jī)組試車成功后在我中心鉆探公司ZJ30鉆機(jī)上改裝使用。在河北省邢臺市寧晉縣進(jìn)行了一口2800 m鹽井施工，在整個施工過程中前1000 m采用單臺電動機(jī)驅(qū)動，1000 m以后采用2臺電動機(jī)并車驅(qū)動，從開孔到成井整個過程中電動機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)良好，未出現(xiàn)故障問題。與以往柴油機(jī)動力施工對比節(jié)約了60%的能源成本，達(dá)到了節(jié)能的目的。現(xiàn)場工作人員反映省去了柴油機(jī)的定時保養(yǎng)，操縱、維護(hù)變得更簡單了，解決了柴油機(jī)工作噪音問題，工作環(huán)境有顯著改善。

5 結(jié)語

石油鉆機(jī)柴油機(jī)動力改電動機(jī)動力，在電力供應(yīng)充沛地區(qū)有著顯著的優(yōu)勢，也是行業(yè)發(fā)展的趨勢。柴油機(jī)動力改電動機(jī)動力應(yīng)用成功后，勢必會在上述地區(qū)大量使用，推廣前景廣闊。

[1] 全國石油鉆采設(shè)備和工具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. 石油鉆機(jī)和修井機(jī): GB/T 23505—2009[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007.

[2] 全國石油鉆采設(shè)備和工具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. 石油天然氣工業(yè) 鉆井和修井設(shè)備: GB/T 17744—2008[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[3] 全國石油鉆采設(shè)備和工具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. 石油天然氣工業(yè)用柴油機(jī): SY/T 5030—2006[S].北京:石油工業(yè)出版社, 2007.

[4] 全國石油鉆采設(shè)備和工具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. 石油鉆機(jī)形式與基本參數(shù): SY/T5609—1999[S].

[5] 中國工業(yè)機(jī)械聯(lián)合會. 回轉(zhuǎn)式水井鉆機(jī)技術(shù)條件: JB/T 6501—2007[S].

[6] 葛濱海, 王建俊, 鄒榮, 等. 網(wǎng)電替代柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)在石油鉆井隊的應(yīng)用[J]. 資源節(jié)約與環(huán)保, 2013(2):3-4.[7] 孫松堯.鉆井機(jī)械[M]. 北京:石油工業(yè)出版社, 2006.

[8] 機(jī)械設(shè)計實(shí)用手冊編委會. 機(jī)械設(shè)計實(shí)用手冊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

2017-01-03

滿國祥(1979-)，男，河北河間人，河北省地礦局國土資源勘查中心副總工程師，機(jī)械設(shè)計專業(yè)，主要從事地質(zhì)機(jī)械研發(fā)工作，河北省石家莊市中山西路800號，E-mail：man1979@126.com。

P634.31，TE922

A

1009-282X(2017)02-0011-02