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摘 要：我公司一套液压顶驱使用单独柴油机作为动力源，在现场使用中存在耗油量过高和维护、维修困难等不足之处，因此设计用一台电机代替柴油机驱动液压源，从机械和电气两个方面设计技术方案进行改造。
关键字：液压顶驱软启动器发电机并车节能发电机
中图分类号: TE文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(b)-0000-00
顶驱现在是打特殊井必备的设备之一，我公司这套顶驱为350t液压顶驱使用两年来在非常规井和水平井的施工中发挥了非常重要的作用，是甲方非常规井施工必须配备的关键设备，但是使用过程中逐渐发现存在一些不足之处，主要有两方面：
(1)能耗成本高：使用独立的540千瓦的VOLVO发动机为液压系统提供动力，发动机一口井基本在连续运转，空载和低负荷时消耗柴油过高，另外沃尔沃的机油和三滤等消耗品以及其他备件使用费用过高。
(2)运转风险高：该型号柴油机没有备用，零部件较多，运动器件多，由于VOLVO发动机在连续运转，维护保养困难，一旦机组出现故障，将导致顶驱整体瘫痪，将导致工程事故的连锁出现，尤其是在施工后期的关键阶段，其经济损失无法估量。
因此借鉴其他顶驱的驱动方式和机械传动的特点提出一个动力系统的改进方案：使用一台与顶驱液压系统相匹配的电动机来替代沃尔沃柴油机。
1 技术改造方案
1.1 机械方面
在去除原来沃尔沃柴油机的空间上放置一台355KW三相异步电机和传动比为1:1.2的齿轮传动箱。355KW电机的实际转速为1487rpm,经过传动箱的变比到达液压泵齿轮箱的转速为1785rpm，基本与原来的沃尔沃柴油机1800转的转速相当，而且电机的转速与电源频率有关，有正负两赫兹的调节范围，完全可以满足使用要求。液压泵与增速箱的连接充分考虑减震和固定。中间的连接器的选择有三方面的考虑1、功率传递要求2、安装、更换的方便性3、防止驱动端出现问题时保护液压泵的需要，综合这几方面的因素选用双尼龙棒连接方式。
考虑井场实际发电机功率（单台发电机400KW，即并车时最大电流770*2=1540A），电源电流必须满足最小≥2倍电机额定电流，（必须为其他负荷留出一定的容量），否则启动时间过长，影响其他设备运行。355KW电机额定电流628A，628*2=1256A。故选用355KW电机比较合适且通过下面的分析其功率可以满足日常驱动要求。
根据原有顶驱液压泵的技术参数，当顶驱输出扭矩为N=30000N.m、顶驱输出转速为M=100rpm液压马达功率P=M*N/9550=30000*100/9550=314KW,当液压管线不泄露的情况下液压马达功率等于液压泵的功率输出。P=压力*流量/60，所以顶驱输出最大扭矩时液压泵的排量=314*60/35=540L/min，单泵排量=540*1000/2100/2=130ml/转。单泵的最大利用率=130/229=0.57,单泵驱动电机功率P=35*130*35/0.9=177KW，双液压泵同时工作时最大需要驱动电机功率=177*2/0.98=360KW。当液压马达转速为68rpm时，顶驱输出扭矩N=9550*314/68=44100N.m。完全满足顶驱设计扭矩输出。另外电机具备小于2分钟1.5倍过载能力，在钻井过程中复杂工况下偶尔需要超大扭矩时可以满足功率要求。
为了满足液压泵在全速运行时输出压力可以达到350bar，液压泵扭矩=9550*177*2/2100=1610nm。由于两个齿轮箱均为增速箱所以实际驱动电机的扭矩=1610*1.17*1.2=2260n.m。要满足最大扭矩驱动电机的功率需达到P=2260/9550*1487=352KW。扭矩N=9550*355/1487=2280N.M，正好可以满足驱动扭矩需求。
1.2 电气驱动方面
1.2.1 电机启动方式选择
355千瓦的电机的电机不可能采用直接启动的方式，必须采用降压启动方式，常用的降压启动方式有星三角启动、自耦减压启动和串接起动电阻启动和软起动器启动。对于前俩种启动方式没有这样容量的启动器，串接起动电阻的方式需要配置大约一立方的启动液，体积比较庞大，不适合在现场改造，所以该电机采用软启动器启动，接触器旁路运行的方式，在电控房安装一台单独的驱动柜，这种方式非常成熟可以充分利用软启动器的各项保护功能。考虑到是驱动液压泵，所以选用施耐德 400KW重载软启动器和施耐德800安旁路接触器，并且安装一个施耐德800A万能断路器控制电源。软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，平滑启动，降低启动电流。待电机启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。
1.2.2 发电机系统的改造
考虑井场实际发电机是一台300千瓦一台400千瓦而且不能并车，300千瓦发电机本来就无法充分满足井队各种用电负荷的需求，现在任一个单台发电机电机无法满足顶驱电机启动要求和带上顶驱以后的功率需求，因此在现有的条件下更换两台400千瓦的沃尔沃发电机组并且把控制系统改造配备一个并机柜，并机系统采用美国进口的deep sea控制器，实现两台发电机同步并车和功率分配，这样并车时最大电流可以达到770*2=1440A。
由于一个沃尔沃发电机无法负担全部井场用电功率，从安全角度和节能的角度考虑应当充分利用节能发电机。井队的节能发电机是由190柴油机驱动的一种不用调速、有效节约燃油的发电机。考虑到设备管理方便和更换的通用性以及整体井场用电负荷的容量决定选用现在公司40LDB钻机上使用的586千瓦，1020安的大功率的节能发电机。这样一台节能发电机既可以满足包括顶驱在内全井场用电负荷，又可以满足驱动电机的启动要求，提高了整个供电的安全系数。由于原节能发电机的皮带轮直径和皮带数量不能满足使用的需求，因此经过计算把皮带轮直径由38厘米到40厘米，增加2厘米，皮带数量由9根增加到12根，即满足柴油机驱动时的转速范围1150-1250转/分钟,对应节能发电机频率48-52赫兹。这样整个发电系统改造后可以极大地提高井队用电安全，扩充总容量，又可以经济、充分满足启动顶驱电机的冲击和驱动顶驱负载的需求。
3 使用效果
在樊154-平3井经现场使用到现在，经受了钻井各种复杂工况的连续考验，一直平稳运转，应用效果良好，证明改造的方案和技术措施以及元器件的选用等正确、比较完善，达到了整修改造的目的，有效减少柴油消耗和维护保养费用同时减少VOLVO大修费用、磨损费用。
通过以上分析和实际验证，改造后月度减少费用可达9万余元，年度百万元万元。这套系统的改造直接改造费用在40余万元，间接费用包括发电机和节能发电机的更换80余万元。通过综合分析，可以在4个钻机月内收回直接成本，一年内可以收回全部费用。另外使用电机驱动顶驱后，为公司现在正在实施的利用工业电网的井队网电改造创造了有利条件，解决了液压顶驱的驱动问题，更加发挥节能和安全的优势。这种改造方式为以后配备的各种液压顶驱的驱动方式提供了另外一种思路和借鉴。
关键字：液压顶驱软启动器发电机并车节能发电机
中图分类号: TE文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(b)-0000-00
顶驱现在是打特殊井必备的设备之一，我公司这套顶驱为350t液压顶驱使用两年来在非常规井和水平井的施工中发挥了非常重要的作用，是甲方非常规井施工必须配备的关键设备，但是使用过程中逐渐发现存在一些不足之处，主要有两方面：
(1)能耗成本高：使用独立的540千瓦的VOLVO发动机为液压系统提供动力，发动机一口井基本在连续运转，空载和低负荷时消耗柴油过高，另外沃尔沃的机油和三滤等消耗品以及其他备件使用费用过高。
(2)运转风险高：该型号柴油机没有备用，零部件较多，运动器件多，由于VOLVO发动机在连续运转，维护保养困难，一旦机组出现故障，将导致顶驱整体瘫痪，将导致工程事故的连锁出现，尤其是在施工后期的关键阶段，其经济损失无法估量。
因此借鉴其他顶驱的驱动方式和机械传动的特点提出一个动力系统的改进方案：使用一台与顶驱液压系统相匹配的电动机来替代沃尔沃柴油机。
1 技术改造方案
1.1 机械方面
在去除原来沃尔沃柴油机的空间上放置一台355KW三相异步电机和传动比为1:1.2的齿轮传动箱。355KW电机的实际转速为1487rpm,经过传动箱的变比到达液压泵齿轮箱的转速为1785rpm，基本与原来的沃尔沃柴油机1800转的转速相当，而且电机的转速与电源频率有关，有正负两赫兹的调节范围，完全可以满足使用要求。液压泵与增速箱的连接充分考虑减震和固定。中间的连接器的选择有三方面的考虑1、功率传递要求2、安装、更换的方便性3、防止驱动端出现问题时保护液压泵的需要，综合这几方面的因素选用双尼龙棒连接方式。
考虑井场实际发电机功率（单台发电机400KW，即并车时最大电流770*2=1540A），电源电流必须满足最小≥2倍电机额定电流，（必须为其他负荷留出一定的容量），否则启动时间过长，影响其他设备运行。355KW电机额定电流628A，628*2=1256A。故选用355KW电机比较合适且通过下面的分析其功率可以满足日常驱动要求。
根据原有顶驱液压泵的技术参数，当顶驱输出扭矩为N=30000N.m、顶驱输出转速为M=100rpm液压马达功率P=M*N/9550=30000*100/9550=314KW,当液压管线不泄露的情况下液压马达功率等于液压泵的功率输出。P=压力*流量/60，所以顶驱输出最大扭矩时液压泵的排量=314*60/35=540L/min，单泵排量=540*1000/2100/2=130ml/转。单泵的最大利用率=130/229=0.57,单泵驱动电机功率P=35*130*35/0.9=177KW，双液压泵同时工作时最大需要驱动电机功率=177*2/0.98=360KW。当液压马达转速为68rpm时，顶驱输出扭矩N=9550*314/68=44100N.m。完全满足顶驱设计扭矩输出。另外电机具备小于2分钟1.5倍过载能力，在钻井过程中复杂工况下偶尔需要超大扭矩时可以满足功率要求。
为了满足液压泵在全速运行时输出压力可以达到350bar，液压泵扭矩=9550*177*2/2100=1610nm。由于两个齿轮箱均为增速箱所以实际驱动电机的扭矩=1610*1.17*1.2=2260n.m。要满足最大扭矩驱动电机的功率需达到P=2260/9550*1487=352KW。扭矩N=9550*355/1487=2280N.M，正好可以满足驱动扭矩需求。
1.2 电气驱动方面
1.2.1 电机启动方式选择
355千瓦的电机的电机不可能采用直接启动的方式，必须采用降压启动方式，常用的降压启动方式有星三角启动、自耦减压启动和串接起动电阻启动和软起动器启动。对于前俩种启动方式没有这样容量的启动器，串接起动电阻的方式需要配置大约一立方的启动液，体积比较庞大，不适合在现场改造，所以该电机采用软启动器启动，接触器旁路运行的方式，在电控房安装一台单独的驱动柜，这种方式非常成熟可以充分利用软启动器的各项保护功能。考虑到是驱动液压泵，所以选用施耐德 400KW重载软启动器和施耐德800安旁路接触器，并且安装一个施耐德800A万能断路器控制电源。软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，平滑启动，降低启动电流。待电机启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。
1.2.2 发电机系统的改造
考虑井场实际发电机是一台300千瓦一台400千瓦而且不能并车，300千瓦发电机本来就无法充分满足井队各种用电负荷的需求，现在任一个单台发电机电机无法满足顶驱电机启动要求和带上顶驱以后的功率需求，因此在现有的条件下更换两台400千瓦的沃尔沃发电机组并且把控制系统改造配备一个并机柜，并机系统采用美国进口的deep sea控制器，实现两台发电机同步并车和功率分配，这样并车时最大电流可以达到770*2=1440A。
由于一个沃尔沃发电机无法负担全部井场用电功率，从安全角度和节能的角度考虑应当充分利用节能发电机。井队的节能发电机是由190柴油机驱动的一种不用调速、有效节约燃油的发电机。考虑到设备管理方便和更换的通用性以及整体井场用电负荷的容量决定选用现在公司40LDB钻机上使用的586千瓦，1020安的大功率的节能发电机。这样一台节能发电机既可以满足包括顶驱在内全井场用电负荷，又可以满足驱动电机的启动要求，提高了整个供电的安全系数。由于原节能发电机的皮带轮直径和皮带数量不能满足使用的需求，因此经过计算把皮带轮直径由38厘米到40厘米，增加2厘米，皮带数量由9根增加到12根，即满足柴油机驱动时的转速范围1150-1250转/分钟,对应节能发电机频率48-52赫兹。这样整个发电系统改造后可以极大地提高井队用电安全，扩充总容量，又可以经济、充分满足启动顶驱电机的冲击和驱动顶驱负载的需求。
3 使用效果
在樊154-平3井经现场使用到现在，经受了钻井各种复杂工况的连续考验，一直平稳运转，应用效果良好，证明改造的方案和技术措施以及元器件的选用等正确、比较完善，达到了整修改造的目的，有效减少柴油消耗和维护保养费用同时减少VOLVO大修费用、磨损费用。
通过以上分析和实际验证，改造后月度减少费用可达9万余元，年度百万元万元。这套系统的改造直接改造费用在40余万元，间接费用包括发电机和节能发电机的更换80余万元。通过综合分析，可以在4个钻机月内收回直接成本，一年内可以收回全部费用。另外使用电机驱动顶驱后，为公司现在正在实施的利用工业电网的井队网电改造创造了有利条件，解决了液压顶驱的驱动问题，更加发挥节能和安全的优势。这种改造方式为以后配备的各种液压顶驱的驱动方式提供了另外一种思路和借鉴。