電動(dòng)鉆機(jī)泥漿泵變頻系統(tǒng)的配置與調(diào)試研究

郭輝

摘 要：在石油開采行業(yè)中，需要用到很多設(shè)備，并通過(guò)和先進(jìn)的工藝技術(shù)相銜接，給石油的開采工作帶來(lái)更高的效率，比較具有代表性的有電動(dòng)鉆機(jī)泥漿泵所使用的先進(jìn)工藝，包括系統(tǒng)的配置。文章對(duì)鉆機(jī)泥漿泵變頻系統(tǒng)在實(shí)際使用中具有的特點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試方法進(jìn)行了一些說(shuō)明，旨在為促進(jìn)我國(guó)石油行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)鉆機(jī)泥漿泵;負(fù)載;變頻電機(jī);配置;調(diào)試策略

1、引言

由于石油幾乎都深埋在地底下或者海洋下面，需要依托泥漿泵等鉆機(jī)進(jìn)行開采。石油的開采也是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，因此需要這些進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的工作，這樣就需要相關(guān)設(shè)備具備耐負(fù)荷和能夠在長(zhǎng)時(shí)間下工作的能力。泥漿泵變頻系統(tǒng)的配置直接影響到電動(dòng)鉆機(jī)的工作效率，最終影響到石油的開采，在實(shí)際工作中發(fā)揮著重要的作用，因此，需要結(jié)合實(shí)際負(fù)載的變化對(duì)變頻系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和控制。

2、石油鉆機(jī)泥漿泵的性能參數(shù)

當(dāng)前石油開采行業(yè)中，變頻調(diào)速的技術(shù)使用也比較廣泛。在泥漿泵中，由于各處石油開采的地理位置差異明顯，實(shí)際工況不盡相同，導(dǎo)致泥漿泵在實(shí)際工作中需要根據(jù)不同的工況來(lái)調(diào)節(jié)，這就對(duì)泥漿泵的性能參數(shù)分析提出了要求。

在泥漿泵的性能參數(shù)中，主要有以下幾點(diǎn)：

①泥漿泵的理論排量。所謂理論排量，是指泵在單位時(shí)間內(nèi)所排除泥漿體積的大小，它不僅和鉆孔的直徑大小有關(guān)，還和孔底沖洗液上訪來(lái)回的速度快慢有關(guān)。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)電動(dòng)鉆的功率大小;

②工作壓力。當(dāng)鉆孔鉆入的深度越深時(shí)，遇到的阻力就會(huì)越大，此時(shí)要保持電動(dòng)鉆機(jī)繼續(xù)工作，就必須要能承受更大的壓力。在鉆孔工作時(shí)，泵的出口在單位面積上的液體壓力就是工作壓力;

③額定功率。在石油鉆機(jī)的泥漿泵中，其輸入功率主要是通過(guò)動(dòng)力機(jī)所傳遞的能力大小來(lái)表示。額定功率值的大小等于泥漿泵在工作時(shí)額定沖次時(shí)的輸入功率;

④工作效率。工作效率是一個(gè)非常重要的性能參數(shù)，它對(duì)泥漿泵工作將產(chǎn)生直接的影響。其值為鉆機(jī)泥漿泵的有效功率與輸入功率的比。

以上四點(diǎn)為石油鉆機(jī)泥漿泵比較重要的性能參數(shù)。在石油開采中，為了使得這些設(shè)備能更好地工作，就必須要了解泥漿泵的性能參數(shù)，以便做好泥漿泵變頻系統(tǒng)的配置和調(diào)試工作。

3 、石油鉆機(jī)泥漿泵的負(fù)載特性以及變頻電機(jī)的具體配置

石油鉆機(jī)泥漿泵在一定負(fù)載的情況下，其空載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩之間具有如下的關(guān)系：

在該式中，nL為轉(zhuǎn)速，TL是負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩，空載轉(zhuǎn)矩為T0，Kt是一個(gè)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。由于空載轉(zhuǎn)矩T0的值比較小，在實(shí)際確認(rèn)石油鉆機(jī)泥漿泵的負(fù)載特性時(shí)可以將其忽略不計(jì)。這樣一來(lái)上式就可以簡(jiǎn)單的將公式簡(jiǎn)化成負(fù)載的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方之間存在某種正比關(guān)系。在石油鉆機(jī)泥漿泵機(jī)械功率的計(jì)算公式中將上式帶入后可得到以下公式：

其中P0就是指電動(dòng)鉆機(jī)在空載時(shí)候的功率。以功率較大的泥漿泵來(lái)說(shuō)，軸端的輸入功率能達(dá)到1600hp，而且其額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到1000rpm。電機(jī)是通過(guò)皮帶傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)鉆頭，在系統(tǒng)中會(huì)配置單電機(jī)或者是雙電機(jī)。單電機(jī)或者雙電機(jī)所需要配置的變頻異步電機(jī)會(huì)有所差異。單電機(jī)時(shí)變頻異步電機(jī)的功率為1200kw，而如果時(shí)配了雙電機(jī)的話，則會(huì)相應(yīng)地搭載兩臺(tái)功率700kw的變頻異步電機(jī)。不過(guò)無(wú)論是配備的單電機(jī)，還是雙電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速幾乎都維持在1000rpm左右保持不變。

在泥漿泵實(shí)際工作中泵的泵沖和泵壓是比較重要的參數(shù)。當(dāng)缸的直徑相同時(shí)，泵的排量和電機(jī)是正比例的關(guān)系，同樣電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和泵壓也是正比例的關(guān)系。為了保證電機(jī)安全可靠地運(yùn)行，必須要在額定轉(zhuǎn)速以下工作。如果轉(zhuǎn)速超過(guò)額定功率，就會(huì)使得轉(zhuǎn)矩和泵壓的比值增大，使得鉆機(jī)泥漿泵的內(nèi)部元器件被損壞，從而造成泵無(wú)法工作。另外，實(shí)際轉(zhuǎn)速超過(guò)額定功率，所配置的電機(jī)也會(huì)產(chǎn)生國(guó)在現(xiàn)象。

4 、變頻調(diào)速特點(diǎn)和相應(yīng)的石油鉆機(jī)泥漿泵負(fù)載配置關(guān)系

在異步電機(jī)中U和f的比值在無(wú)功補(bǔ)償下恒定值標(biāo)量控制變頻時(shí)，在額定轉(zhuǎn)速以下，調(diào)速通過(guò)恒轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有低速電壓補(bǔ)償時(shí)，可以通過(guò)最大的轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的調(diào)整，從而保證鉆機(jī)泥漿泵能穩(wěn)定地保持在比較小的轉(zhuǎn)矩下進(jìn)行工作。

在石油鉆機(jī)的泥漿泵中的變頻器以適量控制技術(shù)為主，電流矢量值可以通過(guò)變頻中可測(cè)量技術(shù)獲得數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)控制器電流矢量的效果。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制和交流電機(jī)的工作勵(lì)磁電流可以通過(guò)磁場(chǎng)的定向工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，從而達(dá)到交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。變頻器中的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩值大小和轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快慢有著直接的關(guān)系。轉(zhuǎn)矩值越小，響應(yīng)性則越慢，這也會(huì)使得調(diào)速的精度越低。當(dāng)電機(jī)的額定功率超過(guò)額定輸入功率值時(shí)，才能保證變頻調(diào)速系統(tǒng)能正常穩(wěn)定地工作。

因此，泥漿泵的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速值要高于泥漿泵的額定轉(zhuǎn)速;電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩要高于泥漿泵的額定轉(zhuǎn)矩。對(duì)電機(jī)和泥漿泵進(jìn)行互相匹配時(shí)要注意，電機(jī)的匹配額定轉(zhuǎn)速要低于泥漿泵的額定轉(zhuǎn)速，不然就會(huì)使得電機(jī)過(guò)載而損壞電機(jī)。

5、電動(dòng)鉆機(jī)泥漿泵變頻系統(tǒng)的調(diào)試策略

在電動(dòng)鉆機(jī)泥漿泵系統(tǒng)的變頻系統(tǒng)控制上，通常采用的是無(wú)編碼器的矢量來(lái)控制，或者通過(guò)DTC或者是V/F來(lái)控制，能夠調(diào)速的比值為10倍。為了盡可能提高轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，需要盡可能縮短泥漿泵的啟動(dòng)和加速時(shí)間。目前行業(yè)中泥漿泵的啟動(dòng)加速時(shí)間一般都控制在20到30S之間。該事件如果過(guò)短，也會(huì)帶來(lái)不利影響，比如啟動(dòng)或者減速時(shí)間太短，會(huì)帶來(lái)較大的有功沖擊。為了增大負(fù)載，發(fā)電機(jī)一般使用柴油，這樣也就可以提高轉(zhuǎn)速。為了實(shí)現(xiàn)啟停功能，可以用自由停車方式來(lái)表示停車指令后的逆變器的IGBT。關(guān)于泥漿泵的調(diào)速范圍，單電機(jī)時(shí)要實(shí)現(xiàn)100倍的比例，在額定轉(zhuǎn)速的40%以上進(jìn)行工作。由于泥漿泵的泵沖和電機(jī)轉(zhuǎn)速是正比例關(guān)系，可以通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算，從而達(dá)到校準(zhǔn)泵沖的目的。

6、結(jié)語(yǔ)

石油在鉆井作業(yè)時(shí)，由于施工環(huán)境比較復(fù)雜，泥漿泵也不是一直處于某種工況在工作，而是要根據(jù)泥漿的環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)。不僅要求泥漿泵能實(shí)現(xiàn)快速的啟動(dòng)功能，還能有較強(qiáng)的承載能力。電機(jī)和泥漿泵之間如果匹配不合適，就會(huì)給電動(dòng)鉆機(jī)的工作帶來(lái)各種問(wèn)題，從而影響到工程的精度。這就要求電動(dòng)泥漿泵的變頻系統(tǒng)具備較好的反應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)泥漿泵高效和安全的工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 白君，試論電動(dòng)鉆機(jī)泥漿泵變頻系統(tǒng)的配置與調(diào)試，中國(guó)設(shè)備工程，2018-09（下）;136-137