試論電動鉆機泥漿泵變頻系統(tǒng)的配置與調(diào)試

白君

（勝利石油工程有限公司渤海鉆井總公司，山東 東營 257200）

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

1 石油鉆機泥漿泵的性能參數(shù)

變頻調(diào)速方式在石油鉆機設(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和實際工況具有直接影響關(guān)系，所以對泥漿泵的性能參數(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間內(nèi)，泵排出介質(zhì)的體積，這個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的速度具有直接關(guān)系，這就涉及到傳動功率的大小選擇了。另一個泥漿泵的重要參數(shù)就是工作壓力，這可以說成是一種泵壓-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。泥漿泵的另一個重要的參數(shù)就是額定功率，還有效率。石油鉆機泥漿泵的輸入功率往往用動力機傳遞給泥漿泵主動軸上的能量大小來代表。石油鉆機泥漿泵的額定功率就是用泥漿泵在工作過程中和額定沖次時的輸入功率。石油鉆機泥漿泵的效率為有效功率比輸入功率的大小。對石油鉆機泥漿泵的性能參數(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 石油鉆機泥漿泵的負(fù)載特性以及變頻電機的具體配置

石油鉆機泥漿泵在負(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)矩特點來表示，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TL和nL的平方為正比關(guān)系。公式（1）代入到石油鉆機泥漿泵機械功率計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，對于我們常見的大功率泥漿泵F1600型號，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。這種石油鉆機泥漿泵的負(fù)載為泵類負(fù)載類型，在機械特點上具有明顯的平方律特征，在長期工作下都可以有穩(wěn)定的工作表現(xiàn)。驅(qū)動負(fù)載的實現(xiàn)往往是配有單機或雙電機，其通過皮帶傳動驅(qū)動。而如果是單機來傳動驅(qū)動，一般配有一臺1200千瓦的變頻異步電機，而如果是雙電機來傳動驅(qū)動，就會配有兩臺700多千瓦的變頻異步電機，但通常額定的轉(zhuǎn)速都是1000r/min不變。

表1

泵的泵沖和泵壓對于泥漿泵的實際操作來說非常重要，在相同的缸套直徑下，泵排量和電機轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)正比例關(guān)系，電機轉(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運行的（F1600泥漿泵，ne為1000r/min），不然可能會出現(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，其配有的電機也會因為受不了這種轉(zhuǎn)速從而出現(xiàn)過載。

3 變頻調(diào)速特點和相應(yīng)的石油鉆機泥漿泵負(fù)載配置關(guān)系

首先我們可以看到異步電機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U1/ f1在無補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)速特點由恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速來表示。而如果有低速電壓補償控制方式時，最大輸出的轉(zhuǎn)矩可以通過對速度低速下的增加調(diào)整實現(xiàn)，從而石油鉆機泥漿泵一般可以保持較小的轉(zhuǎn)矩，有時還可以不需要低速電壓來補償，從而也可以實現(xiàn)節(jié)能功能。我們可以看到異步電機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型石油鉆機泥漿泵通常情況下配置的變頻電機為一千到一千五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)速特點分析。在石油鉆機泥漿泵設(shè)備中的變頻器一般是采用矢量控制技術(shù)的，電動機的定子電流矢量可以用變頻中可測量手段來反映，并且達(dá)到控制器電流矢量的目的。磁場定向工作方式可以對交流電動機中的工作勵磁電流以及另一個重要的電動機轉(zhuǎn)矩來進(jìn)行控制，最后可以對交流電動機的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。通常來說，變頻器中的啟動轉(zhuǎn)矩如果越小，那么變頻器中的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)就會越長時間越慢，而調(diào)速精度也會相應(yīng)變得越差，變頻器的負(fù)載能力就變?nèi)趿?。對石油鉆機泥漿泵的運行特點和變頻調(diào)速特點進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在標(biāo)量控制還是矢量控制上，如果電機的額定轉(zhuǎn)速在實際工作轉(zhuǎn)速之上，而電機的額定功率能夠大于等于額定輸入功率，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也是對等，那么變頻調(diào)速系統(tǒng)就可以平穩(wěn)運行，可以滿足泥漿泵的輸入驅(qū)動需求。

因此，石油鉆機泥漿泵變頻系統(tǒng)異步電機配置的要求可以總結(jié)如下：首先就是泥漿泵的電機額定轉(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1600馬力下的變頻電機，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，電機的電壓和電流來計算定子磁通，從而控制磁矩，達(dá)到調(diào)控作用。單機電動機一般配有一臺1200千瓦的變頻異步電機，如雙電機來傳動驅(qū)動，就會配有兩臺700多千瓦的變頻異步電機。應(yīng)特別注意，電機在匹配配置下不能高于泥漿泵的額定轉(zhuǎn)速來運轉(zhuǎn)，以免泥漿泵和電機過載而受到破壞。

4 系統(tǒng)調(diào)試策略

石油鉆機泥漿泵的傳動系統(tǒng)如前所述，控制上通常是采用無編碼器矢量來控制或者配有DTC控制、V/F控制，它們的調(diào)速范圍一般在1∶10以上。石油鉆機泥漿泵的起動加速時間設(shè)置為20 ～ 30秒之間，最大限度來滿足使用要求。鉆井系統(tǒng)由小型電網(wǎng)系統(tǒng)化的柴油發(fā)電機組成，其負(fù)荷可以達(dá)到很大，因為轉(zhuǎn)速越大負(fù)載就越大，如果啟動時間太短就會帶來比較大的有功沖擊。而減速時間通常就設(shè)置為30s以上。在泥漿泵工作當(dāng)中可以用自由停車方式來表示停車指令后逆變器的IGBT來實現(xiàn)斷開功能。泥漿泵的調(diào)速范圍，如果是在單電機系統(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，但泥漿泵的實際所需要的轉(zhuǎn)速通常是比較低的。泥漿泵的泵沖和電機轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系，PLC系統(tǒng)可以用電機轉(zhuǎn)速來進(jìn)行計算，直接計數(shù)來校準(zhǔn)泵沖。泵壓需要安裝壓力傳感器由PLC 計算出來。另一方面如果電機和泥漿泵的特性不匹配時，我們需要考慮將電機額定轉(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)有序運作。在具體調(diào)試過程中，要注意電機銘牌的額定轉(zhuǎn)速，并以此為輸入到變頻器的電機額定轉(zhuǎn)矩。

5 結(jié)語

石油鉆井施工過程情況復(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)，考慮泥漿泵主電機快速停止和啟動，過載能力強，適應(yīng)環(huán)境惡劣等因素；如果配置不合適，鉆井現(xiàn)場備件不足以及其他一些情況，就會給鉆井施工帶來各種不同的問題，影響工程進(jìn)度。本文對泥漿泵的實際工作情況進(jìn)行了分析，采用不同措施是可以達(dá)到良好的效果，對電機特性和泥漿泵的性能要求以及負(fù)載特點進(jìn)行深刻分析，對泥漿泵工作的更加高效具有參考意義。