CN201344002Y - 能量回收电驱动钻机 - Google Patents
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Abstract
一种能量回收电驱动钻机，由交流变频电动机、传动箱、角传动箱、变量泵－马达液压系统、滚筒、液压盘式刹车、游车大钩、转盘等部分组成，变量泵－马达液压系统通过传动箱并联在电动机至滚筒的主系统上；变量泵－马达液压系统包括变量泵－马达、二位二通电磁阀、蓄能器、溢流阀、油箱；变量泵－马达为双向变量轴向柱塞泵－马达。用蓄能器储存起钻辅助作业期间的电动机能量供起升钻柱时用，故将动力机功率减为常规钻机的1/3，用蓄能器储存钻柱下放时释放出来的重力势能，实现了能量回收利用。
Description
(一)技术领域
本实用新型涉及石油、天然气工业的钻井设备，具体地讲是一种能量回收电驱动钻机。
(二)背景技术
石油钻机在更换钻头时，需将井中的全部钻柱取出，称起钻作业。更换钻头后要将钻柱下入井中，称下钻作业。起钻作业是间歇性的周期过程。钻机机动起升钻柱的时间约占整个起立根周期的1/3，而卸扣、摆放立根等辅助作业时间则占2/3。机动起升钻柱需要动力机大功率工作，而卸扣、摆放立根等辅助作业时动力机小功率工作。常规钻机为了满足快速起升钻柱的需要，装机功率都较大。大功率动力机大部分时间是在小功率下工作，经济性差，动力机磨损严重。钻柱从井下被提到地面储存了相当的重力势能，将钻柱下放入井内时，储存的重力势能要释放出来，这些能量是相当大的。常规钻机不能回收这些能量，只能靠制动器将其变成热能消耗掉。所以常规钻机在起升和下放钻柱的作业中都存在着能量浪费现象。
(三)发明内容
为了克服常规钻机在起钻和下钻作业中存在的能量浪费现象，本实用新型提供了一种能量回收电驱动钻机，可以将动力机功率减小为常规钻机的1/3，还可以回收钻柱下放时释放出来的重力势能，节能效果显著。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：能量回收电驱动钻机包括交流变频电动机1和2、传动箱8、角传动箱9、滚筒10、液压盘式刹车11、游车大钩12、转盘14及连接各部分的联轴器、离合器，其特殊之处在于还包括传动箱5和变量泵-马达液压系统，变量泵-马达液压系统通过传动箱5并联在电动机1至滚筒10的主系统上。变量泵-马达液压系统包括变量泵-马达15、二位二通电磁阀16、蓄能器、溢流阀17、油箱20。变量泵-马达15为双向变量轴向柱塞泵-马达，其斜盘倾角的方向和大小都可以改变；改变斜盘倾角的方向可以改变变量泵-马达15的输出转矩的方向，改变斜盘倾角的大小可以改变变量泵-马达15的排量，从而改变变量泵-马达15的输出转矩的大小。在起升钻柱的辅助作业期间将电动机1的动力通过传动箱5传给变量泵-马达15，使变量泵-马达15呈泵工况运转，向蓄能器中充油储存动力；在起升钻柱时蓄能器中储存动力使变量泵-马达15呈马达工况运转，通过传动箱5与电动机1的动力并车传给滚筒10，这样可使电动机1的功率比普通钻机大为减小，大约仅为普通钻机的1/3。变量泵-马达15为双向变量泵-马达，其在起钻的辅助作业期间呈泵工况运转，在起钻时呈马达工况运转，是通过改变其斜盘倾角的方向，从而改变其输出转矩的方向来实现的。下放钻柱时可将动力机关机，钻柱在本身重力作用下下放入井内，同时驱动变量泵-马达15向蓄能器中充压力油，也就是将钻柱的重力势能变为蓄能器中压力能储存起来。
本实用新型与现有技术相比有如下优点：与普遍采用的常规钻机相比，可以将动力机功率减小为常规钻机的1/3，还可以回收钻柱下放时释放出来的重力势能。
(四)附图说明
附图为本实用新型的结构示意图。
(五)具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的详述。参见附图，能量回收电驱动钻机由交流变频电动机1和2、传动箱5和8、角传动箱9、变量泵-马达液压系统、滚筒10、液压盘式刹车11、游车大钩12、转盘14及连接各部分的联轴器和离合器等部分组成。变量泵-马达液压系统通过传动箱5并联在电动机1至滚筒10的主系统上。变量泵-马达液压系统由变量泵-马达15、二位二通电磁阀16、蓄能器、溢流阀17、油箱20等组成。蓄能器由蓄液缸18和氮气包19组成。变量泵-马达15为双向变量轴向柱塞泵-马达，其斜盘倾角的方向和大小都可以改变。传动箱5的作用是在起钻的辅助作业期间将电动机1的动力传给变量泵-马达15，在起钻时将变量泵-马达15的动力传给滚筒10。传动箱5包括一对齿轮53和54。变量泵-马达15的轴通过联轴器33、离合器44与传动箱5的轴52相连。传动箱5的轴51一端通过离合器41、联轴器31与电动机1相连，另一端通过离合器43、联轴器34与传动箱8、角传动箱9相连。角传动箱9通过联轴器35与滚筒10相连。交流变频电动机2通过联轴器32、离合器42、万向联轴器36、37和传动轴13驱动转盘14。链传动6有一链轮空套在传动箱5的轴51的伸出端上，啮合套7向左拨动，可实现链传动6与轴51的挂合，从而实现电动机1和2的并车。
在起升钻柱的辅助作业期间，离合器43分离，调整变量泵-马达15斜盘倾角的方向，使其位于正方向，使变量泵-马达15在油压的作用下输出转矩的方向与电动机1输出转矩的方向相同，则电动机1通过联轴器31、接合的离合器41、齿轮副53和54、接合的离合器44、联轴器33作用在变量泵-马达15轴上的转矩T1方向与变量泵-马达15在油压的作用下输出转矩T2方向相反，调整变量泵-马达15的排量，使T1大于T2，则变量泵-马达15呈泵工况运转，通过二位二通电磁阀16的下位向蓄能器中充油。溢流阀17起安全保护作用。当起升钻柱时，离合器43接合，调整变量泵-马达15斜盘倾角的方向，使其位于负方向，使变量泵-马达15在油压的作用下输出转矩的方向与电动机1输出转矩的方向相反，松开刹车11，变量泵-马达15通过联轴器33、接合的离合器44、齿轮副53和54作用在轴51上的转矩方向与电动机1的输出转矩方向相同，变量泵-马达15呈马达工况运转，其动力与电动机1的动力并车，一起向滚筒10输出能量，使滚筒旋转，通过游车大钩12起升钻柱。所以电动机1的功率比普通钻机大为减小，大约仅为普通钻机的1/3。
因为在起升钻柱时，钻柱的重量是变化的，在逐渐减小。而电动机功率为普通钻机的1/3。所以当起升的钻柱重量小于最大钻柱重量的1/3时，此时不用借助变量泵-马达15的动力就可起升钻柱。起升此重量段的钻柱时，将离合器44分离，变量泵-马达15不工作。此时为防止变量泵-马达15空转，将二位二通电磁阀16置于上位。即起升此重量段的钻柱时，能量回收电驱动钻机与一般变频电动钻机相同。当起升的钻柱重量大于最大钻柱重量的1/3时，电动机1与变量泵-马达15并车工作，此时电动机1在额定恒转矩下运行。超过电动机额定转矩的负载转矩部分由变量泵-马达15输出动力承担。司钻根据大钩指重表进行变量泵-马达15排量的调整。当起升的钻柱重量较大，即负载转矩较大时，变量泵-马达15承担的负载转矩也较大，此时司钻将变量泵-马达15的排量调大，使变量泵-马达15的输出转矩增大。反之当起升的钻柱重量较小，即负载转矩较小时，变量泵-马达15承担的负载转矩也较小，此时司钻将变量泵-马达15的排量调小，使变量泵-马达15的输出转矩减小。
一般情况下，并车链传动6不挂合，即由电动机1驱动滚筒，由电动机2驱动转盘。在特殊情况下，如卡钻时，并车链传动6挂合，由电动机1和2共同驱动滚筒，提高滚筒的起升能力。
下放钻柱时，电动机1关机，并将离合器41分离。即下钻时电动机1不工作。接好立根准备下放钻柱时，调整变量泵-马达15斜盘倾角的方向，使其位于负方向，松开刹车11，钻柱在本身重力作用下通过滚筒10、联轴器35、角传动箱9、传动箱8、联轴器34、接合的离合器43、齿轮副53和54、接合的离合器44、联轴器33作用在变量泵-马达15轴上的转矩T3方向与变量泵-马达15在油压的作用下输出转矩T2方向相反，调整变量泵-马达15的排量，使T3大于T2，则钻柱下放入井内，同时使变量泵-马达15呈泵工况运转，通过二位二通电磁阀16的下位向蓄能器中充油。也就是将钻柱的重力势能变为蓄能器中的液压能储存起来，实现了钻柱重力势能的回收。
下放钻柱时，钻柱的重量是逐渐增大的。司钻根据大钩指重表适时进行变量泵-马达15排量的调整。一开始钻柱的重量较小，此时变量泵-马达15的排量也较小，回收的能量较少。随着下放钻柱重量的增加，司钻适时将变量泵-马达15排量调大，回收的能量也越来越多。这部分回收能量可以重新利用，用其完成下钻辅助作业期间的工作，如完成提升空吊卡，驱动液压大钳上扣，驱动压气机，提供操纵离合器和制动器的能量等。以前这些工作都由动力机完成，现在由回收能量完成，大大节约了能源。
Claims (4)
1、能量回收电驱动钻机，包括交流变频电动机(1)和(2)、传动箱(8)、角传动箱(9)、滚筒(10)、液压盘式刹车(11)、游车大钩(12)、转盘(14)及连接各部分的联轴器、离合器，其特征在于还包括传动箱(5)和变量泵-马达液压系统，变量泵-马达液压系统通过传动箱(5)并联在电动机(1)至滚筒(10)的主系统上；变量泵-马达液压系统包括变量泵-马达(15)、二位二通电磁阀(16)、蓄能器、溢流阀(17)、油箱(20)；所述的变量泵-马达(15)为双向变量轴向柱塞泵-马达。
2、根据权利要求1所述的能量回收电驱动钻机，其特征在于所述的变量泵-马达(15)的轴通过联轴器(33)、离合器(44)与传动箱(5)的轴(52)相连。
3、根据权利要求1所述的能量回收电驱动钻机，其特征在于所述的传动箱(5)包括一对齿轮(53)和(54)。
4、根据权利要求1所述的能量回收电驱动钻机，其特征在于传动箱(5)的轴(51)一端通过离合器(41)、联轴器(31)与电动机(1)相连，另一端通过离合器(43)、联轴器(34)与传动箱(8)、角传动箱(9)相连。
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