KZDB、XD-DB型交流變頻電驅動頂驅式巖心鉆機

KZ30DB、XD-35DB型交流變頻電驅動頂驅式巖心鉆機,由中國地質裝備總公司和汶川科學鉆探工程中心、核工業地質局等單位合作研制,是壹種具有我國自主知識產權的新型電動頂驅式巖心鉆機。鉆探施工能力N口徑分別為5000m、3500m。該鉆機由工業電網提供動力源,采用模塊化交流變頻電驅動單元作為提升、回轉、送鉆、打撈等執行系統,采用全轉矩控制、全機械化作業、全數字化操作的工作模式,融合機、電、液、氣、電子及信息化技術為壹體,服務於孔深3500m的礦產勘探及能源鉆采深部鉆探作業。

(壹)鉆機系統設計

1)采用重載K型鉆塔,承載1350kN,導軌行程25m,實現18m立根鉆進。

2)頂部驅動鉆井系統直接在井架上部驅動鉆柱,並沿井架內導軌上下移動,通過交流變頻絞車實現減壓鉆進功能,完成回轉鉆進、鉆井液循環、接立根/單根、上卸扣、倒劃眼等操作。

3)采用以AC-VFD-AC交流變頻方式驅動鉆機主要執行部件(絞車、頂驅、繩索卷揚、轉盤)的電機。實現頂驅、絞車等部件全程無級調速,取消機械換擋,傳動簡單、可靠。

4)采用全數字化交流變頻控制技術,通過電傳系統PLC、觸摸屏和氣、電、液及儀表參數壹體化設計,實現頂驅、絞車、繩索卷揚、轉盤等部件的智能化控制,並可實現遠程鉆進參數的監控。

(二)鉆機主要結構

鉆機主要結構部件包括K135鉆塔、2.0鉆井平臺、電驅頂驅系統、電驅主絞車(含盤剎)、電驅繩索絞車(含盤剎)、電控系統、司鉆房、井口自動化裝置、泥漿泵及固控裝置等。

1.鉆塔、平臺

采用K型鉆塔,鉆塔凈空高度31m,最大鉤載1350kN(5×6遊車繩系),平臺高度2.0m,立根盒容量4000m。鉆塔結構如圖2-14所示。

圖2-14 K型鉆塔結構示意圖

2.頂驅系統

直驅電驅動高速頂驅作為核心部件(圖2-15),具備回轉、泥漿循環、加接單根、起下立根、擰卸絲扣等功能。該頂驅獲國家發明專利,專利號:ZL201310367876.4。機械部分包括以下3部分:

圖2-15 頂驅結構

1)托架-滑車總成,由托架與多組滾子組成。確保頂驅沿著導軌高速運動或者慢速給進的運動限制及抗扭功能。

2)電機-水龍頭總成,由變頻電機組件與水龍頭組件組成。

3)自動擺管裝置,由提吊側擺機構與背鉗擰卸機構組成。側擺機構負責從平臺拾取鉆桿單根,或從二層臺抓取立根;背鉗擰卸機構負責單根鉆桿或鉆桿立根與頂驅主軸之間的絲扣擰卸。

3.主絞車

主絞車采用300kW交流變頻電機,通過減速機、卷筒離合器輸出扭矩與速度到卷筒,再通過天車、遊車實現對頂驅的提升與下放;主卷筒通過電機編碼器、制動單元實現能耗制動及零速懸停,通過液壓盤剎實現安全制動;通過卷筒編碼器可以精確測定頂驅系統在鉆塔凈空內的運行位置;通過過卷防碰、井架防碰實現對卷筒的安全制動。主絞車結構如圖2-16所示。

圖2-16 主絞車結構示意圖

送鉆裝置包含:送鉆變頻電機通過大速比送鉆減速機、送鉆離合器、減速機、卷筒離合器輸出扭矩與轉速給主絞車卷筒。

主絞車具有以下特點:

1)傳動方式:交流變頻電驅動,氣胎離合。

2)控制方式:閉環控制,可實現零位懸停。

3)安全模式:過卷防碰,井架鋼絲繩防碰,電子防碰。

4)剎車模式:主剎車為液壓盤剎,輔助剎車能耗制動。

5)制動形式:駐車制動、工作制動、緊急制動(失電)。

6)送鉆控制:小功率變頻電機實現自動送鉆,可實現3000N調壓精度。

7)控制顯示:氣源、潤滑油壓力、遊車位置與遊車速度的顯示與報警。

8)互鎖功能:主電機與送鉆電機啟動互鎖。

4.繩索取心絞車

繩索取心絞車(圖2-17)最大拉力:25000N;最高繩速:200m/min;鋼絲繩直徑:8mm;容繩量:4000m。該型絞車獲國家發明專利,專利號:ZL201310368723.2,其設計特點及功能優勢如下。

圖2-17 繩索取心絞車

(1)設計特點

1)傳動方式:交流變頻電驅動,電磁離合器;

2)控制方式:閉環控制,可實現零位懸停;

3)剎車模式:主剎為液壓盤剎,輔剎為能耗制動;

4)排列方式:自動排繩、自動換向;

5)控制顯示:可檢測繩長、繩速、張力。

(2)功能優勢

1)具有電磁離合,可實現無動力自由下放;

2)具有液壓盤剎,可實現安全制動;

3)具有排繩、張力、繩長等裝置,提高打撈成功率。

5.電控系統(AC-VF-AC)

電控系統由動力部分、變頻驅動部分以及各執行單元三部分組成。動力裝置為網電變壓器或柴油發電機組;變頻驅動裝置為VFD房(Variable-frequency Drive),包含頂驅電機、絞車電機、送鉆電機、繩索絞車電機、轉盤電機的變頻器以及綜合控制裝置(包含可編程邏輯控制器PLC);執行單元包含各部件的變頻電機、傳感器、編碼器、動力電纜及控制電纜。控制系統布局圖如圖2-18所示。

6.鉆機操作間

鉆機操作間是整個鉆井現場的“司令部”,如圖2-19所示。主要組成部分為電氣控制部分和數字化操控界面。除此之外,包含現場多點視頻監控、獨立檢測系統、現場通信裝置等。

操作間實現了集中、智能、舒適、安全操控的功能。電氣控制部分(元件面板)完成回轉、升降轉速、扭矩設定,加桿、擰卸、剎車等啟停及作業流程;數字化界面包括觸摸屏、顯示屏等,其功能是在各個人機界面中顯示工藝參數及設備運行參數並可進行設定。

7.工作室

除操作間的人機操作界面外,還配有遠程監控工作室,設置了鉆進參數工控機,可實時監視鉆機各個部件的運行狀態及主要的鉆進工藝參數,包括鉆進界面、網絡布局、裝置布局、趨勢圖、操作記錄、數據記錄等,不僅可以實時記錄設備運行參數、工藝參數、操作記錄等,而且可以存儲備份並遠程傳輸。

圖2-18 電控系統布局圖

圖2-19 鉆機操作間

8.輔助裝置

為配合頂驅取心鉆進工藝和單吊卡作業的完整流程,配備了液壓吊卡、動力鉗、氣動卡盤三個機械化井口作業專用輔助裝置,以提高作業效率、降低人工勞動強度。

1)液壓吊卡(圖2-20):用於提吊大直徑繩索取心鉆桿加接單根、立根,協助起下鉆作業,可實現自動開合、自動插銷、自動鎖緊。該吊卡獲國家發明專利,專利號:ZL201310367854.9;

2)動力鉗:用於大直徑大扭矩繩索鉆桿自動擰卸的動力裝置;

3)氣動卡盤:用於孔口自動夾持大噸位大直徑繩索鉆桿的裝置(圖2-21)。