海上吊機柴電雙驅液壓系統設計研究與應用

喬亞軍，張 浩，羅廷文

（1.中海石油（中國）有限公司遼東作業公司，天津 300452；2.中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

0 引言

海上平臺起重機是海洋石油生產中最重要的生產和安全設備之一，它不僅要負責常規的生產吊裝作業，還為平臺人員的生活和安全保駕護航，因此海上吊機同樣作為海上的應急設備之一，在特殊情況下必須保證其動力系統正常工作。隨著新環保法的推廣實施，提高了柴油機煙氣的排放要求，而海上吊機所常用的卡特3406型號柴油機排放不滿足新要求，卡特彼勒公司已停止生產此型號柴油機，從而影響了此型號柴油機的維保工作，從而影響吊機的運行。

為了解決以上問題，同時提高保證吊機后續的可用率，故提出對吊機進行柴電雙驅系統設計，利用電網富余電能，以電機驅動作為吊機的主要動力源，柴油機驅動作為應急動力源。機能減少吊機的柴油消耗，實現節能減排，減少油田生產成本費用，又能保證吊機在應急情況下的使用。

柴電雙驅系統是在中國海洋石油范圍內，乃至全國吊車領域內的首次大膽創新設計應用，實施后可以實現柴油機驅動和電動機驅動的自由轉換，并通過安全控制系統保證系統轉換的完整性。每年能夠為平臺直接節省柴油消耗和備件消耗，同時技能保證失電狀態下柴油機的應急保障功能，還能實現電機驅動模式下的“零”消耗和“零”排放，達到節能減排效果。

1 液壓系統設計

海上吊機柴電雙驅系統是由電動機、電動機泵組、柴油機、柴油機泵組、切換控制閥以及完整的控制系統組成[1]。通過將柴油機帶動的液壓泵組與電動機帶動的液壓泵組進行并聯，通過控制閥對兩套系統的切換來更換驅動液壓系統的動力源，從而實現電動機驅動和柴油機驅動的轉換。

為了保證不破壞原液壓系統的完整性，將電動機驅動液壓泵動力系統同樣設計為負載傳感系統，原理圖見圖二。利用三通球閥與原系統的吸油管線并聯，在出油口增加單向閥保護液壓泵，并通過三通與柴油機驅動端液壓泵出口進行并聯。同時保證新液壓泵與原多路閥相匹配，達到公用一套控制系統，只將動力系統進行切換的目的，合理利用原有資源進行改造[3]。新增一套冷卻循環系統，利用第三聯泵將液壓油輸送至風冷器，利用電機風扇對液壓油進行冷卻，同時增加溫度傳感器，對溫度實現自動控制。

2 元器件選擇

2.1 液壓泵選型計算

旅大平臺起重機原柴油機輸出端采用的為德國力士樂液壓泵組，規格為：

A11VLO190LRDS+A11VLO190LRDS+YB-FQ125/8，柴油機的工作轉速為1 800 r/min。

柴油機泵組的主泵總排量q=190+190=380 ml/r

在1 800 r/min時容積效率取95%，

總流量Q=380 1800 0.95 1000=649.8 L/min。

而電動機的額定轉速為1500 r/min，因此可知需要液壓泵總排量：

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q=649.8 1000 1500 0.95=456 ml/r。

根據力士樂液壓泵規格，電機驅動端主液壓泵選用為：

A11VLO260LRDS+A11VLO190LRDS

主泵總流量為（260+190） 1500 0.95 1000=641.3 L/min

改造后電機泵組與柴油機泵組流量僅相差8.5 L/min，可忽略不計，滿足系統使用要求[4]。

控制泵同樣選用與原車相同的YB-FQ125/8。

2.2 電動機選型計算

原柴油機功率為344 kW，由于柴油機輸出效率較低，所以柴油機功率不作為選擇電動機功率的參考值。電動機功率通過表1和表2液壓泵的最大功率可以算出。

A11VLO260恒功率調定，見表1。

根據液壓泵出廠時調定的恒功率值得出兩泵在30 MPa時最大功率為115+160=275 kW，而吊機液壓系統壓力值最高為20 MPa，功率值為100.8+135.3=236.1 kW。

根據ABB電動機規格，選用電機功率為250 kW。

圖1 原車液壓原理圖

圖2 雙驅液壓原理圖

表1 A11VLO190泵恒功率調定表

表2 A11VLO260泵恒功率調定表

2.3 風冷器選型計算

液壓油箱容積為1 135.5 L，溫度從30℃升到70℃約30分鐘。液壓油的當量熱容量C油為1.88 kJ/kg，液壓油的密度ρ油為0.915 kg/L。可算出產生的熱功率為：

PV＝ΔT C油ρ油V/t/60

PV＝(70-30) 1.88 0.915 2000/45/60

PV＝50.97 kW

按照系統正常工作的最佳期望油溫來計算當量冷卻功率：

P01＝PV/(T1－T2)

該系統的最佳期望油溫為T1為50℃，當時的環境溫度T2為25℃，從而算得：

P01＝50.97/(50－25)

P01＝2.04 kW/℃

根據計算出的當量冷卻功率按照圖3所示風冷器的冷卻特性曲線選擇風冷器規格，所選型號必須同時能滿足系統流量及發熱功率要求[5]。

根據冷卻特性曲線最終選擇型號為28C-4，參數見表3。

所選風扇形式為吸風式；風扇電機和油泵電機防護等級為IP55，F級絕緣，符合國際CE標準，經過特殊處理后可用于防爆區域；噪音值為距離1 m處的值；

圖3 當量冷卻功率曲線

在風冷器油口處增加了溫度開關，溫度值為50℃，實時監測液壓油溫度，當溫度高于50℃時風冷器自動運行，低于50℃時則自動停止。

表3 風冷器參數

2.4 三通球閥選型

根據原車吸油口管線尺寸選擇相應規格的三通球閥，結構形式如圖4所示。

圖5 限位指示器

為了保證操作以及控制的安全性，在此結構形式的基礎上又在三通球閥手柄扳把的上方增加了帶限位開關的位置指示器，通過圖5所示的限位指示器上的標志來直觀的反應出當前的工作狀態[6]。

3 電氣安全控制系統設計

吊機的電氣安全控制系統作為液壓系統的輔助系統，保證吊機的安全運行，在柴電雙驅系統中保證了兩個系統的安全切換，實現兩系統互鎖，電氣原理圖見圖6。將電機啟動按鈕與柴電選擇開關、三通球閥位置開關進行關聯，將柴油機啟動按鈕與柴電選擇開關、三通球閥位置開關進行關聯，將電機啟動和柴油機啟動進行互鎖，任何一個開關不到位將無法啟動按鈕。同時任何一種狀態接通后另外一種狀態也將無法使用。這樣能夠保證三通球閥切換到位，保證系統安全，也保證雙系統的運行互不干涉[7]。

圖4 三通球閥結構示意圖

圖6 電氣原理圖

4 結束語

平臺起重機柴電雙驅液壓系統設計的成功實現了海洋石油平臺電機雙驅系統“零”的突破，同時也對節能環保、降本增效工作上有著重大意義。該系統現已成功推廣到旅大10-1油田三臺吊車，使用效果良好，通過理論設計和實踐分析可以看出這項技術的設計與應用是比較成功的，技術也是比較成熟的，具有很大的推廣意義。結合此研究的成果，后續將對不同結構、不同液壓系統的吊機進行進一步的改進，以達到對成果的最大化優化，保證平臺的安全生產。

［1］吳振順.液壓控制系統［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［2］紀云峰，陳欠根，張新海.負載傳感系統及其應用［J］.裝備制造技術，2003（4）：10-12.

［3］張利平.液壓傳動系統及設計［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［4］陳啟松.液壓傳動與控制手冊［M］.上海：科學技術出版社，2006.

［5］雷天覺.新編液壓工程手冊［M］.北京：北京理工大學出版社，1998.

［6］中國船級社.船舶與海上設施起重設備規范［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［7］吳雙，馬建平.民航飛機液壓系統虛擬性能樣機設計及應用研究［J］.機電工程，2017（11）：1270-1274.

［8］秦大同，謝里陽.現代機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2011.