節能發電機技術的標準化

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.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安710054；3.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020）

1 引言

在石油鉆機中，由于鉆機的裝機功率與實際使用功率存在差異，富余功率較多；另外，在柴油機液力耦合器整體鏈條箱并車、統一驅動方案的鉆機中，使用節能發電機安裝容易，傳動簡單。因此在統一驅動方案的鉆機中將剩余功率用來驅動節能發電機，減少一臺輔助柴油發電機，只配備一臺輔助發電機作為應急備用，可以達到節約燃料，降低成本，提高效益的目的。

2 設計方案

除電動鉆機外，國內石油機械鉆機普遍采用國產12V190柴油機作動力，通過液力耦合并車驅動或采用獨立驅動單元，為絞車、轉盤、泥漿泵等提供動力，另外配備2臺輔助柴油發電機組為固控循環系統和井場照明系統、控制系統的用電設備提供電源。但在統一驅動方案的鉆機中，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，通過合理設計傳動比或附加增速系統，用以驅動節能發電機，并采用氣胎離合器連接和控制，在正常鉆進的過程中，可以為整個井場提供電源。整體并車鏈條箱在鉆機設計中解決了三大問題：

（1）在設計上實現了模塊化，方便了鉆機的快速搬遷和找正安裝；

（2）在鉆機的動力匹配上實現了柴油機功力互補，避免了單臺柴油機功率過剩或過載，為利用鉆機剩余功率以驅動節能發電機提供了條件；

（3）在結構設計上為使用節能發電機提供了方便，只需在整體鏈條箱的一號傳動軸或附加傳動軸取力，通過較簡單的設計和制造即可實現節能發電機的連接和控制。

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液力耦合器輸入動力，另一端用來驅動節能發電機。但該軸的轉速低于節能發電機轉速，因此需要增速。采用皮帶輪進行增速是經濟可行、技術成熟的方案。但值得注意的是傳動比的設計要與實際工況相適應。G12V190ZL-3型柴油機標定的額定轉速為1300r／min，液力耦合器的傳動比為1.95。按該轉速計算，整體傳動鏈條箱輸入軸轉速為666r／min，而在現場使用中，柴油機的使用轉速通常在1150-1200r／min，由此計算出一號傳動軸的轉速在590-615r／min之間，而選用的節能發電機額定轉速為1000r／min。因此，節能發電機的傳動設計必須以柴油機工作轉速1150-1200r／min為標準，使節能發電機的實際輸入轉速與標定額定工作轉速保持一致，保證節能發電機與井場各用電設備的參數要求相適應。

在該方案中采用皮帶輪取力和傳動具有兩大優點：①解決了由于泥漿泵干涉造成的節能發電機不便于安裝的問題；②傳動設計制造簡單，只需合理設計主動輪、從動輪直徑和傳動功率即可實現。節能發電機在ZJ40L鉆機中的傳動簡圖如圖1所示。

方案二：在整體傳動鏈條箱上附加鏈條軸取力，其傳動設計在整體鏈條箱內完成，采用萬向軸連接，用同軸式通風氣胎離合器進行動力的控制。節能發電機與柴油機同側布置在后臺機房底座上。

ZJ45鉆機改造升級為ZJ50LDB鉆機，采用3臺G12V190PZL-3型810kW柴油機、液力耦合器、整體鏈條箱并車驅動，轉盤采用交流變頻獨立驅動。F320鉆機改造升級為ZJ70LDB鉆機，采用3臺A12V190型1100kW柴油機、液力耦合器、整體鏈條箱并車驅動，轉盤采用交流變頻獨立驅動。兩種改造鉆機均采用節能發電機取代1臺輔助柴油發電機，節能發電機除了為循環系統、井場照明系統、控制系統等用電設備提供電源外，還通過變壓器調壓后為交流變頻獨立驅動轉盤的電機提供電源。

節能發電機在ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機中的傳動簡圖如圖2所示。

圖2 節能發電機在ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機中的傳動簡圖

3 節能發電機的選型

根據鉆機的工況特點，選用的節能發電機為IFC6系列無刷恒壓同步發電機，該系列發電機具有功率覆蓋面廣、調壓精度高、動態性能好、電壓波動率小、效率高、結構緊湊、維修方便、工作可靠、使用壽命長、經濟性能好等特點。

（1）功率選擇

節能發電機功率參數應與鉆機整個井場實際用電負荷相匹配。井場用電負荷包括循環系統、井場照明系統、風冷盤剎及風冷電磁剎車電機、儀表控制系統及營區供電等，作為交流變頻獨立驅動轉盤的鉆機，還需同時向轉盤電機供電，通常其功率選擇必須滿足鉆機最大用電負荷的需要。如表1所示為鉆機用電設備功率統計表。

ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機因轉盤采用交流變頻獨立驅動，因此節能發電機的主要用途是通過變壓器調壓后給轉盤電機供電；而ZJ40L鉆機配備的節能發電機給整個井場供電。因此，在ZJ70LDB、ZJ50LDB改造鉆機中選用的節能發電機額定功率為640kW（800kVA），在新購ZJ40L鉆機中選用的節能發電機額定功率為400kW（500kVA）。

表1 鉆機用電設備功率統計表

（2）轉速選擇

節能發電機的轉速通常有1500（4極）、1000（6極）、750（8極）、和 600（10極）r／min，鉆機中目前使用的節能發電機轉速均選擇1000r／min。如表2所示為節能發電機技術參數表。

表2 節能發電機技術參數表

4 工況分析

（1）功率匹配問題

節能發電機是在綜合利用鉆機柴油機剩余功率的基礎上發展起來的。

ZJ70LDB鉆機裝機功率（不含輔助發電機）：1100kW×3＝3300kW；

ZJ50LDB鉆機裝機功率（不含輔助發電機）：810kW×3＝2430kW；

ZJ40L鉆機裝機功率（不含輔助發電機）：810kW×3＝2430kW。

鉆機在正常鉆進過程中，其最大負荷的工況為開雙泵鉆進，此時鉆機所需功率為：

ZJ70LDB 鉆機：960×2×0.8＝1536kW；

ZJ50LDB 鉆機：960×2×0.8＝1536kW；

ZJ40L 鉆機：（330＋960×2）×0.8＝1800kW。

根據以上分析：ZJ70LDB鉆機其使用的功率不足配備功率的47%；ZJ50LDB鉆機其使用的功率不足配備功率的64%；ZJ70LDB鉆機其使用的功率不足配備功率的74%。特別是在現代機械鉆機或復合驅動鉆機中，多采用整體鏈條箱統一驅動方案，由此在鉆機的動力配備上實現了功率互補，為綜合利用鉆機富余功率驅動節能發電機創造了有利條件。

（2）頻率及電壓波動的問題

在改造過的ZJ70LDB、ZJ50LDB鉆機中，由于交流變頻獨立驅動的轉盤具有多重自動保護功能，由于掛泵過程引起的發電機頻率和電壓波動，經常導致轉盤電機自動保護而停止運轉。滿足供電要求的柴油機轉速為1180rpm，不能滿足泥漿泵的沖數和單位時間內泥漿排量，不能保證快速鉆井。使用電氣設備功率超過220kW時，頻繁出現跳閘停電情況。表3為AF60-331000技術參數。

在聯動機負荷變化小的情況下，通過在節能發電機勵磁系統中安裝電子電壓調節器，使發電機的勵磁電流隨負載情況而自動調節，從而保持發電機的電壓恒定。但是在停泵開泵的工況下聯動機負荷急劇變化，造成聯動機轉速大范圍波動，節能發電機的保護系統動作，極易造成跳閘。從而導致全井場停電，鉆井作業處于停止的不安全狀態。

表3 技術參數

鉆井作業的這種情況導致現有的節能發電機在口井的作業中利用率極低，這就要引入穩頻穩壓裝置的應用。在該裝置中加入不間斷供電系統，可有效地保護井場供電的連續性和穩定性。

（3）穩頻穩壓裝置

大功率變頻電源是采用高頻電力電子開關變換技術，產品電壓、頻率均有±20%的調節范圍，可適用于三相平衡負載或完全不平衡負載，任意相均可作為單相電源使用。

（4）節能發電機和輔助發電機的切換

在鉆進過程中，節能發電機正常工作，輔助柴油發電機作為備用，因此節能發電機和輔助發電機一樣，在MCC房內可以實現相互切換。

5 經濟效益分析

節能發電機使用后，其產生的經濟效益可以從以下兩個方面來體現。

一是減少一臺柴油機耗油，其節能指標顯而易見。以1臺C500D5進口康明斯柴油發電機組為例，其額定功率440kW，持續功率400kW，該機組的 油 耗 為 103 升 ／小 時 （103 升 ／小 時 ×0.85＝87.55kg／小時）。

二是根據柴油機的負荷特性曲線分析，在正常鉆進中，其使用功率不足配備功率的70%，在利用柴油機富余功率驅動節能發電機后，柴油機負荷率可達90%以上，根據柴油機的負荷特性曲線分析，此時柴油機基本處于最佳經濟負荷狀態。因此，柴油機在掛合節能發電機后，雖然其輸出功率增大，但其油耗只略有增加。

使用節能發電機后，3臺P12V190ZL-3柴油機油耗增加量為：

使用節能發電機后每小時節約柴油消耗：

節能發電機每年按200天計算，其每年產生的節能指標為：

另外，每臺節能發電機每年還可節約潤滑油、冷卻液及常規維護配件費用、修理費用等1萬余元。

6 結論

節能發電機在某油田的ZJ70LDB、ZJ50LDB、ZJ40L（共6臺）鉆機上得到了成功應用，取得了良好的經濟效益。在2006年新購置的4臺機械鉆機中，也配備了相應的節能發電機。通過現場應用實踐表明，用節能發電機取代1臺輔助發電機為鉆機控制系統、固控循環系統、照明系統以及為交流變頻獨立驅動的轉盤提供電源，除具有顯著的節能效益外，還具有以下優點。

（1）節能發電機安裝、搬遷運輸方便，維護保養工作量小，維護費用低；

（2）經幾年的使用實踐證明，節能發電機運行穩定，故障少；

（3）勵磁系統采用電子電壓調節器后，其工作電壓穩定，波動小，對鉆機工況適應能力強；

（4）使用節能發電機可節省人力，發電機可以由柴油機工代管；

（5）搬遷車輛減少一個車次；

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

總之，通過在油田的應用實踐證明，節能發電機的應用是一項成熟的技術，該技術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濟效益，而更重要的是它能把鉆機的富余功率有效利用起來，既節約能源又降低排放，成為在石油行業有效推行清潔生產的一個很好的示例。