ZJ50D直流电动钻机高油耗分析及节能降耗措施浅析

邓永义

摘要：近年来成为石油钻机的主要驱动方式。但因其采用的是AC-SCR-DC的全控整流模式，存在无功功率较大、功率因数偏低相较机械钻机油耗较高。本文探讨了ZJ50D直流电动钻机油耗过高的原因并提出了节能降耗的一些措施。

关键词：无功功率；功率因数；直流电动钻机；节能降耗

1.直流电动钻机普遍油耗较高的原因

1.1无功功率较大，功率因数偏低

任何负载都是由三种功率组成，有功功率P、无功功率Q和视在功率S。

所谓功率因素，就是负载的功率因素，电压与电流之间的相位差（ ）的余弦叫做功率因数，用符号 表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值。

三种功率和功率因素 是一个直角功率三角形关系：两个直角边是有功功率即转变为机械能的部分功率。无功功率（为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率），斜边是视在功率（需要能耗的总功率）。

有功功率平方+无功功率平方=视在功率平方。

三相负荷中，任何时候这三种功率总是同时存在：

视在功率S=1.732UI

有功功率P=1.732UI

无功功率Q=1.732UIsin

功率因数cos =P/S

sin =Q/S

功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数，自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质。直流钻机电气设备为感性负载，功率因数偏低。

1.1.1柴油发电机组

柴油发电机组一般是采用同步发电机（也俗称电球）将柴油发动机的旋转机械能转为电能。工作时，转子线圈通以直流电形成直流恒定磁场，在柴油机的带动下转子快速旋转，恒定磁场也随之旋转，定子的线圈被磁场磁力线切割产生感应电动势，发电机就发出电来。

1.1.2整流电路功率因数

直流钻机泥浆泵、绞车、转盘均采用800KW的直流电机驱动，

柴油发电机组输出600V交流电源经晶闸管桥式整流后驱动直流电机，无功功率较大，功率因数偏低。

以新场32井为例，平均无功功率1000Kvar左右，功率因数低于0.7。

1.2 能流多级传动，传动效率低

能流传递路径：柴油机→发电机→三相全控整流桥→直流电动机→钻井设备

1.3 晶闸管热损耗，辅助设备（如风机）、线路、控制设备等损耗

2.改进措施

2.1 配备功率补偿设备提高功率因数，降低无功功率

以井深2000—3000米，泵壓在20Mpa为例。平均有功功率1000KW，平均无功功率1000Kvar，功率因数0.69，视在功率1400KVA。钻井现场电气设备均为感性负载，电流滞后电压，功率因数偏低。为提高整流系统交流侧的功率因数 ，一般采用集中补偿的方式，即利用滤波电容器组并联在母排上，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。补偿无功功率可以增加电网中有功功率的比例常数，减小电流，降低线损。功率补偿设备可将功率因数提高至0.92（新21—4H井，官13井实际测算），视在功率S降低150KVA，按柴油发电机组的理论油耗190—220g/千瓦*小时。通过10口井的观察测量实际油耗大于理论油耗的最高值（与柴油的性能有关）。

每天理论节省油耗：150（KW）*0.22（Kg）*24（小时）=792Kg

提高泵冲，缩小缸径，降低无功功率，提高功率因数。

直流电动机是通过改变导通角 的大小从而实现无级调速。导通角 越小转速越高，反之 越大直流电机转速越低。

而功率因数：PF= *DF=0.9 =0.9Ud/Ud0

由上式可知三相全控整流系统功率因数的高低取决于导通角 的大小， 越小功率因数越高，反之功率因数越低。所以保证排量的情况下尽可能提高直流电机转速即主要电机如：绞车选择低速档，特别是开泵划眼加单根的过程是负荷最高的时候。泥浆泵就是提高泵冲，缩小缸径，降低无功功率，提高功率因数从而达到降低油耗的目的。

以新场32井、广金2井为例：

（1）广金2井井深2368m，泥浆泵缸径180mm，泵压15—16Mpa，泵冲85。泥浆泵SCR整流柜线电压600V，相电流863A，SCR整流柜功率

P1=√3*600*863=896.8KVA

广金2井井深2370m，泥浆泵缸径，泵压15—16Mpa，泵冲95泥浆泵SCR整流柜线电压600V，相电流795A，SCR整流柜功率

P2=√3*600*795=826.2KVA

节省功率 ： P=P1-P2=70.6KVA

每天理论节省油耗：70（KW）*0.22（Kg）*24（小时）=369.6Kg

（2）新场32井井深2991m，泥浆泵缸径170mm，泵压18-20 Mpa，泵冲87。泥浆泵SCR整流柜线电压600V，相电流895A，SCR整流柜功率

P1=√3*600*895=930.1KVA

新场32井井深2998m，泥浆泵缸径160mm，泵压18-20 Mpa，泵冲101。泥浆泵SCR整流柜线电压600V，相电流831A，SCR整流柜功率

P2=√3*600*831=863.6KVA

节省功率 ： P=P1-P2=66.5KVA

每天理论节省油耗：66.5（KW）*0.22（Kg）*24（小时）=351.1Kg

2.2 在一台泥浆泵能满足工况需要的情况下，禁止使用双泵

双泵钻进时两台泥浆泵都处于高泵压低泵冲的工作状态，使得驱动泥浆泵的直流电机处于低电压、大电流工作状态。导致无功功率很大，功率因数极低，并且谐波较大容易损坏电气设备。

2.3 提高电气设备使用效率，严禁空运行，使用后及时关闭，如绞车，液压站等

3.结束语

本文从ZJ50D电动钻机发电机组、整流系统、直流电机调速的角度分析了油耗较高的原因并提出了节能减排的措施和建议，从而希望可以减低能耗，节约成本，提高经济效益。