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2 0 1 1年第 3 9卷第 7期 石 油机械 C HI NA P E TROLE UM MAC HI NE RY 一5 9 一 ●新产品开发 海洋钻修 平台 R G F一8 0 0钻 井泵组 的研 制 张军帅 焦伟 刚 1 ．南阳二机石油装备 集团有限公司 王如杰 吉美合 2 ．河南石油勘探局第二采油厂作业管理部 摘要 为满足金县 1 1油田 C E P A ／ C E P B钻修井机作 业需求，研制 了交流变频电动机驱动的 R G F一 8 0 0钻井泵组。该钻井泵组的传动系统通过全封闭式链条箱传递动力，采用 P L C闭环控制， 自适应能力强，用 N O V公司的弹簧 自动复位式安全阀代替传统的剪切销安全 阀，消除 了设备可能 出现的不安全因素；采用交流变频电动机恒扭矩段覆盖钻井泵的最高冲次，可大大减少现场换活 塞缸套的次数，减轻工人的劳动强度 。试验及应用表 明，R G F一 8 0 0钻井泵组各系统运行稳定 ，传 动效率比机械驱动约提高 1 6 ％ ，可无级调速 ，提高钻井效率，降低消耗 1 8 ％ 一 2 0 ％ 。 关键词 交流变频 钻井泵组链条传动 弹簧复位安全 阀 0 引 言 为满足金县 11油 田 C E P A ／ C E P B钻修井机 作业需求 ，南 阳二机石 油装备 集 团有 限公 司 在调研国内外多种钻井泵组 的基础上 ，充分吸收国 外技术 ，自主创新研 制 了交流变 频 电动机驱 动的 R G F一 8 0 0钻井泵组。它采用全封 闭式链条箱传递 动力，用 N O V公司的弹簧 自动复位式安全阀代替 传统 的剪切销安全 阀，在最大范围内消除了设备可 能出现的不安全因素。另外 ，由于泵组采用交流变 频 电动机的基频点是 5 0 ． 5 Hz ，电动机特性曲线恒 扭矩段覆盖钻井泵的最高冲次 ，不同直径 的缸套在 钻井泵常用的冲次范围都能达到 R G F一 8 0 0钻井泵 最大额定压力 ，这大大减少 了现场换活塞缸套的次 数 ，减轻 了工 人的劳动强 度。该钻井 泵组结构 紧 凑 ，安装找 正方便 ，智 能化程度 高， 自适应 能力 强 ，可以完全满足海洋钻修井机作业需要。 1 泵组整体设计 R G F一 8 0 0钻井泵组 见图 1 是将交流变频 电动机 、R G F一8 0 0钻井泵 、联轴器 、封 闭式链条 箱 、润滑系统 、灌注泵 、吸人管汇和弹簧复位式安 全阀等安装在一个橇座上的新型钻井泵组。与传统 钻井泵组相 比，它结构简单 ，占地面积小 ，方便安 装 ，操作维护方便 ，减轻 了工人劳动强度 ，降低 了 作业风险 ，符合 HS E要求 。 图 1 R G F一8 0 0钻井泵组结构示意 图 1 一橇座； 2 一R G F 一 8 0 0钻井泵； 3 一链条箱； 4 一折叠电缆槽；5 一吸入管汇； 6 一交流变频电动机； 7 一球笼式万向联轴器。 ～ 6 0一 石 油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 7期 R G F一8 0 0钻井泵组 南 1台 6 0 0 k W 交流变频 电动机为钻井泵提供动力 ，交流变频电动机的动力 通过联轴器 、链条箱传递给钻井泵 。链条箱内的链 条采用强制润滑 ，润滑油泵选用 1台 1 ． 5 k W 的电 动齿轮泵。泵组 的管汇系统包含了吸入管汇 、安全 放喷管汇和高压钻井液排 出管 汇。钻机 V F D房 内 的 1台 6 0 0 k W 变频器 为 6 0 0 k W 交 流变频 电动 机供电，润滑油泵 、喷淋泵 、灌注泵和主电动机风 机的供 电则来 自钻机 的 M C C系统。在钻机 的 P L C 主程序中设有主电动机风压报警 、润滑油压力报警 、 喷淋泵压力报警等保护程序。在启动钻井泵前 ，只 有各部位工作正常，才能启动主电动机。钻井泵组 的主要技术参数为 额定泵冲 1 4 0 ra i n ～，最高泵压 1 0 0 m m活塞缸 套3 4 ． 5 MP a ，最大排量 1 7 0 m m活塞缸套3 6 ． 3 k ／ s ，输入功率 6 0 0 k W。 R G F一8 0 0卧式单作用往复泵工作时 ，动力机 通过联轴器 、链条箱等传动部件带动主轴及 固定其 上的曲柄旋转 。当曲柄从水平位置 自左 向右逆时针 旋转时 ，活塞向动力端移动 ，液缸 内形成真空 ，吸 入池 中的液体在液面压力 的作用下 ，顶开 吸入 阀， 进入液缸 ，直到活塞移动到上止点。这个工作过程 称为泵的吸人过程。曲柄继续旋转 ，活塞开始 向液 力端运动 ，液缸 内液体受挤压 ，压力升高 ，吸人阀 关闭 ，排出阀被顶开 ，液体进入排出管 ，直到活塞 移动到左止点 。这个工作 过程被称 为泵 的排 出过 程 。随着动力机的不断旋转 ，钻井泵不断重复吸入 和排出过程 ，将吸入池 中的液体源源不断地经排出 管送向井底。 2 结构特点 2 ． 1 交流变频 电动机 R G F一8 0 0钻井泵组 的电动机选用北车集 团永 济电机新时速集 团的 Y J 2 3 L 3交流变频电动机 ，其 技术参数为 额 定 电压 6 0 0 V A C，额定 电流 7 1 4 A，额定功率 6 0 0 k W，额定频率 5 0 ． 5 H z ，额定转 速 1 0 0 0 r ／ ra i n ，额定扭矩 5 ． 7 3 k N m。 为 了适应海洋恶劣的工作环境 ，该 电动机还配 备 了盐雾过滤器 ，在电动机 电枢绕组 内安装了空间 加热器 。这种电动机的特性 曲线恒扭矩段可覆盖钻 井泵的最高冲次，不同直径的缸套在钻井泵常用的 冲次范 围都能达到 R G F一8 0 0钻井泵最 大额定压 力 ，这大大减少了现场更换活塞缸套 的次数 ，有利 于提高作业效率 ，这是传统柴油机驱动的钻井泵组 所不能达到的。 2 ． 2 链条箱 机泵组的链 条箱采用 1 0 061 1 4整体封闭式 链条箱 ，采用 6排节距 为 3 1 ． 7 5 1 T l n l 的石油滚子链 传递动力。链条箱润滑方式为强制润滑 ，其传动 比 为 1 ． 7 1 。 箱体结构如图 2所示。为了解决箱体漏油的问 题 ，将箱体的输入轴通过球笼式万 向联轴器与电动 图 2 RGF一8 0 0钻 井 泵组 链 条 箱 输 入 轴 总 成 、输 出轴 总成 示意 图 1 一 电动机输 出轴 ；2 一球笼式万 向联轴器 ；3 --左轴承盒 ；4 一链条箱输入轴总成 ；5 一链 条箱壳 体 ； 6 一 右 轴 承 盒 ； 7 一 R G F一8 O 0钻 井 泵 ； 8 一 链 条 箱 过 渡 法 兰 ； 9 一 链 条 箱 输 出 轴 总 成 。 机的轴头相连 ，输入轴与箱体 之间采用油封密封。 封。工业试验及现场使用情况表明 ，这种链条箱结 箱体 的大链轮直接安装在钻井泵的小齿轮轴上 ，箱 构合理 ，彻底解决 了箱体漏油问题。 体与钻井泵壳体之间采用过渡法兰连接，过渡法兰 2 ． 3 管汇系统 与链条箱和钻井泵壳体之 问均采用耐油橡 胶垫密 R G F一8 0 0钻 井泵 组 的管汇 系统 包 括 吸人管 2 0 1 1 年第3 9卷第7期 张军帅等海洋钻修平台R G F一 8 0 0钻井泵组的研制 一 6 1一 汇、安全放喷管汇和高压排出管汇。吸人管汇的作 用是在钻井泵 自吸能力不足时，由灌注泵为钻井泵 提供钻井 液。吸人管汇 由 1台 4 5 k W 的灌注泵 、 各种蝶阀 、管道应力缓解器 、法兰和管线等组成 。 考虑到海洋的恶劣气候条件 ，在选用灌注泵时 ，将 灌注泵电动机 的防护等级定为 I P 5 6级 即防护灰 尘 、防护强射水 。电动机内部 同样安装了空间加 热器。安全放喷管汇的作用是 当钻井泵 内部 的压力 达到或超过安全 阀设定的压力时 ，安全 阀开启 ，钻 井泵内的钻井液通过安全放喷管 汇 回到钻 井液罐 中，从而保证设备和人员 的安全。安全放喷管汇由 安全阀、由壬 、钻井液闸阀和回罐管线等组成。考 虑到海洋平台的作业成本和安全要求都较高 ，因此 R G F一8 0 0泵组 的安全阀采用 N O V公司生产的弹簧 自动复位式安全阀。操作人员只需事先调节好安全 阀的压力 ，当钻井泵内压力超过设定值后 ，安全阀 自动开启卸压 ，钻井泵 内压力下降到设定值后 ，安 全阀自动关 闭。这种安全阀与传统的剪切销安全阀 相比，灵敏度更高，可靠性更好 ，并可以减轻现场 工人劳动强度 ，符合 H S E要求 。高压排 出管汇是 钻井泵 内的高压钻井液进入井 内的通道，它由钻井 液闸阀 、隔膜式抗震压力表 、高压立管和高压水龙 带等组成。高压管汇的设计和制造严格遵守 A P I 和 S Y ／ T 5 2 4 4 --2 0 0 6的相关规定。 2 ． 4 电传动系统 R G F一8 0 0钻井泵组 的电传 动系统 由 1台 6 0 0 k W 的交流变频电动机 、1台6 3 0 k W 变频器 、司泵 操作 台、MC C软启 动装置 、P L C及各种 按钮 、主 令开关和电位计等组成 。钻井泵变频 电动机的驱动 采用六脉 波整流方案 J 。配置西 门子交 流变频传 动装置 ，1台变频器驱 动 1台钻井泵 的变频 电动 机 ，系统主电源来 自钻井平台发电机组 ，供电电压 为 3 AC 6 0 0 V、5 0 Hz 。供 电输 出通过 进 线 引进 V F D房 内，为 钻 井 泵 动力 系统 供 电，同 时提 供 3 A C 4 0 0 V、5 0 H z辅助 电源 ，为灌注泵 、喷淋泵 及润滑油泵供 电。司泵操作箱 按正压 防爆标 准制 作 ，可在 2类危险区使用 ，整体为不锈钢焊接。司 泵控制箱为整个 电控系统的操作监控中心 ，完成所 有的控制操作和设备的监控。钻井泵组的控制系统 通过 P r o fi b u s 总线与钻机的西 门子 S 73 0 0 P L C主 站联系起来 ，可采集钻井泵主电动机风压 、润滑油 压力 、灌注泵出口压力 、钻井泵高压出口压力信号 等，通过专用编程软件在 P L C内存 中写入程序， 从而实现泵组的智能化控制。 2 ． 4 ． 1 性 能指标 钻井泵开环控制时 ，电动机滑差 1 0 ％，满转 矩阶跃 0 ． 3 ％ ～ 0 ． 4 ％S ，功率 因数 0 ． 9 3～ 0 ． 9 5 。 2 ． 4 ． 2 功 能 系统具有以下保护功能 电动机风压保护 、速 差保护 、过载保护 、超速保护 、堵转保护 、过流保 护 、过压保护、温度保护。主电动机风机和电动机 空间加热器的起停由主电动机传动柜联锁控制。 2 ． 4 ． 3 技术参数 变频器型号 6 S E 7 1 4 1～1 E H 6 2 3 B A 0 额定输入电压 3 A C 3 8 0～ 4 8 0 V； 额定输出电压 0～输入 电压 ； 额定输 出电流1 1 0 0 A 外形尺寸 长 宽 高 2 4 0 0 I T I I ／ I X 2 0 0 0 l ff l n l 60 0 mm ； 冷风流量 1 ． 9 1T I ／ s ； 噪声 8 5 d B； 防护等级 I P 2 0 I P 2 1 、I P 2 3选件 。 下面以钻井泵主电动机的风机控制程序为例 ， 简要介绍钻井泵 组 的逻辑控 制 编程软件为 S I E ME N S S t e p 7 。风机控制程序如图 3所示 。 Networ k 1 _ nl r n nn Rl owe N S W ’’ “ M P BLO AS S I GN ’ - 卜一 图 3 R GF一8 0 0钻 井 泵 组 主 电动 机 风 机 控 制 程 序 当司泵台 MP选择开至 O N时 ，选择开关将 2 4 V D C信号送到 P L C的数字量输入模块 D I 模块 中，P L C根据程序 “ MP 1一O NS W” 为 1 ，则 “ MPB L OA S S I G N” 为 1 ，于是 P L C将 1 1 5 V A C通过数字量输出模块 D O模块 接到 MC C房 中的风机 中间继 电器 K A，K A动合 触点闭合 ，通 过 HO A控制器使风机接触器 K M吸合 ，风机运转。 同时 K M 的辅助动合触点闭合 ，将 2 4 V D C信号送 人 P L C的数字量输人模块 ，使 “ MPB L OO N” 为 1 。主电动机控制程序 见 图 4 。当风机运 转后 ， 接通程序里的延时定时器模块 S O D T ，输 出 “ MPA S S I G N ” 为 1 ，逻辑关系为 风机运转后 ， 经过 1 0 S 的延时 ，钻井泵主电动机开始运转。 Ne t wo r k 2 Ch e c k S t a t u s o f 1 3 l o we r “ M P BLo oN ” S oDT 卜 一 S Q S 1 0 T 1 0 S TV B1 “ M P BLO． ON” L _ 一 R B C D S I 、GN” 1 图4 R G F一8 0 0钻井泵组主 电动机控制程序 一 6 2一 石 油机械 2 0 1 1 年第3 9卷第7期 3 试验及 现场 应用 R G F一 8 0 0钻井泵组总装完成后 ，在南 阳二机 石油装备 集团 有限公 司综合 试验场分别完成 了清水 循环试验 以及 1 0 ． 3 、1 7 ． 2 、2 4 ． 1 、3 1 ． 0和 3 4 ． 5 MP a压力试验 。其中，在 3 4 ． 5 MP a 换 1 0 0 mi D _ 的活塞和缸套 压力等级下试验 3 0 m i n ，钻井 泵组各系统运行稳定 ，完全满足试验大纲要求 ，符 合出厂标准。2台 R G F一8 0 0钻井泵组 2 0 0 9年 8月 出厂 ，随后在 C E P A和 WHP B平 台配 套使用 ，至 今泵组运行稳定 ，得到了用户的高度评价。 R G F一8 0 0电驱动钻井 泵组采用 A CV F D A C驱动 ，具有 以下优点 传 动效率高 ，比机械驱 动提高约 1 6 ％ ；具 有无级调 速的钻井特 性 ，可提 高钻井效率 ，柴油机． 发 电机组始终在最佳状态下 运转，降低消耗 1 8 ％ 一 2 0 ％；简化了传动控制系 统 ，易安装调整和控制调节 ，有完善 的自我保护系 统 ，可保证安全生产。 4 结束语 R G F一8 0 0钻井泵组的设计吸取 了国内泵组设 计的成功经验 ，突破了常规思路 ，与常规泵组相 比 具有以下特点①结构紧凑。整套泵组尺寸 长 宽 高 仅为 6 1 5 0 m m3 2 0 0 mm3 0 0 0 mm， 可以节省海洋平台面积；②安全性、可靠性高。钻 井泵组的传动系统采用全封闭链条箱体传递动力， 采用 P L C闭环控制 ，自适应 能力强；③减轻工人 的劳动强度 。R G F一 8 0 0钻井泵组采用交流变频 电 动机恒扭矩段覆盖钻井泵的最高冲次 ，减少现场更 换活塞缸套 的次数 ，采用 N O V公 司的弹簧复位安 全 阀，现场安全阀基本可以做到免维护。该种钻井 泵组更适用于海洋钻修平台，具有广阔的推广应用 前景。 参考文献 [ 1 ] G B ／ T 2 3 5 0 5 --2 0 0 9 石油钻机和修井机 [ S ]． 2 0 0 9 ． [ 2 ] 高成海 ．变频器在国内石油钻机的应用 [ J ]．电气 传动，2 0 0 1 1 5 6 5 9 ． 第一作者简介张军帅，工程师 ，生于 1 9 8 1 年 ，2 0 0 4 年毕业于郑州航空工业管理学院工业工程系，现从事橇装 钻机 和钻井 泵组 的总体设计及配套工作 。地址 4 7 3 0 0 6 河 南省 南 阳市 。电话 0 3 7 7 6 3 5 7 7 5 1 9 。Em a i l z j s i e 5 s i n a．coi n o 收稿 日期 2 0 1 1 0 31 8 本文编辑丁莉萍 下期部分文章预告 大斜度井可洗井注水封隔器的研制与应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 巨亚锋罗必林刘保彻等 一 种防喷杆式抽油泵 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 张艳红庞亚谱胡如意等 HS T 3 6 0型混砂半挂车的研制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 王俊杰赵鲁海张树立等 水平井井下分注工艺管柱的研制及应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 赵贵金毕愿涛王超等 液压同步系统在钻具输送装置中的应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 聂永坤马永恒王瑞成等 两级配重补偿型游梁式抽油机 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 孟海军赵童君 多级阀体捞砂工艺管柱设计与应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 屈艳飞 三元复合驱不压井技术研究 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 孙立华 2 3／ -s 英寸连续管导人装置的研制与应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 张三坡刘铁丽 吴大飞等 焊接抽油杆和镦锻抽油杆质量可靠性对 比分析 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 张艳敏王 岗 李春茂等 K M一1型抽油杆悬绳器的研制与应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 李 蒲 长输管道静水压检测控制系统的设计 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 王文军 刘 丹 龚卫斌 油水井井口清洗及喷漆装置 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 张春来杨静张瑞波等 软密封柱塞泵 的研制与应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 赵英志沈金龙郭振宇
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