白君

（勝利石油工程有限公司渤海鉆井總公司，山東 東營(yíng) 257200）

石油鉆井過(guò)程中，泥漿泵作為石油鉆機(jī)代表主設(shè)備之一，具有負(fù)荷大和可運(yùn)行的工作時(shí)間很長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)泥漿泵的變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的配置和調(diào)試是關(guān)乎其實(shí)際工作效果的，所以需要更具實(shí)際工作中的負(fù)載要求和變化做出及時(shí)的抉擇和控制措施。

1 石油鉆機(jī)泥漿泵的性能參數(shù)

變頻調(diào)速方式在石油鉆機(jī)設(shè)備中所應(yīng)用廣泛，泥漿泵的變頻傳統(tǒng)配置往往是和泥漿泵的性能要求特點(diǎn)和實(shí)際工況具有直接影響關(guān)系，所以對(duì)泥漿泵的性能參數(shù)的分析具有先導(dǎo)作用。

泥漿泵性能具有代表的重要參數(shù)首先就是泥漿泵的理論排量，理論排量指的是單位時(shí)間內(nèi)，泵排出介質(zhì)的體積，這個(gè)體積量的大小又是和鉆孔的直徑以及孔底沖洗液上返回來(lái)的速度具有直接關(guān)系，這就涉及到傳動(dòng)功率的大小選擇了。另一個(gè)泥漿泵的重要參數(shù)就是工作壓力，這可以說(shuō)成是一種泵壓-泵的排出口處在單位面積上的液體作用力。鉆孔的深度更深，通道就會(huì)產(chǎn)生更大的阻力，相應(yīng)的就更需要更高的壓力。泥漿泵的另一個(gè)重要的參數(shù)就是額定功率，還有效率。石油鉆機(jī)泥漿泵的輸入功率往往用動(dòng)力機(jī)傳遞給泥漿泵主動(dòng)軸上的能量大小來(lái)代表。石油鉆機(jī)泥漿泵的額定功率就是用泥漿泵在工作過(guò)程中和額定沖次時(shí)的輸入功率。石油鉆機(jī)泥漿泵的效率為有效功率比輸入功率的大小。對(duì)石油鉆機(jī)泥漿泵的性能參數(shù)有更加清楚明晰的了解才能更好做好泥漿泵變頻系統(tǒng)的配置和調(diào)試工作。

2 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)泥漿泵在負(fù)載特性工作上有平方律負(fù)載方式，這是可以用下面的轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)來(lái)表示，而平方律負(fù)載就是表示阻轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方為一個(gè)正比關(guān)系。

其中：轉(zhuǎn)速就是nL；TL表示為負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩；T0就是空載轉(zhuǎn)矩；Kt代表為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。由于一般情況下可以忽略較小的T0，所以我們通常認(rèn)為T(mén)L和nL的平方為正比關(guān)系。公式（1）代入到石油鉆機(jī)泥漿泵機(jī)械功率計(jì)算公式可以得到公式（2）：

其中P0代表空載功率。這種功率負(fù)載的方式和恒功率的負(fù)載是不同的，對(duì)于我們常見(jiàn)的大功率泥漿泵F1600型號(hào)，其軸端可以達(dá)到的輸入功率為1600hp，而在額定轉(zhuǎn)速上都可以達(dá)到1000r/min。這種石油鉆機(jī)泥漿泵的負(fù)載為泵類負(fù)載類型，在機(jī)械特點(diǎn)上具有明顯的平方律特征，在長(zhǎng)期工作下都可以有穩(wěn)定的工作表現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)負(fù)載的實(shí)現(xiàn)往往是配有單機(jī)或雙電機(jī)，其通過(guò)皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)。而如果是單機(jī)來(lái)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，一般配有一臺(tái)1200千瓦的變頻異步電機(jī)，而如果是雙電機(jī)來(lái)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，就會(huì)配有兩臺(tái)700多千瓦的變頻異步電機(jī)，但通常額定的轉(zhuǎn)速都是1000r/min不變。

表1

泵的泵沖和泵壓對(duì)于泥漿泵的實(shí)際操作來(lái)說(shuō)非常重要，在相同的缸套直徑下，泵排量和電機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)正比例關(guān)系，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和泵壓具有同樣的正比例關(guān)系。泥漿泵的平方律工作負(fù)載規(guī)律中，可以知道其不能在額定速度以上來(lái)運(yùn)行的（F1600泥漿泵，ne為1000r/min），不然可能會(huì)出現(xiàn)阻轉(zhuǎn)矩和泵壓比例關(guān)系迅速增加，造成石油鉆機(jī)泥漿泵內(nèi)部出現(xiàn)器件的破壞，這是由泵的效率決定的。如果泥漿泵在額定轉(zhuǎn)速以上工作，其配有的電機(jī)也會(huì)因?yàn)槭懿涣诉@種轉(zhuǎn)速?gòu)亩霈F(xiàn)過(guò)載。

3 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

首先我們可以看到異步電機(jī)U1和f1比值的恒定值標(biāo)量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)系特性。異步電機(jī)U1/ f1在無(wú)補(bǔ)償情況下的恒定值標(biāo)量控制變頻這種工作系統(tǒng)下，額定轉(zhuǎn)速以下模式的調(diào)速特點(diǎn)由恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速來(lái)表示。而如果有低速電壓補(bǔ)償控制方式時(shí)，最大輸出的轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)對(duì)速度低速下的增加調(diào)整實(shí)現(xiàn)，從而石油鉆機(jī)泥漿泵一般可以保持較小的轉(zhuǎn)矩，有時(shí)還可以不需要低速電壓來(lái)補(bǔ)償，從而也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能功能。我們可以看到異步電機(jī)U1/f1控制額定轉(zhuǎn)速以上變頻調(diào)速特性的曲線圖（圖1），F(xiàn)1600型石油鉆機(jī)泥漿泵通常情況下配置的變頻電機(jī)為一千到一千五r/min弱磁區(qū)域范圍之內(nèi)，一般也叫做恒功調(diào)速范圍。

圖1 異步電機(jī)U1/f1控制額定轉(zhuǎn)速以上變頻調(diào)速特性（弱磁）

矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特點(diǎn)分析。在石油鉆機(jī)泥漿泵設(shè)備中的變頻器一般是采用矢量控制技術(shù)的，電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量可以用變頻中可測(cè)量手段來(lái)反映，并且達(dá)到控制器電流矢量的目的。磁場(chǎng)定向工作方式可以對(duì)交流電動(dòng)機(jī)中的工作勵(lì)磁電流以及另一個(gè)重要的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)進(jìn)行控制，最后可以對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。通常來(lái)說(shuō)，變頻器中的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩如果越小，那么變頻器中的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)就會(huì)越長(zhǎng)時(shí)間越慢，而調(diào)速精度也會(huì)相應(yīng)變得越差，變頻器的負(fù)載能力就變?nèi)趿恕?duì)石油鉆機(jī)泥漿泵的運(yùn)行特點(diǎn)和變頻調(diào)速特點(diǎn)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在標(biāo)量控制還是矢量控制上，如果電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速在實(shí)際工作轉(zhuǎn)速之上，而電機(jī)的額定功率能夠大于等于額定輸入功率，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也是對(duì)等，那么變頻調(diào)速系統(tǒng)就可以平穩(wěn)運(yùn)行，可以滿足泥漿泵的輸入驅(qū)動(dòng)需求。

因此，石油鉆機(jī)泥漿泵變頻系統(tǒng)異步電機(jī)配置的要求可以總結(jié)如下：首先就是泥漿泵的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速要和泥漿泵的額定轉(zhuǎn)速保持一致，或者高一些，從而留出一定的富裕量；電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩要比泥漿泵的額定轉(zhuǎn)矩大一些，從而可以留出一定富裕量，那么變頻系統(tǒng)可以達(dá)到傳動(dòng)要求和泥漿泵的工作要求。這也是一種合適或者匹配的優(yōu)選配置。而對(duì)1600馬力下的變頻電機(jī)，其軸端可以達(dá)到的輸入功率為1600hp，而在額定轉(zhuǎn)速上都可以達(dá)到1000r/min。變頻器可以選擇直接轉(zhuǎn)矩控制方法，這是一種具有核心控制技術(shù)的方法，電機(jī)的電壓和電流來(lái)計(jì)算定子磁通，從而控制磁矩，達(dá)到調(diào)控作用。單機(jī)電動(dòng)機(jī)一般配有一臺(tái)1200千瓦的變頻異步電機(jī)，如雙電機(jī)來(lái)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，就會(huì)配有兩臺(tái)700多千瓦的變頻異步電機(jī)。應(yīng)特別注意，電機(jī)在匹配配置下不能高于泥漿泵的額定轉(zhuǎn)速來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，以免泥漿泵和電機(jī)過(guò)載而受到破壞。

4 系統(tǒng)調(diào)試策略

石油鉆機(jī)泥漿泵的傳動(dòng)系統(tǒng)如前所述，控制上通常是采用無(wú)編碼器矢量來(lái)控制或者配有DTC控制、V/F控制，它們的調(diào)速范圍一般在1∶10以上。石油鉆機(jī)泥漿泵的起動(dòng)加速時(shí)間設(shè)置為20 ～ 30秒之間，最大限度來(lái)滿足使用要求。鉆井系統(tǒng)由小型電網(wǎng)系統(tǒng)化的柴油發(fā)電機(jī)組成，其負(fù)荷可以達(dá)到很大，因?yàn)檗D(zhuǎn)速越大負(fù)載就越大，如果啟動(dòng)時(shí)間太短就會(huì)帶來(lái)比較大的有功沖擊。而減速時(shí)間通常就設(shè)置為30s以上。在泥漿泵工作當(dāng)中可以用自由停車(chē)方式來(lái)表示停車(chē)指令后逆變器的IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)斷開(kāi)功能。泥漿泵的調(diào)速范圍，如果是在單電機(jī)系統(tǒng)下，要選擇1∶100范圍之內(nèi)，一般在40%額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行工作，但泥漿泵的實(shí)際所需要的轉(zhuǎn)速通常是比較低的。泥漿泵的泵沖和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系，PLC系統(tǒng)可以用電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行計(jì)算，直接計(jì)數(shù)來(lái)校準(zhǔn)泵沖。泵壓需要安裝壓力傳感器由PLC 計(jì)算出來(lái)。另一方面如果電機(jī)和泥漿泵的特性不匹配時(shí)，我們需要考慮將電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和泥漿泵的轉(zhuǎn)速一定保持一致，最后要讓電機(jī)的工作處于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍之內(nèi)，從而可以保證系統(tǒng)的平穩(wěn)有序運(yùn)作。在具體調(diào)試過(guò)程中，要注意電機(jī)銘牌的額定轉(zhuǎn)速，并以此為輸入到變頻器的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

5 結(jié)語(yǔ)

石油鉆井施工過(guò)程情況復(fù)雜多變，泥漿泵變頻系統(tǒng)的配置和調(diào)試就需要特別仔細(xì)，考慮泥漿泵主電機(jī)快速停止和啟動(dòng)，過(guò)載能力強(qiáng)，適應(yīng)環(huán)境惡劣等因素；如果配置不合適，鉆井現(xiàn)場(chǎng)備件不足以及其他一些情況，就會(huì)給鉆井施工帶來(lái)各種不同的問(wèn)題，影響工程進(jìn)度。本文對(duì)泥漿泵的實(shí)際工作情況進(jìn)行了分析，采用不同措施是可以達(dá)到良好的效果，對(duì)電機(jī)特性和泥漿泵的性能要求以及負(fù)載特點(diǎn)進(jìn)行深刻分析，對(duì)泥漿泵工作的更加高效具有參考意義。