基于ACS800變頻器的泥漿泵軟泵控制技術(shù)

李崇博（西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西 西安 710077）

基于ACS800變頻器的泥漿泵軟泵控制技術(shù)

李崇博（西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西 西安 710077）

為保證鉆井作業(yè)中的巖屑通過泥漿循環(huán)系統(tǒng)帶出，鉆井作業(yè)中都會配有泥漿泵，大型鉆機(jī)一般都會配置2～3臺泥漿泵。在鉆井過程中多臺鉆井泵同時運(yùn)行時，由于各個泵體的活塞無規(guī)律運(yùn)動易引起管匯共振、水龍帶跳動、隨鉆信號偏差和地層坍塌等問題。為解決這一問題，提出通過泵沖傳感器采集活塞位置，ACS800變頻器自定義編程功能設(shè)計(jì)專用程序控制變頻器輸出的軟泵控制技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)整個管匯的壓力波動平穩(wěn)，減小對鉆井過程的影響。

鉆機(jī)；泥漿泵；軟泵；ACS800

1 引言

在石油鉆機(jī)系統(tǒng)中，為了將井底鉆頭破碎的巖屑及時攜帶到地面上來以便繼續(xù)鉆進(jìn)，系統(tǒng)都配置了2～3臺泥漿泵，每臺泥漿泵有三個活塞，三個活塞分別按照120度相位差進(jìn)行交錯運(yùn)動。當(dāng)兩臺或者三臺泥漿泵需要同時作業(yè)運(yùn)行時，司鉆操作啟動泥漿泵是隨意的，因此當(dāng)泥漿泵運(yùn)行時，泥漿泵的各個活塞向管匯里注入泥漿的運(yùn)動是無規(guī)律的，相鄰兩次活塞向管匯注入泥漿的時間差都不一樣。這樣無規(guī)律地向管匯注入泥漿，對于泵體或者管匯系統(tǒng)來說會出現(xiàn)共振或者管路跳動，從而影響高壓管路上的閥件、空氣包、加速泵組件的疲勞，嚴(yán)重的甚至?xí)捎趬毫Φ膭×覜_擊造成井壁以及軟地層出現(xiàn)塌方，造成井下事故，進(jìn)而影響鉆井作業(yè)生產(chǎn)。

近些年來無論在直流驅(qū)動鉆機(jī)還是交流驅(qū)動鉆機(jī)，都在探討軟泵技術(shù)的應(yīng)用，有通過PLC系統(tǒng)控制，也有通過專用的控制模塊控制，控制方式比較多。結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用，提出通過泵沖傳感器采集活塞位置進(jìn)行時序判斷，采用ACS800變頻器自定義編程功能設(shè)計(jì)專用程序控制變頻器輸出的軟泵控制技術(shù)。

2 軟泵功能的控制原理

石油鉆機(jī)每臺泥漿泵有三個活塞，在一個周期運(yùn)行時間內(nèi)，每個活塞之間存在120度相位差。當(dāng)系統(tǒng)配有兩臺泵，共計(jì)六個活塞，在一個周期的運(yùn)行時間內(nèi)，兩臺泵同時運(yùn)行時每個活塞之間如果保證60度的相位差，對鉆井作業(yè)的影響最小。同理，三臺泵時保證每個活塞之間40度的相位差，對鉆井作業(yè)的影響最小。

以兩臺泵的運(yùn)行為例，為保證兩臺泵運(yùn)行時活塞運(yùn)動規(guī)律相差60度，在每臺泵的同一個位置各安裝一個泵沖傳感器來檢測泵桿的位置信號，以便于判斷兩臺泵同一位置活塞的相位差。

對于1號泵的控制系統(tǒng)而言，2號泵的接近開關(guān)信號定義為MP2，當(dāng)活塞運(yùn)動到泵的頂端時我們定義為MP2=1，未到達(dá)頂端時我們定義MP2=0。

對于2號泵的控制系統(tǒng)而言，1號泵的接近開關(guān)信號定義為MP1，當(dāng)活塞運(yùn)動到泵的頂端時我們定義為MP1=1，未到達(dá)頂端時我們定義MP1=0。

兩臺泥漿泵同時運(yùn)行時，泵沖傳感器采集到的信號通過疊加計(jì)數(shù)，MP1=1的間隔時間定義為Tx。MP2=1和MP1=1的間隔時間定義為Ty，如圖1所示。

圖1 泵沖接近開關(guān)信號時序示意圖

為滿足相位角的要求，當(dāng)Ty〈Tx/6，就需要2#泥漿泵速度減慢，從而讓Ty無窮接近Tx/6，當(dāng)Ty〉Tx/6，就需要2#泥漿泵速度提升，從而讓Ty無窮接近Tx/6。

理論上Ty=Tx/6是最理想的狀態(tài)，但實(shí)際運(yùn)行時會存在一定程度的偏差。系統(tǒng)定義最終的偏差控制10%以內(nèi)，即，則認(rèn)為軟泵功能控制精度滿足要求。

3 軟泵功能實(shí)現(xiàn)的要求

在正常鉆井作業(yè)過程中，泥漿泵運(yùn)行泵沖設(shè)定都較高，并且泵沖給定相差不太大，因此在實(shí)現(xiàn)軟泵功能時需要滿足以下條件∶

（1）MP1和MP2的泵沖超過30沖，且泵沖之間的差小于10沖。

（2）軟泵功能以MP1為基準(zhǔn)，MP1的速度給定只接受PLC的調(diào)整，傳動內(nèi)部不進(jìn)行調(diào)整。

（3）滿足第一條的條件后，假如軟泵功能投入，MP2的速度給定自動調(diào)整到與MP1相同的速度給定.

（4）對MP2的速度進(jìn)行微調(diào)，使得兩個泵六個活塞之間存在60度的相位差。

4 實(shí)例應(yīng)用

在鉆機(jī)50DBT的項(xiàng)目中，采用兩臺1200kW的交流變頻電動機(jī)驅(qū)動分別驅(qū)動F1600的泥漿泵，驅(qū)動電機(jī)的變頻器選用ABB公司生產(chǎn)制造的ACS800系列多傳動交流傳動裝置。多傳動系統(tǒng)的特點(diǎn)就是公共直流母線，所有的逆變器都從公共直流母排上來取電，選用兩臺ACS800-107-1740，進(jìn)行一對一地驅(qū)動兩臺泥漿泵。

根據(jù)軟泵的功能要求、控制原理和控制精度，使用變頻器實(shí)現(xiàn)軟泵功能時，主要利用變頻器進(jìn)行泵沖傳感器數(shù)據(jù)的采集、相位角計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和傳輸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用變頻器的RMIO主控板數(shù)字量輸入端口采集泵沖傳感器信號，使用ABB的自定義編程PC工具DriveAP對變頻器進(jìn)行自定義編程的創(chuàng)建、整理、編輯和下載，實(shí)現(xiàn)速度的同步、相位角的計(jì)算和速度的微調(diào)。

4.1 泵沖傳感器的安裝

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字量端口接收信號，泵沖傳感器選擇安裝在泥漿泵同側(cè)的相同位置。軟泵功能主要是控制泥漿泵2的速度，按照ABB項(xiàng)目圖紙的定義，泵沖傳感器的接線統(tǒng)一接到MP2柜中的數(shù)字量端口4（DI4）和端口5（DI5）。

4.2 軟泵功能的實(shí)現(xiàn)

硬件條件滿足后，軟泵功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠軟件來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)司鉆將每臺泵的泵沖和泵沖差設(shè)置滿足條件，然后啟用軟泵功能，系統(tǒng)首先判斷是否滿足前面提到的軟泵功能要求的第一條，當(dāng)滿足條件后，變頻器內(nèi)部預(yù)先編寫好的自定義編程程序?qū)凑找韵逻^程進(jìn)行軟泵的實(shí)現(xiàn)：

（1）將PLC發(fā)給MP1的速度給定值和實(shí)際速度值通過ABB的主從控制傳輸給MP2；

（2）自定義編程的程序檢測MP1和MP2的當(dāng)前速度差，然后調(diào)整使MP2的速度和MP1速度給定相同，從而達(dá)到泵沖相同；

（3）自定義編程的程序通過MP2柜內(nèi)的RMIO數(shù)字量端口DI4和DI5的狀態(tài)計(jì)算兩個泵沖傳感器信號的相位差時間，以MP1為基準(zhǔn)，按照Ty和Tx/6的關(guān)系，對MP2的速度進(jìn)行相位修正，將相位修正的速度給定值發(fā)送到MP2的附加給定，不斷進(jìn)行微調(diào)MP2的速度，使Ty無窮接近Tx/6。

軟泵功能啟動后，使用DriveWindow軟件對泵沖傳感器的信號進(jìn)行監(jiān)測。如圖2所示，通過監(jiān)測8.05組參數(shù)（DI狀態(tài)字）的值，可以得到是DI4變化還是DI5變化，監(jiān)測數(shù)據(jù)定義8.05為第四條曲線，即[4]曲線是ACS800的DI端口狀態(tài)，16h和36h是DI4和DI5有信號的狀態(tài)，DI4前后兩次信號對應(yīng)的時間為272.9s和274.37s，DI4和DI5對應(yīng)的時間為273.13s和273.13s。

圖2 泵沖信號采集圖

按照圖1中軟泵信號時序定義的關(guān)系：

Tx =274.37-272.9=1.47s Ty =273.13-272.9=0.23s

精度計(jì)算：

Tx/6=1.47/6=0.245s 1.1×Tx=1.1×0.245=0.2695s 0.9×Tx=0.9×0.245=0.2205

5 結(jié)束語

使用泵沖傳感器采集的信號作為時序控制的基礎(chǔ)，通過開放的自定義功能進(jìn)行變頻器的控制，達(dá)到控制時序的目的。經(jīng)過現(xiàn)場的試驗(yàn)、曲線監(jiān)測和時序計(jì)算，軟泵功能啟用后，經(jīng)過約17秒左右的時間調(diào)整，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到了軟泵控制功能的要求和精度。這種控制方法線路簡單、便于操作，對于減少鉆井泵活塞無規(guī)律運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)面影響有很好的作用，現(xiàn)在已經(jīng)大面積在進(jìn)行推廣使用。

[1] 張奇志. 電動鉆機(jī)自動化技術(shù)[M]. 北京∶ 石油工業(yè)自動化出版社, 2006.

[2] 趙芳豹. 電動鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)鉆井泵軟泵運(yùn)行的控制技術(shù)研究[J]. 石油機(jī)械, 2003, 31 (6) ∶ 9 – 11.

[3] 北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司, 固件手冊[Z]. 2009.

[4] 北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司, Multi Block Programming Application 7.x [Z]. 2006.

Based on the ACS800 Inverter Soft Mud Pump Control Technology

In order to ensure the cuttings in the drilling through out of the mud circulating system, the drilling operationwill be equipped with mud pump in the drilling operation, some large rigs are typically configured with 2～3 sets of mud pump. In the drilling process, when multiple drilling pumps are running simultaneously, the irregularity of the pistons of each pump body causes the problem of manifold resonance, water hammer jump, MWD signal deviation and formation collapse. Mud pump operation at the same time, the piston of the mud pump movement, but there is no rule, the movement cause resonance mud line even beat, and exerted a great potential safety hazard, high pressure manifold to solve this problem, we draw out soft pump solution, which uses the pump sensor to obtain the piston position, ACS800 inverter custom programming function designed to control the inverter output of the soft-pump control technology. Finally, it can achieve the entire manifold pressure fluctuations, and reduce the drilling process Impact.

Rig; Mud pump; Soft mud pump; ACS800

B

1003-0492(2016)10-0088-03

TP29

李崇博（1981-），男，工程師，陜西咸陽人，2005年畢業(yè)于西安理工大學(xué)機(jī)電系統(tǒng)智能控制專業(yè)，現(xiàn)就職于西安寶美電氣工業(yè)有限公司，主要從事石油鉆機(jī)電驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研究及服務(wù)工作。