石油钻采设备第二章钻机的驱动与传动讲解课件

研究问题：研究问题：驱动设备和传动系统如何连接？各自有什么特性？什么驱动设备和传动系统如何连接？各自有什么特性？什么特性对于钻井更有利？特性对于钻井更有利？第四章第四章 钻机的驱动与传动钻机的驱动与传动1问题一：绞车，转盘，钻井泵自身特点？问题一：绞车，转盘，钻井泵自身特点？问题二：对驱动特性可能会有何要求？问题二：对驱动特性可能会有何要求？绞车：绞车：立根数目立根数目决定载荷决定载荷载荷确定载荷确定大钩速度大钩速度结论：结论：希望大钩速度与大钩载荷乘积为恒定值希望大钩速度与大钩载荷乘积为恒定值。这样可以充分利用动力机组的功率。避免功率这样可以充分利用动力机组的功率。避免功率的浪费，的浪费，第一节第一节 概述概述2大钩提升载荷与速度的关系大钩提升载荷与速度的关系1曲线是理想曲线；曲线是理想曲线；2曲线是每换一立根对应曲线；曲线是每换一立根对应曲线；3绞车实际档位曲线；绞车实际档位曲线；3由此推理由此推理绞车对动力机组要求绞车对动力机组要求：1、无级变速，、无级变速，调速范围调速范围R=最大速度最大速度/最小速度最小速度=510；2、有短期过载能力、有短期过载能力3、好的启动性能，可靠控制离合装置、好的启动性能，可靠控制离合装置总结：绞车需要这样的驱动：可恒功率调节；能无极变速；总结：绞车需要这样的驱动：可恒功率调节；能无极变速；驱动性能良好驱动性能良好依据同样的分析方式可以判断依据同样的分析方式可以判断转盘和钻井泵转盘和钻井泵的基本情况的基本情况4二、典型驱动方案二、典型驱动方案方案方案1、单独驱动、单独驱动优势：优势：传动系统单；传动系统单；效率高；效率高；便于井场布置；便于井场布置；劣势：劣势：装机功率利用率装机功率利用率 低；动力部不能低；动力部不能 互济互济5二、典型驱动方案二、典型驱动方案方案方案2、统一驱动、统一驱动优势：优势：装机功率利用率高；装机功率利用率高；可调剂各工作机不同可调剂各工作机不同的功率需求；的功率需求；动力机可互济；动力机可互济；劣势：劣势：传动复杂；传动复杂；效率低；效率低；安装困难安装困难 柴油机驱动柴油机驱动胶带并车胶带并车6二、典型驱动方案二、典型驱动方案方案方案2、统一驱动、统一驱动优势：优势：装机功率利用率高；装机功率利用率高；可调剂各工作机不同可调剂各工作机不同的功率需求；的功率需求；动力机可互济；动力机可互济；劣势：劣势：传动复杂；传动复杂；效率低；效率低；安装困难安装困难 柴油机柴油机-变矩器驱动变矩器驱动链条并车链条并车7二、典型驱动方案二、典型驱动方案方案方案3、分组驱动、分组驱动优势：优势：驱动简单；驱动简单；利用率高；利用率高；安装方便；安装方便；主绞车可不主绞车可不 装在搞钻台装在搞钻台 可满足工作可满足工作 机布置要求机布置要求交流电动机交流电动机直流电动机直流电动机8三、三、驱动设备驱动设备的特性指标的特性指标1 1、适应系数：、适应系数：K=K=最大稳定扭矩最大稳定扭矩/额定扭矩额定扭矩2 2、速度范围：、速度范围：R=R=最高稳定转速最高稳定转速/最低稳定转速最低稳定转速3 3、燃料的经济性：同样功率下消耗燃料费用、燃料的经济性：同样功率下消耗燃料费用4 4、发动机比质量：、发动机比质量：K=K=发动机质量发动机质量/额定功率额定功率5 5、使用经济性：燃料经济性；工作地区适应性；启、使用经济性：燃料经济性；工作地区适应性；启 动性；灵活性；可靠性；安全性；动性；灵活性；可靠性；安全性；维护保养难易维护保养难易9四、四、典型设备的典型设备的外特性外特性驱动机外特性：驱动机外特性：扭矩扭矩M M随转速随转速n n的变化规律的变化规律10四、四、典型设备的外特性典型设备的外特性驱动机外特性：驱动机外特性：扭矩扭矩M M随转速随转速n n的变化规律的变化规律几种动力机几种动力机适应性系数适应性系数K K与速度范围与速度范围11第二节第二节 柴油机驱动柴油机驱动-机械传动机械传动研究问题：研究问题：柴油机驱动特点？驱动特性？柴油机驱动特点？驱动特性？探讨并探讨并 车、倒车变速等问题车、倒车变速等问题1213发发动动机机原原理理14发发动动机机组组装装15一、柴油机驱动特点：一、柴油机驱动特点：1、不受地区限制，有自持力、不受地区限制，有自持力2、采用、采用“积木式积木式”增加机组的办法，较少柴油机品种增加机组的办法，较少柴油机品种3、转速可平稳调节，、转速可平稳调节，4、结构紧凑、体积小、便于移运、结构紧凑、体积小、便于移运5、不足：扭矩曲线平坦，适应性系数小，过载能力有、不足：扭矩曲线平坦，适应性系数小，过载能力有 限，噪音大限，噪音大16二、柴油机驱动特性：二、柴油机驱动特性：柴油机驱动特性：包括柴油机驱动特性：包括外特性；复合特性；外特性；复合特性；调速特性调速特性17二、柴油机驱动特性：二、柴油机驱动特性：Z12V190B型柴油机型柴油机外特性外特性g ge e-油耗；油耗；M Me e-扭矩；扭矩；N Ne e-功率功率18二、柴油机驱动特性：二、柴油机驱动特性：Z12V190B型柴油机型柴油机负荷特性负荷特性负荷特性：负荷特性：给定转速下，给定转速下，油耗与功率的变化规律油耗与功率的变化规律依据此特性可以确定，依据此特性可以确定，给定转速下，油耗最小的功率范围给定转速下，油耗最小的功率范围19二、柴油机驱动特性：二、柴油机驱动特性：Z12V190B型柴油机型柴油机调速特性调速特性调速特性：调速特性：功率，扭矩与功率，扭矩与转速的关系。转速的关系。当外载超过当外载超过Me时，超负荷，动力性和经济性变坏时，超负荷，动力性和经济性变坏20三、钻机柴油机的典型工况和功率标定三、钻机柴油机的典型工况和功率标定典型工况典型工况1 1：起升作业时驱动绞车起升作业时驱动绞车1、典型工况、典型工况典型工况典型工况2 2：钻进时驱动钻机泵，或同时驱动泵与转盘钻进时驱动钻机泵，或同时驱动泵与转盘 接近或达到满功率运行。接近或达到满功率运行。21三、钻机柴油机的典型工况和功率标定三、钻机柴油机的典型工况和功率标定2、功率标定、功率标定根据其钻井过程中的工况特点来标定其功率及其相应转速根据其钻井过程中的工况特点来标定其功率及其相应转速起升功率起升功率N Nd d与转速与转速n nd d：钻井功率钻井功率N Ndrdr与转速与转速n ndrdr22 国产钻机主要采用国产钻机主要采用济南柴油机厂济南柴油机厂生产的生产的Z190Z190系列柴系列柴油机，该类机型已有油机，该类机型已有九千多台九千多台服务于石油钻探市场。服务于石油钻探市场。四、国产四、国产190柴油机介绍柴油机介绍23 PZl90PZl90系列柴油机型号编制的含义如下：系列柴油机型号编制的含义如下：型号示例：型号示例：PZl2V190BDPZl2V190BD四、国产四、国产190柴油机介绍柴油机介绍24 随着钻探技术和装备的更新，对随着钻探技术和装备的更新，对钻机动力钻机动力提出了提出了以下要求：以下要求：(1)(1)适应沙漠纵深地区风沙大、日温差大以及自动适应沙漠纵深地区风沙大、日温差大以及自动化程度高、无人值守的要求；化程度高、无人值守的要求；(2)(2)适应高原、高寒地区空气稀薄、超低温的环境；适应高原、高寒地区空气稀薄、超低温的环境；(3)(3)深井钻探，要求柴油机单台功率大、载荷深井钻探，要求柴油机单台功率大、载荷 变化频繁，在部分载荷下经济性好；变化频繁，在部分载荷下经济性好；(4)(4)每台钻机配备柴油机台数少，移运方便；每台钻机配备柴油机台数少，移运方便；(5)(5)能远距离控制，可靠性高，故障率能远距离控制，可靠性高，故障率低。低。25 为适应上述要求，为适应上述要求，190190系列柴油机在近十年来性能和系列柴油机在近十年来性能和可靠性都有较大的提高。例如主导产品可靠性都有较大的提高。例如主导产品Z12V190BZ12V190B改型为改型为G12V190ZLG12V190ZL，于，于19991999年研制成功。年研制成功。该型柴油机在性能指该型柴油机在性能指标、可靠性、自动监控、解决标、可靠性、自动监控、解决“三漏三漏”和外观质量等方和外观质量等方面都有显著提高。面都有显著提高。26六、机械传动系统六、机械传动系统1、并车：、并车：柴油机直接驱动；柴油机直接驱动；胶带（皮带）并车；胶带（皮带）并车；柴油机液力驱动；柴油机液力驱动；链条并车链条并车2、倒车：、倒车：齿正车，链倒车；双锥齿轮正倒车；齿正车，链倒车；双锥齿轮正倒车；链正车，齿倒车链正车，齿倒车双锥齿轮正倒车双锥齿轮正倒车27链正车，齿倒车链正车，齿倒车28六、机械传动系统六、机械传动系统1、并车：柴油机直接驱动；胶带（皮带）并车；、并车：柴油机直接驱动；胶带（皮带）并车；柴油机液力驱动；链条并车柴油机液力驱动；链条并车2、倒车：齿正车，链倒车；双锥齿轮正倒车；、倒车：齿正车，链倒车；双锥齿轮正倒车；链正车，齿倒车链正车，齿倒车3、减速与变速：、减速与变速：35此减速；转盘调速范围此减速；转盘调速范围510，一般，一般 设置设置4-6个机械档位个机械档位4、转换方向、转换方向5、带辅助调速的传动方案、带辅助调速的传动方案29带辅助调速的传动方案带辅助调速的传动方案30主要讨论：主要讨论：液力传动原理；为什么变矩器可以实现液力传动原理；为什么变矩器可以实现优越的驱动特性？优越的驱动特性？第三节第三节 柴油机液力变矩器驱动柴油机液力变矩器驱动31一、液力传动原理一、液力传动原理32二、柴油机二、柴油机-耦合器驱动耦合器驱动液液力力耦耦合合器器33三、柴油机三、柴油机-变矩器驱动变矩器驱动液液力力变变矩矩器器-原原理理34三、柴油机三、柴油机-变矩器驱动变矩器驱动液液力力变变矩矩器器-涡涡流流与与环环流流351-1-泵轮泵轮2-2-涡轮涡轮3-3-导轮导轮4-4-工作轮工作轮内环内环5-5-涡轮槽涡轮槽36液力变矩器外特性曲线液力变矩器外特性曲线变矩系数变矩系数效率效率37特性指标：特性指标：38 (1)(1)、随外载变化能、随外载变化能自动无级地变速变矩自动无级地变速变矩。驱动绞。驱动绞车时，可明显车时，可明显提高钻机起升工效提高钻机起升工效。(2)(2)、使柴油机始终、使柴油机始终维持在经济合理的工况维持在经济合理的工况下运行，下运行，即使外载增大导致涡轮轴处于制动状态时，柴油机即使外载增大导致涡轮轴处于制动状态时，柴油机也不会被蹩灭。也不会被蹩灭。柴油机变矩器驱动柴油机变矩器驱动优势优势：(3)(3)K K值大，使机组适应外载变化的能力大大增强值大，使机组适应外载变化的能力大大增强，例如，在高效区范围内例如，在高效区范围内K2K2（柴油机本身（柴油机本身K K：1.01.01.15)1.15)；在重载时可高达；在重载时可高达3.53.54 4，使钻机解除事故，使钻机解除事故，负载启动能力强，操作平稳负载启动能力强，操作平稳。39 (4)(4)调速范围调速范围R R增大增大，在高效工作区内，在高效工作区内，R Rn nT2T2/n/nT1T12.02.0，在重载，轻载区仍可以工作在重载，轻载区仍可以工作，只是，只是效率较低。为了提高效率，一般只需效率较低。为了提高效率，一般只需4 4个机械挡，个机械挡，这既简化了传动，又方便了操作。这既简化了传动，又方便了操作。(5)(5)传动平稳柔和传动平稳柔和，吸收冲击振动，延长了机械，吸收冲击振动，延长了机械设备寿命。设备寿命。(6)(6)柴油机液力变矩器并车柴油机液力变矩器并车较皮带并车传动效率较皮带并车传动效率提高提高3 3，减少了并车损失。，减少了并车损失。柴油机变矩器驱动柴油机变矩器驱动优势优势：40 柴油机变矩器驱动主要不足之处是柴油机变矩器驱动主要不足之处是效率偏低，效率偏低，变矩器最高效率一般为变矩器最高效率一般为85859090，且随涡轮轴转且随涡轮轴转速变化其效率还要降低。纯钻进驱动泵时工效明速变化其效率还要降低。纯钻进驱动泵时工效明显低于机械传动。此外变矩器显低于机械传动。此外变矩器结构比较复杂结构比较复杂，还，还需要一套需要一套补偿和散热冷却系统补偿和散热冷却系统。柴油机变矩器驱动柴油机变矩器驱动弊端弊端：41柴油机变矩器柴油机变矩器联合工作特性曲线联合工作特性曲线如图所示，如图所示，42柴油机变矩器柴油机变矩器联合工作特性曲线联合工作特性曲线如图所示，如图所示，43 实测表明，每起一立根可比实测表明，每起一立根可比ZJ45JZJ45J钻机平均缩短钻机平均缩短7.57.59.59.5秒，约缩短原时间的秒，约缩短原时间的14141515。与。与ZJ45JZJ45J钻钻机相比，实现了泵的正转运行。机相比，实现了泵的正转运行。44第四节第四节 电驱动原理及设备电驱动原理及设备一、电动机的一、电动机的机械特性机械特性电机转速电机转速n n与转矩与转矩M M之之间的间的关系关系，称，称电动机的特性电动机的特性电动机的转速随转矩电动机的转速随转矩变化的变化的程度程度称为称为机械特性机械特性45二、直流电动机二、直流电动机机械特性机械特性与与人为特性人为特性并励、它励电动机具有并励、它励电动机具有硬特性硬特性46二、直流电动机二、直流电动机机械特性机械特性与与人为特性人为特性串励电动机具有串励电动机具有软特性软特性47二、直流电动机二、直流电动机机械特性机械特性与与人为特性人为特性2 2、直流电机、直流电机人为特性（调速方法）人为特性（调速方法）电驱串电阻调速法电驱串电阻调速法降低电驱电压调速法降低电驱电压调速法减弱磁通调速法减弱磁通调速法它励电机电驱串电阻调速它励电机电驱串电阻调速-人为特性人为特性48二、直流电动机二、直流电动机机械特性机械特性与与人为特性人为特性2 2、直流电机、直流电机人为特性（调速方法）人为特性（调速方法）电驱串电阻调速法电驱串电阻调速法降低电驱电压调速法降低电驱电压调速法减弱磁通调速法减弱磁通调速法49三、交流电动机三、交流电动机机械特性机械特性与与人为特性人为特性1 1、交流电机、交流电机机械特性机械特性交流电动机交流电动机机械特性是机械特性是硬特性硬特性，不能满足钻机，不能满足钻机工作机对调速的要求。工作机对调速的要求。50三、交流电动机三、交流电动机机械特性机械特性与与人为特性人为特性2 2、交流电机变频调速、交流电机变频调速机械特性机械特性通过人为变频调速的通过人为变频调速的机机械特性械特性，能够满足钻机能够满足钻机工作机对调速的要求。工作机对调速的要求。51四、四、AC-SCR-DC可控硅直流电机可控硅直流电机1 1、SCRSCR电驱动电驱动52四、四、AC-SCR-DC可控硅直流电机可控硅直流电机2 2、SCRSCR电驱动优势电驱动优势（1 1）、有人为软特性）、有人为软特性（2 2）、简化机械传动系统，提高了效率）、简化机械传动系统，提高了效率（3 3）、发电机组运行在最佳工况，节省燃料，延长了大修期）、发电机组运行在最佳工况，节省燃料，延长了大修期（4 4）、动力可互济，分配灵活）、动力可互济，分配灵活（5 5）、便于钻机布置，维修费大大降低，自动化高，更安全）、便于钻机布置，维修费大大降低，自动化高，更安全53四、四、AC-SCR-DC可控硅直流电机可控硅直流电机3 3、ZJ60DZJ60D钻机的钻机的SCRSCR驱动系统驱动系统54四、四、AC-SCR-DC可控硅直流电机可控硅直流电机ZJ60DZJ60D钻机的直流电机钻机的直流电机GR752RGR752R机械特性机械特性55四、四、AC-SCR-DC可控硅直流电机可控硅直流电机穿穿1010跟绳跟绳穿穿1212跟绳跟绳56五、加速发展五、加速发展AC变频点驱动钻机变频点驱动钻机1 1、原理：通过改变频率来调速、原理：通过改变频率来调速2 2、交流变频驱动的优势：、交流变频驱动的优势：（1 1）能无极变速，可横功率调速，低速性能好）能无极变速，可横功率调速，低速性能好（2 2）有转矩、转速限定功能，有过载、过热、过硫）有转矩、转速限定功能，有过载、过热、过硫 保护性能保护性能（3 3）短时超载能力强）短时超载能力强1.5-21.5-2，可带载启动，可实现对，可带载启动，可实现对 电网能量反馈电网能量反馈（4 4）交流电机效率高达）交流电机效率高达96%96%，维护费用低，安全性好，维护费用低，安全性好（5 5）易于实现自动化控制）易于实现自动化控制57