基于變頻器一拖二方式下的鉆井泵傳動系統優化

張彥偉， 王飛， 李慶福， 王偉， 曹振興， 秦弈涵， 王輝， 范磊， 邱立波

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引 言

變頻器是計算機技術、現代控制技術和網絡技術的有機結合，其具有調速范圍寬、調速精度高、動態響應快、運行效率高、節能效果好、系統穩定可靠等顯著特點，現已廣泛應用于石油化工、電力、機械、工業等領域。

PLC控制系統即為可編程邏輯控制器，以中央處理單元（CPU）為控制核心的工業控制裝置, 它將傳統的繼電器控制系統與計算機技術結合在一起, 具有高可靠性、靈活通用、易于編程、使用方便等特點，廣泛應用于工業控制及石油化工領域。

鉆井泵組是石油鉆機的“心臟”，在鉆井作業過程中起到非常重要的作用，所以鉆井泵組的穩定性、可靠性對鉆機作業的影響是不言而喻的。鉆井泵的傳動控制系統是集變頻器、PLC、觸摸屏、操作開關等為一體的復雜系統。

1 現 狀

石油鉆機采用鉆井泵組作為鉆井泥漿循環的輸送動力，常用的F-1600系列鉆井泵是臥式三缸單作用活塞泵，鉆井泵主要由動力端和液力端兩大部分組成。動力端包括機架、小齒輪軸、曲軸、十字頭、中間拉桿等；液力端包括液缸、閥總成、缸套、活塞、吸入管及排出管等。它通常是由兩臺變頻電動機通過皮帶傳動型式拖動鉆井泵組進行作業，滿足現場實際工況的使用要求。

鉆井泵電氣控制系統原理為：柴油發電機組并網進行供電，提供600 V、3相、50 Hz交流電到控制系統的交流母排。變頻系統采用全數字控制交流變頻調速裝置，先由整流單元將交流母排上的600 V交流電轉換成810 V直流電，輸出到公共直流母排上；再由逆變單元將直流母排上的810 V直流電轉換成電壓0～600 V、頻率0～150 Hz連續可調的交流電，泥漿泵交流變頻電動機采用“一對二”控制方式（變頻器一拖二），驅動鉆井泵交流變頻電動機，驅動拖動性能滿足泥漿泵的傳動要求，驅動原理如圖1所示。

石油電動變頻鉆機的鉆井泵組，一臺鉆井泵組配套兩臺變頻電動機驅動，通過皮帶拖動鉆井泵組運行；在控制方面，采用一臺大功率的變頻器拖動兩臺變頻電動機運行也是一種很普遍的控制方式。鉆井泵組變頻器一拖二的控制方式是指1臺大功率的變頻器同時驅動2臺參數相同的變頻電動機，兩臺變頻電動機共同驅動一臺鉆井泵組，并滿足電動機的拖動及設備的實際運行工況要求。采用這樣的設計方案，減少了變頻器占用的空間，降低投資成本，并且能最大程度上滿足鉆井泵組的運行要求。

2 存在的問題

圖1 控制系統框圖

目前在實際使用過程中發現存在以下問題：對于鉆井泵動力端采用雙電動機通過皮帶傳動型式拖動的鉆井泵組，由于皮帶和主傳動輪的打滑現象偶有發生，影響正常鉆井作業；如果不能及時發現及解決打滑問題，會引起變頻電動機過載運行，導致2臺電動機電流異常及過載變頻電動機溫升過高，甚至會發生變頻電動機“掃鏜”等并發性問題，影響鉆井作業的進行。

根據變頻器的特點，變頻器的輸出接線端為U、V、W 3個母排，采用“一拖二”驅動方式的變頻系統，目前的變頻及控制系統無法檢測泥漿泵組“皮帶打滑”的現象，由于“一拖二”控制方式的特點，控制系統無法對變頻電動機的運行狀態進行監控及對變頻電動機進行保護。

3 原因分析

3.1 打滑原因分析

皮帶傳動機構正常運行時，其速度應與主動輪表面旋轉線速度相同，帶速不得低于主動輪表面線速度的95%。但是在實際運行中，由于多種原因，造成皮帶與主動輪轉速不同步，或是主動輪旋轉而皮帶不轉，這種現象稱為打滑。打滑是由于設備出現過載，圓周力不能克服從動輪上的阻力矩，傳動皮帶沿輪面發生全面打滑，導致從動輪轉速降低甚至不動。由此看來產生打滑主要是由于過載引起，從分析受力情況來看，是由于圓周力不能克服從動輪上的阻力矩，即主動輪不能帶動從動輪轉動，皮帶只是在從動輪上滑動。因此產生打滑的原因與皮帶的受力有關。引起皮帶打滑的因素還有皮帶過松、皮帶磨損等。

圖2 皮帶傳動的鉆井泵

3.2 控制系統原因分析

鉆井泵組配套的兩臺變頻電動機（A電動機、B電動機）的參數及特性是一致的，變頻器的輸出電流、功率等參數設置，是根據兩臺變頻電動機之和進行設置的，變頻器的參數的保護值也是按兩臺變頻電動機參數之和進行設定的；鉆井泵組運行過程中，變頻器的輸出默認為對一臺變頻電動機的輸出，具體到每個變頻電動機的驅動電流是多少，變頻器及PLC控制系統無法知曉，所以對于是否發生一臺電動機過載運行，另外一臺電動機不出力的情況，變頻器及PLC控制系統無法檢測及判斷，控制系統也無法做出相應的保護。

4 優化措施

4.1 對電動機溫度進行實時監測

利用鉆機控制系統實時監測變頻電動機的繞組、軸承溫度，及時發現溫度異常，并進行報警。鉆井泵配套的兩臺變頻電動機安裝繞組、驅動端軸承、非驅動端軸承溫度檢測傳感器，并把溫度傳感器檢測信號接入到電控房PLC控制系統中，對電動機繞組和軸承溫度進行實時監測，并對單臺鉆井泵組A和B電動機的繞組、溫度進行比對，參考電動機的工作溫度要求，如溫度出現異常現象并超過報警值，控制系統及時輸出報警信息到司鉆房觸摸屏上，如果溫度繼續升高達到停機值時，控制系統控制鉆井泵組停機，并同時輸出故障報警信息到司鉆房觸摸顯示屏上，待現場問題解決后，方可繼續工作，如圖3所示。

4.2 對電動機電流進行實時監測

利用鉆機控制系統實時監測A/B 變頻電動機的電流，及時發現電流異常，并進行報警。鉆機電氣控制系統中，在變頻器的輸出側到兩臺變頻電動機的供電電纜上分別安裝電流互感器，分別監測一臺鉆井泵組A/B的兩臺變頻電動機的電流，通過電量變換器轉換成4～20 mA標準信號，并把該信號發送給PLC控制系統，PLC對采集到的兩臺變頻電動機電流信號進行計算和比對，當兩臺變頻電動機的電流偏差過大時，PLC發出報警信號，在司鉆房觸摸顯示屏上進行報警顯示，若兩臺變頻電動機的電流偏差值超過限制值時，PLC系統及時發送出停機命令，并在司鉆房觸摸顯示屏上顯示故障停機報警信息，提醒司鉆工檢查出問題的泵組，避免單個變頻電動機長時間過載，導致過載電動機損壞。控制原理圖如圖4所示。

鉆井泵變頻器輸出端U、V、W共3個母排，3個母排分別接到鉆井泵組兩臺變頻電動機的供電電纜，其中一個變頻電動機的相序為U、W、V，一個變頻電動機正轉，另外一個變頻電動機反轉，接線圖如圖5所示。

圖3 電動機溫度監測框圖

4.3 對電動機轉速和泵沖數進行實時監測

利用鉆機控制系統實時監測泵沖和電動機轉速，并進行比對，及時發現轉速偏差并進行報警。鉆井泵組的兩臺變頻電動機分別安裝編碼器，在鉆井泵上安裝泵沖傳感器，控制系統采集兩臺變頻電動機的轉速及泵沖信號，PLC控制器對采集到的變頻電動機的轉速和泵沖信號進行比對，判斷鉆井泵是否存在打滑現象，實現對鉆井泵狀態實時監測，并及時發送出報警信息。

圖4 控制原理框圖

圖5 接線圖

5 結 語

通過對鉆井泵組變頻系統增加電流互感器、編碼器、泵沖傳感器等，以及把變頻電動機的繞組溫度、軸承溫度信號引入到鉆機電控系統的PLC控制系統，實時對鉆井泵變頻電動機的電流和溫度、轉速和泵沖進行檢測，及時發現打滑現象。通過PROFINET網絡把檢測信息傳遞給司鉆房觸摸顯示屏上，并具有報警提示功能。

另外，對鉆井泵驅動皮帶定期進行檢查，查看皮帶是否損壞；對皮帶預拉力進行定期檢查控制，按要求調整主動輪和從動輪之間的距離，張緊力滿足要求，也能有效地解決皮帶打滑問題。

采用上述措施處理后，有效地保障了鉆井泵的可靠、安全運行，極大地提高了鉆井作業效率。