专利名称：一种油田用宽恒功率变频调速电动修井机的制作方法
技术领域：
本发明属于石油机械装备技术领域，特别涉及一种油田用宽恒功率调速电动修井机。
技术背景目前修井机都是采用车载柴油发动机为动力，通过变速机构、角传动机构和巻筒减速机 构驱动钢丝绳巻筒，以巻扬的方式实现基本作业功能。这种以车载柴油发动机为动力源的机 械装备，存在如下问题1、 柴油机排放污染严重以目前使用比较广泛的XJ90Z轮式修井机采用工程柴油机为动力，装机功率为269kW, 按欧I标准设计。若每台设备每年施工150天，柴油机平均使用功率60%计算，则每台每年 排放的一氧化碳约2吨；碳化氢约0.6吨；其它物质约4吨。这些排放物质都对环境、对人 类的生存十分有害。2、 柴油机自身的工作效率低柴油机的工作原理是将柴油在汽缸中燃烧产生的热变成活塞的机械运动，在这个能量转 化过程中，仅有30%左右的能量转化成机械能。3、 车载柴油发动机式修井机的使用、维护费用高正常维护一台车载修井机的一年费用大约在3 5万元，柴油机、取力器、变速箱等一系 列部件均需要维护、维修。发动机、变速箱的使用寿命通常为7年。每作业一口井需要柴油 大约600升，市值约3000元人民币。4、 传动系统工作效率低车载柴油发动机的动力，通过取力器、液力变矩器、机械变速箱、角传动变速箱和钢丝 绳巻筒、滑轮组实现修井作业。机械传动过程长，机械阻力损耗大。通常车载柴油修井机的 机械传动效率为0.6左右。5、 工作方式效率低由于动力来源于柴油机，通常的工作方式是每天工作开始即将柴油机起动。实际的作业 无论是提升作业还是下放作业，都需要有被吊物的装卸时间。真正需要修井机进行提升和下 放作业时间与人工装卸时间之比通常是l: 3。意味着从工作方式上，柴油机将有75%以上时 间处于空载运行，此时耗费的柴油约占满负荷的30%左右。发明内容为了解决目前使用的柴油修井机的排放污染严重、工作效率低、使用、维护费用高传l 系统工作效率低等问题，本发明采用电动机为动力，通过变频方式进行调速。它包括有井口钳传动机构、变速机构、绞车、钢丝绳大钩升降机构和供电系统，钢丝绳 大钩升降机构中的动力件是低速大转矩电动机，升降机制动的动力件是电驱动气体压縮机， 井口钳传动机构的动件是高压电动液压泵，钢丝绳大钩升降机构、升降机制动机构和井口钳 动传动机构共同装在履带式拖拉机或者汽车上。供电系统包括有供电驱动气体压縮机电动机 用电支路、高压电动液压泵电动机用电支路和钢丝绳巻筒低速大转矩电动机用电支路，三条 电支路并联后与主空气开关输出端、主空气开关输入端与油井台变380V输出端依次电连接。 低速大转矩电动机，其极对数在12极 24极之间，与变频器配合，恒功率调整范围为l: 3。 升降用的低速大转矩电动机与热继电器、主驱动接触器、变频器依次电连接。变速机构由三 档变速箱、角传动箱和绞车减速箱依次机械连接组成，其中三档变速箱内设有变速换挡机构， 档位分为高、中、低。电机额定功率90kW，本变频调速电动通井机采用基频以上的恒功率调速方式，极对数 在12极 24极之间，系统具有高过载能力的特性，额定同步转速500r/min;额定电压380V; 恒功率调速范围(50 120) Hz;电源侧功率因数不低于0.96;最大过载能力2.5倍；系统 IO秒内的过载能力1.5倍。该电机采用独立风机冷却，F级绝缘，S4工作制，免维护时间为 10年，使用寿命20年。电机配合变频器及专用控制模块可实现电机500-1200r/min范围内的恒功率调速。考虑实 际操作的方便和实用性，电机工作频率采用选择开关，设定为50Hz、 60Hz、 70Hz、 85Hz和 120Hz，共5个挡位，运行中可根据需要选择。机械系统采用原XJ60Z修井机的绞车、绞车减速箱和角传动箱部件，增加了三挡变速箱 传动，通过联轴器与低速大转矩电动机(驱动电机)连接。三挡变速箱提供低速、中速和高 速三种机械速度选择，并对应大扭矩、中扭矩和小扭矩工况，根据修井需要进行选择。具体 操作步骤如下1、 先将控制柜内所需的各分路空气开关置于"接通"状态，将各动力操作开关置于"开断" 位置，电动机操作手柄置于零速位，各电动部件的连线对接确认安全无误后再接进线电源、 合台变空开，合总进线空开。2、 由专业人员在断路器处于开断位置时接线，接通控制柜与供电电源的动力电缆(三相四线)外接电源必须是三相四线制(380V, 50Hz),必须有短路器保护器。先合外部断路器， 再合控制柜总进线空开。若发现油泵或空压机电机反向则应停机，断开外部电源断路器，餘-任意两相互换，再重新供电。3、 根据供电变压器容量将控制面板的"供电容量"选择在合适的档位(100kVA、 75kVA、 50kVA)。运行中，发现电源容量报警，应立即停车，降低主钩速度。4、 将"提升/下降"操作杆置于中间位置，按动操作室内控制电源的"运行"按钮，按动油泵 和气泵。变速箱的供油压力必须保证在1.6Mpa、气压必须^).6Mpa后方可作业。5、 变速箱换档时，应将电动机置于"零速位"，避免烧损变速器内的离合器片。6、 根据"载荷特性表"和实际载荷选择变速箱的挡位和电动机的速度，在载荷不清的情况 下，先使用低档，然后再根据实际载荷选档。7、 当发生超载荷报警信号时，应及时分开绞车离合器，迅速刹车制动，将电动机置于零 速位，将变速箱降低档位使用。本发明的积极效果是考虑了井场变压器的实际配置情况，可以适用于50KVA、 75KVA、 IOOKVA及以上各种井口变压器容量的作业场合。由于电机在设计和制造上，均采取了增加安全和防爆措施和电控柜也采取了防爆与密封 措施。操作电压采用24V直流，与汽车电瓶电压相同，因此具有良好的防爆功能。控制系统中安装有可设输入电流值的检测和报警装置。操作者可根据井口变压器的容量 设定相应的报警值，当报警发出时，操作者通过降低机械挡位或电气挡位的措施减小输入电 流值，保证正常作业工作。此报警信号仅为提示功能，电气上不作保护。由于本机设有变频器过载自动抱死绞车功能。可防止因变频器过载发生时操作人员误操 作而引发的溜车事故，并当变频器过载复位后自动打开抱死闸片。
图1是该修井机的电气原理框图；图2是该修井机的传动系统方案图；图3是大钩传动示意图；图4是该修井机气车式的整体布局图；图5是图4俯视布局图；图6是该修井机拖拉式整体布局图；图7是图6的俯视布局图；图8是图6的侧视布局图；图中l油井台变，2主空气开关，3变频器，4主接触器，5主驱动接触器，6热继电 器，7电动机，8低速大转矩电动机，9电驱动气体压缩机，IO钢丝绳巻筒，11高压电动液 压泵，12发动机驱动的液压站，13三挡变速箱，14电控系统控制柜，15传动轴，16变频器 柜，17角传动箱，18绞车减速箱，19绞车，20大钩。
具体实施方式
如图1 7所示，它包括有井口钳传动机构、变速机构、绞车19、钢丝绳大钩升降机构 和供电系统，钢丝绳大钩升降机构中的动力件是低速大转矩电动机8，升降机制动的动力件 是电驱动气体压縮机9，井口钳传动机构的动件是高压电动液压泵ll，钢丝绳大钩升降机构、 升降机制动机构和井口钳动传动机构共同装在履带式拖拉机或者汽车上。供电系统包括有供电驱动气体压缩机9电动机用电支路、高压电动液压泵11电动机用电支路和钢丝绳巻筒用低 速大转矩电动机8用电支路，三条电支路并联后与主空气开关2输出端、主空气开关2输入 端与油井台变380V输出端依次电连接。低速大转矩电动机8，其极对数在12极 24极之间， 与变频器3配合，恒功率调整范围为l: 3。低速大转矩电动机8与热继电器6、主驱动接触 器5、变频器3依次电连接。变速机构由三档变速箱13、角传动箱17和绞车减速箱18依次 机械连接组成，其中三档变速箱13内设有变速换挡机构，档位分为高、中、低。 '本电动修井机的行走车体采用原XJ90Z轮式修井机的底盘车，即泰安特种车改装厂生产 的6x6驱动自走式底盘，但将发动机的功率由269kW减小至193kW。该发动机提供车辆行 走动力和修井机的支腿收腿、起重支架的变幅和升降的液压系统提供动力。项目中修井机的 支腿收腿、起重支架的变幅和升降采用双液压系统， 一路由车载发动机提供动力， 一路由电 动机提供动力。在电动修井机开进井场后，找正位置后，由车载发动机液压系统的动力将生 产的准备工作完成，即将修井机的支腿放下、起重支架变幅到位、支架升起到位。关闭汽车 发动机，然后连接电缆将电源接入到车上控制柜中，后续工作如大钩升降、液压卡盘旋转均 由电力系统完成。工作结束后修井机的支腿、起重支架的变幅、支架的下降可由任意液压系 统支持完成。巻扬气动离合气源可由车载压縮机和电动空压机提供。工作时的额定参数如下1、液压钳系统额定参数液压钳用液压系统的额定参数，采用CBY-3080/2016F中高压齿轮泵，系统的额定压力 14Mpa，驱动电机Y180L-4-22kW。2、 气动系统的额定参数气动系统采用V-0.15/10皮带传动式空气压缩机，电动机功率2.2kW，排气量150L/mffi7 使用压力0.6 0.8MPa。3、 其它电气元件的设计考虑到修井施工单位与采用单位之间的用电费用结算等问题，系统在空气开关后的总电 源进线处，装有100KVA的三相电量计量表。变频器采用日本安川通用系列SPF-280K，变频器参数如下 输出参数标准适用电机280kW，额定容量374kVA，额定电流540A; 输入参数额定电压380-460V，额定频率50/60Hz,电源阻抗1%以上；保护结构封闭型；冷却方式强制风冷；重量280kg;控制功能参数控制方式V/f控制或者无速度传感器矢量控制，高频载波为正弦波PWM，输出频率范围为0.05-200Hz,频率精度为输出频率的±0.01%,附属功能有瞬停再起动、转速跟 踪起动、多档速运转、频率回避、警报自动恢复、PID控制、节能运转和转矩限制等；运行功能参数运转/停止设定是操作面板、串行通信，输入信号为频率指令、正转指令、反转指令、加速/减速时间设定等，可实现频率、输出电流、同步转速、负载率、输出电压、压力、线速度等LED显示；具有多种警告和保护功能，外部电源输出为DC24V150mA;运行环境参数周围环境-10 +4(TC，保存温度为-20 +65'C，相对湿度为90%以下， 使用环境为海拔1000m以下。系统电气控制原理框图，如图1所示。其中驱动高压电动液压泵11或电驱动气体压縮机 9用的电动机7、热继电器6、主接触器4、主空气开关2、油井台变l依次电连接；驱动钢 丝绳巻筒10的低速大转矩电动机8、热继电器6、主驱动接触器5、变频器3、主空气开关2、 油井台变l依次电连接。
权利要求
1、一种油田用宽恒功率变频调速电动修井机，包括有井口钳传动机构、变速机构、绞车、钢丝绳大钩升降机构和供电系统，其特征是钢丝绳大钩升降机构中的动力件是低速大转矩电动机，升降机制动的动力件是电驱动气体压缩机，井口钳传动机构的动件是高压电动液压泵，钢丝绳大钩升降机构、升降机制动机构和井口钳动传动机构共同装在履带式拖拉机或者汽车上。
2、 一种油田用宽恒功率变频调速电动修井机，其特征在于所说的供电系统包括有供电驱动气体压縮机电动机用电支路、高压电动液压泵电动机用电支路和钢丝绳大钩升降机构中低速 大转矩电动机用电支路，三条电支路并联后与主空气开关输出端、主空气开关输入端与油井台变380V输出端依次电连接。
3、 如权利要求1所述的油田用宽恒功率变频调速电动修井机，其特征在于所述的低速大转矩 电动机，其极对数在12极 24极之间，与变频器配合，恒功率调整范围为l: 3。
4、 如权利要求1所述的油田用宽恒功率变频调速电动修井机，其特征在于所述的低速大转矩 电动机与热继电器、主驱动接触器、变频器依次电连接。
5、 如权利要求1所述的油田用宽恒功率变频调速电动修井机，其特征在于所述的变速机构由 三档变速箱、角传动箱和绞车减速箱依次机械连接组成，其中三档变速箱内设有变速换挡 机构，档位分为高、中、低。
6、 如权利要求l所述的油田用宽恒功率变频调速电动修井机，其特征在于所述的供电系统， 其电源取至井口 380V输出的低压台变供电，并具有电源容量保护选择功能。
全文摘要
一种油田用宽恒功率变频调速电动修井机，属于石油机械装备技术领域，包括有井口钳传动机构、变速机构、绞车、钢丝绳大钩升降机构和供电系统，其特征是钢丝绳大钩升降机构中的动力件是低速大转矩电动机，升降机制动的动力件是电驱动气体压缩机，井口钳传动机构的动件是高压电动液压泵，钢丝绳大钩升降机构、升降机制动机构和井口钳动传动机构共同装在履带式拖拉机或者汽车上。由于本机设有变频器过载自动抱死绞车功能。可防止因变频器过载发生时操作人员误操作而引发的溜车事故，并当变频器过载复位后自动打开抱死闸片。
文档编号E21B19/00GK101215958SQ20071015922
公开日2008年7月9日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者冯桂宏, 宫兆海, 张炳义, 赵泉柱, 柯 陶 申请人:沈阳工业大学