張樹茂

（川慶國際工程公司物資采供辦，四川 成都 610051）

1 概述

臥式螺旋離心機(jī)是石油鉆井過程中不可或缺的固控設(shè)備，尤其是海外國際合作鉆井項(xiàng)目。隨著石油鉆井技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)保意識(shí)的提高，對(duì)石油鉆井固控系統(tǒng)提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

A油氣勘探開發(fā)業(yè)主希望使用更清潔的泥漿鉆井以保護(hù)油氣層，從而獲得更高的油氣產(chǎn)量。

B渦輪螺桿鉆井工藝的應(yīng)用對(duì)泥漿的清潔性提出了更高要求。

C廢棄泥漿的處理將越來越受到重視，而處理廢棄泥漿主要就是盡可能地分離其中的固相和液相。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

主電機(jī)上裝有皮帶輪帶動(dòng)滾筒上的皮帶輪，驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒支承在2個(gè)主軸承上，滾筒內(nèi)裝有螺旋推進(jìn)器，螺旋推進(jìn)器通過軸承支承在與滾筒同心的軸上，可以相對(duì)滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒大端裝有差速器，它是一個(gè)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，差速器右端的輸入軸上裝有皮帶輪，通過輔機(jī)皮帶輪的傳動(dòng)，為差速器提供一個(gè)輸入轉(zhuǎn)速。

離心機(jī)的滾筒總成裝在一個(gè)不銹鋼制箱體內(nèi)，箱體分為2個(gè)隔倉，左隔倉收集離心機(jī)排除的液相，右隔倉收集離心機(jī)排除的固相。

2.2 工作原理

2.2.1 離心機(jī)的分離原理

泥漿中固相和液相的分離過程是在滾筒中完成的。離心機(jī)的分離原理是利用滾筒的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)進(jìn)入滾筒中的泥漿高速旋轉(zhuǎn)，泥漿被甩到筒壁上形成一個(gè)液圈，液圈中的固相顆粒由于受到大于自身重力幾百倍甚至幾千倍的離心力的作用，就克服泥漿粘度的阻力快速沉降到滾筒的內(nèi)壁上，形成固相層，液體形成液相層。液圈中的固相顆粒所受的離心力與自身的重力的比值稱為離心機(jī)的分離因數(shù)，它是衡量離心機(jī)分離性能的重要參數(shù)。

2.2.2 離心機(jī)的推渣原理

離心機(jī)的推渣工作是由螺旋推進(jìn)器完成的，在差速器的作用下，螺旋推進(jìn)器與滾筒形成一定的轉(zhuǎn)速差，于是已沉降到滾筒內(nèi)壁上的固相顆粒就被從筒壁上刮下，被螺旋葉片逐步推向滾筒小端，并在推進(jìn)過程中脫水，最后到達(dá)排砂噴嘴，被甩出滾筒。

2.2.3 差速器的工作原理

差速器實(shí)際上是一個(gè)二級(jí)行星齒輪減速機(jī)，它的外殼內(nèi)加工有內(nèi)齒，外殼隨滾筒旋轉(zhuǎn)，左端的皮帶輪帶動(dòng)輸入軸上的1級(jí)太陽輪旋轉(zhuǎn)，1級(jí)太陽輪通過1級(jí)行星輪與外殼上的內(nèi)齒嚙合，這樣外殼的轉(zhuǎn)速與輸入齒輪軸的轉(zhuǎn)速合成為一級(jí)轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)速由2級(jí)太陽輪輸出到第2級(jí)，第2級(jí)的傳動(dòng)原理與第1級(jí)相同，最后通過輸出軸帶動(dòng)螺旋推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)。

2.2.4 差速器安全裝置的工作原理

為了在離心機(jī)過載時(shí)保護(hù)差速器不被損壞，在差速器的左端設(shè)有安全裝置，在齒輪軸上裝有安全銷，由皮帶輪傳來的動(dòng)力通過牙嵌傳給離合器撥盤，再傳給凸輪，凸輪通過安全銷將動(dòng)力傳給齒輪軸。當(dāng)扭矩超過安全銷的強(qiáng)度時(shí)，安全銷會(huì)被剪斷，從而使傳動(dòng)脫開，起到安全保護(hù)作用。注：由于變頻器的過載保護(hù)比較可靠，在變頻型高速離心機(jī)上沒有裝限位開關(guān)。

3 變頻調(diào)速技術(shù)的提出

3.1 變頻技術(shù)的優(yōu)越性

近幾年變頻器作為一種工業(yè)控制設(shè)備在不斷更新發(fā)展，各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、變頻控制理論、微機(jī)控制技術(shù)的不斷成熟，變頻器的性能不斷完善、功能也不斷增強(qiáng):如多段速、可編程自動(dòng)運(yùn)行、通訊功能等，這使用得變頻器能適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)合。根據(jù)離心機(jī)的生產(chǎn)工藝，可采用變頻器的多段速功能控制來實(shí)現(xiàn)，另外變頻器一般都帶有內(nèi)置制動(dòng)單元或外部制動(dòng)單元，這可解決離心機(jī)在停車時(shí)因慣性大造成停車?yán)щy的問題。

3.2 變頻驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

有雙機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)、單機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式。

A采用雙機(jī)變頻，主、輔機(jī)分別有交流變頻器驅(qū)動(dòng)，加上PLC后可隨時(shí)任意調(diào)整轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、螺旋推進(jìn)器轉(zhuǎn)速、螺旋推進(jìn)器與轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速差，這種機(jī)型可很好地適用于各種性能的泥漿和不同的泥漿處理要求。

B單機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)：主機(jī)用交流變頻器驅(qū)動(dòng)，輔機(jī)直接用交流電驅(qū)動(dòng)，主機(jī)轉(zhuǎn)速可任意調(diào)整，輔機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)，差速不可調(diào)。這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變頻器價(jià)格較低。

3.3 制動(dòng)單元的應(yīng)用

離心機(jī)為大慣性負(fù)載，采用變頻器控制時(shí)都要求增加制動(dòng)單元才能滿足要求，但三晶變頻器15KW及15KW以下的內(nèi)置制動(dòng)單元，這樣不僅為用戶節(jié)省了安裝空間，同時(shí)更節(jié)省了成本。由電機(jī)的運(yùn)行特性知道，當(dāng)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，當(dāng)離心機(jī)開始停機(jī)時(shí)，變頻器的輸出頻率開始按減速時(shí)間下降，由于負(fù)載慣性離心機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速變化不大，造成電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，由變頻器的主回路知道，此時(shí)電機(jī)側(cè)反饋回的能量將通過逆變回路的續(xù)流二極管D1-D6反饋到直流回路的濾波電容C1、C2上，這時(shí)變頻器的母線電壓Ud會(huì)升高 (即泵升電壓)，過高的泵升電壓將使變頻器出現(xiàn)過壓保護(hù)，甚至?xí)p壞變頻器，為此，必須加裝制動(dòng)組件，當(dāng)制動(dòng)單元控制回路檢測(cè)到直流母線電壓達(dá)到一定值時(shí)控制其開關(guān)管IGBT開通，制動(dòng)電阻RB接到回路中，將電機(jī)的反饋的制動(dòng)能量消耗在電阻上，以維持正常的母線電壓Ud。

3.4 調(diào)試注意問題

根據(jù)離心機(jī)負(fù)載特性，在調(diào)試時(shí)應(yīng)注意:

(1)離心機(jī)負(fù)載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求較高，可能出現(xiàn)起動(dòng)困難的情況，這時(shí)可適當(dāng)提升變頻器的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值，SAJ-8000-G系列F009設(shè)定參數(shù)為3，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償不可太大，否則可能出現(xiàn)過流 (故障代碼為O.C.)、過載(故障代碼為O.L.)等報(bào)警，若在加速中出現(xiàn)過流報(bào)警應(yīng)適當(dāng)延長加速時(shí)間;

(2)離心機(jī)慣性大，若要變頻器按減速時(shí)間停車，必須加裝制動(dòng)單元，其制動(dòng)電阻的選擇變頻器說明手冊(cè)上都有，可根據(jù)操作手冊(cè)選擇，正常工作時(shí)制動(dòng)電阻會(huì)因消耗能量而發(fā)熱，可適當(dāng)放大電阻的功率和制動(dòng)動(dòng)作時(shí)間。

(3)一般離心機(jī)安裝在操作現(xiàn)場(chǎng)，多臺(tái)變頻器集中置于控制室內(nèi)，如果現(xiàn)場(chǎng)與離心機(jī)距離超過變頻器的允許范圍應(yīng)采相應(yīng)的處理措施，如合理分布主回路線與控制線、加裝輸出電抗器或?yàn)V波器，以防變頻器輸出電壓的衰減，或考慮加大變頻器的容量。

結(jié)語

離心機(jī)采用變頻調(diào)速可以根據(jù)不同工藝要求進(jìn)行調(diào)速，根據(jù)泥漿密度的不同可方便地選擇多段速運(yùn)行，同時(shí)采用變頻控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，變頻器具有過流、過載、過壓等豐富的保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載或電機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，變頻器因故障停機(jī)并快速封鎖輸出，這樣可及時(shí)保護(hù)電機(jī)。

[1]臥式螺旋離心機(jī)的性能及工作原理[Z].

[2]三晶SA-J8000系列變頻器[Z].