基于變頻器一拖二方式下的鉆井泵傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化

張彥偉， 王飛， 李慶福， 王偉， 曹振興， 秦弈涵， 王輝， 范磊， 邱立波

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引 言

變頻器是計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行效率高、節(jié)能效果好、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等顯著特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、機(jī)械、工業(yè)等領(lǐng)域。

PLC控制系統(tǒng)即為可編程邏輯控制器，以中央處理單元（CPU）為控制核心的工業(yè)控制裝置, 它將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起, 具有高可靠性、靈活通用、易于編程、使用方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制及石油化工領(lǐng)域。

鉆井泵組是石油鉆機(jī)的“心臟”，在鉆井作業(yè)過(guò)程中起到非常重要的作用，所以鉆井泵組的穩(wěn)定性、可靠性對(duì)鉆機(jī)作業(yè)的影響是不言而喻的。鉆井泵的傳動(dòng)控制系統(tǒng)是集變頻器、PLC、觸摸屏、操作開(kāi)關(guān)等為一體的復(fù)雜系統(tǒng)。

1 現(xiàn) 狀

石油鉆機(jī)采用鉆井泵組作為鉆井泥漿循環(huán)的輸送動(dòng)力，常用的F-1600系列鉆井泵是臥式三缸單作用活塞泵，鉆井泵主要由動(dòng)力端和液力端兩大部分組成。動(dòng)力端包括機(jī)架、小齒輪軸、曲軸、十字頭、中間拉桿等；液力端包括液缸、閥總成、缸套、活塞、吸入管及排出管等。它通常是由兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)型式拖動(dòng)鉆井泵組進(jìn)行作業(yè)，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的使用要求。

鉆井泵電氣控制系統(tǒng)原理為：柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)進(jìn)行供電，提供600 V、3相、50 Hz交流電到控制系統(tǒng)的交流母排。變頻系統(tǒng)采用全數(shù)字控制交流變頻調(diào)速裝置，先由整流單元將交流母排上的600 V交流電轉(zhuǎn)換成810 V直流電，輸出到公共直流母排上；再由逆變單元將直流母排上的810 V直流電轉(zhuǎn)換成電壓0～600 V、頻率0～150 Hz連續(xù)可調(diào)的交流電，泥漿泵交流變頻電動(dòng)機(jī)采用“一對(duì)二”控制方式（變頻器一拖二），驅(qū)動(dòng)鉆井泵交流變頻電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)性能滿足泥漿泵的傳動(dòng)要求，驅(qū)動(dòng)原理如圖1所示。

石油電動(dòng)變頻鉆機(jī)的鉆井泵組，一臺(tái)鉆井泵組配套兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)皮帶拖動(dòng)鉆井泵組運(yùn)行；在控制方面，采用一臺(tái)大功率的變頻器拖動(dòng)兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行也是一種很普遍的控制方式。鉆井泵組變頻器一拖二的控制方式是指1臺(tái)大功率的變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)2臺(tái)參數(shù)相同的變頻電動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)一臺(tái)鉆井泵組，并滿足電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)及設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行工況要求。采用這樣的設(shè)計(jì)方案，減少了變頻器占用的空間，降低投資成本，并且能最大程度上滿足鉆井泵組的運(yùn)行要求。

2 存在的問(wèn)題

圖1 控制系統(tǒng)框圖

目前在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：對(duì)于鉆井泵動(dòng)力端采用雙電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)型式拖動(dòng)的鉆井泵組，由于皮帶和主傳動(dòng)輪的打滑現(xiàn)象偶有發(fā)生，影響正常鉆井作業(yè)；如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)及解決打滑問(wèn)題，會(huì)引起變頻電動(dòng)機(jī)過(guò)載運(yùn)行，導(dǎo)致2臺(tái)電動(dòng)機(jī)電流異常及過(guò)載變頻電動(dòng)機(jī)溫升過(guò)高，甚至?xí)l(fā)生變頻電動(dòng)機(jī)“掃鏜”等并發(fā)性問(wèn)題，影響鉆井作業(yè)的進(jìn)行。

根據(jù)變頻器的特點(diǎn)，變頻器的輸出接線端為U、V、W 3個(gè)母排，采用“一拖二”驅(qū)動(dòng)方式的變頻系統(tǒng)，目前的變頻及控制系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)泥漿泵組“皮帶打滑”的現(xiàn)象，由于“一拖二”控制方式的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)無(wú)法對(duì)變頻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及對(duì)變頻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

3 原因分析

3.1 打滑原因分析

皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行時(shí)，其速度應(yīng)與主動(dòng)輪表面旋轉(zhuǎn)線速度相同，帶速不得低于主動(dòng)輪表面線速度的95%。但是在實(shí)際運(yùn)行中，由于多種原因，造成皮帶與主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速不同步，或是主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)而皮帶不轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為打滑。打滑是由于設(shè)備出現(xiàn)過(guò)載，圓周力不能克服從動(dòng)輪上的阻力矩，傳動(dòng)皮帶沿輪面發(fā)生全面打滑，導(dǎo)致從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速降低甚至不動(dòng)。由此看來(lái)產(chǎn)生打滑主要是由于過(guò)載引起，從分析受力情況來(lái)看，是由于圓周力不能克服從動(dòng)輪上的阻力矩，即主動(dòng)輪不能帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶只是在從動(dòng)輪上滑動(dòng)。因此產(chǎn)生打滑的原因與皮帶的受力有關(guān)。引起皮帶打滑的因素還有皮帶過(guò)松、皮帶磨損等。

圖2 皮帶傳動(dòng)的鉆井泵

3.2 控制系統(tǒng)原因分析

鉆井泵組配套的兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)（A電動(dòng)機(jī)、B電動(dòng)機(jī)）的參數(shù)及特性是一致的，變頻器的輸出電流、功率等參數(shù)設(shè)置，是根據(jù)兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)之和進(jìn)行設(shè)置的，變頻器的參數(shù)的保護(hù)值也是按兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)參數(shù)之和進(jìn)行設(shè)定的；鉆井泵組運(yùn)行過(guò)程中，變頻器的輸出默認(rèn)為對(duì)一臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)的輸出，具體到每個(gè)變頻電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流是多少，變頻器及PLC控制系統(tǒng)無(wú)法知曉，所以對(duì)于是否發(fā)生一臺(tái)電動(dòng)機(jī)過(guò)載運(yùn)行，另外一臺(tái)電動(dòng)機(jī)不出力的情況，變頻器及PLC控制系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)及判斷，控制系統(tǒng)也無(wú)法做出相應(yīng)的保護(hù)。

4 優(yōu)化措施

4.1 對(duì)電動(dòng)機(jī)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

利用鉆機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻電動(dòng)機(jī)的繞組、軸承溫度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常，并進(jìn)行報(bào)警。鉆井泵配套的兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)安裝繞組、驅(qū)動(dòng)端軸承、非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度檢測(cè)傳感器，并把溫度傳感器檢測(cè)信號(hào)接入到電控房PLC控制系統(tǒng)中，對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組和軸承溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)單臺(tái)鉆井泵組A和B電動(dòng)機(jī)的繞組、溫度進(jìn)行比對(duì)，參考電動(dòng)機(jī)的工作溫度要求，如溫度出現(xiàn)異?，F(xiàn)象并超過(guò)報(bào)警值，控制系統(tǒng)及時(shí)輸出報(bào)警信息到司鉆房觸摸屏上，如果溫度繼續(xù)升高達(dá)到停機(jī)值時(shí)，控制系統(tǒng)控制鉆井泵組停機(jī)，并同時(shí)輸出故障報(bào)警信息到司鉆房觸摸顯示屏上，待現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題解決后，方可繼續(xù)工作，如圖3所示。

4.2 對(duì)電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

利用鉆機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)A/B 變頻電動(dòng)機(jī)的電流，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電流異常，并進(jìn)行報(bào)警。鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)中，在變頻器的輸出側(cè)到兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)的供電電纜上分別安裝電流互感器，分別監(jiān)測(cè)一臺(tái)鉆井泵組A/B的兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)的電流，通過(guò)電量變換器轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并把該信號(hào)發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)，PLC對(duì)采集到的兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和比對(duì)，當(dāng)兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)的電流偏差過(guò)大時(shí)，PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在司鉆房觸摸顯示屏上進(jìn)行報(bào)警顯示，若兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)的電流偏差值超過(guò)限制值時(shí)，PLC系統(tǒng)及時(shí)發(fā)送出停機(jī)命令，并在司鉆房觸摸顯示屏上顯示故障停機(jī)報(bào)警信息，提醒司鉆工檢查出問(wèn)題的泵組，避免單個(gè)變頻電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載，導(dǎo)致過(guò)載電動(dòng)機(jī)損壞?？刂圃韴D如圖4所示。

鉆井泵變頻器輸出端U、V、W共3個(gè)母排，3個(gè)母排分別接到鉆井泵組兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)的供電電纜，其中一個(gè)變頻電動(dòng)機(jī)的相序?yàn)閁、W、V，一個(gè)變頻電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，另外一個(gè)變頻電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，接線圖如圖5所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)溫度監(jiān)測(cè)框圖

4.3 對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和泵沖數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

利用鉆機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵沖和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行比對(duì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速偏差并進(jìn)行報(bào)警。鉆井泵組的兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)分別安裝編碼器，在鉆井泵上安裝泵沖傳感器，控制系統(tǒng)采集兩臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及泵沖信號(hào)，PLC控制器對(duì)采集到的變頻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和泵沖信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，判斷鉆井泵是否存在打滑現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井泵狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)發(fā)送出報(bào)警信息。

圖4 控制原理框圖

圖5 接線圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鉆井泵組變頻系統(tǒng)增加電流互感器、編碼器、泵沖傳感器等，以及把變頻電動(dòng)機(jī)的繞組溫度、軸承溫度信號(hào)引入到鉆機(jī)電控系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對(duì)鉆井泵變頻電動(dòng)機(jī)的電流和溫度、轉(zhuǎn)速和泵沖進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)打滑現(xiàn)象。通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)把檢測(cè)信息傳遞給司鉆房觸摸顯示屏上，并具有報(bào)警提示功能。

另外，對(duì)鉆井泵驅(qū)動(dòng)皮帶定期進(jìn)行檢查，查看皮帶是否損壞；對(duì)皮帶預(yù)拉力進(jìn)行定期檢查控制，按要求調(diào)整主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間的距離，張緊力滿足要求，也能有效地解決皮帶打滑問(wèn)題。

采用上述措施處理后，有效地保障了鉆井泵的可靠、安全運(yùn)行，極大地提高了鉆井作業(yè)效率。