系列直驅(qū)泥漿泵電機及控制系統(tǒng)研制

姬明剛，張 洪，李宏毅，何步元，羅 輝，何建春

(1．西安寶美電氣工業(yè)有限公司 陜西 西安 710065； 2. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 四川 成都 610056；3．中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司 重慶 401147；4．中國石油集團長城鉆探工程有限公司 遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

泥漿泵為石油鉆機三大系統(tǒng)中循環(huán)系統(tǒng)的核心設(shè)備[1]，主要作用是循環(huán)鉆井液、沖洗井底、冷卻鉆頭，并把巖屑攜帶到地面[2]。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，對泥漿泵提出了新的要求。由于井深越來越深，要求泵壓越來越高，但泵的重量和體積不能過大，同時要求傳動方式簡單可靠、備品備件標準化程度高、安裝維護方便[3]。直驅(qū)泥漿泵無皮帶和鏈條傳動環(huán)節(jié)，可滿足以上對設(shè)備體積、可靠性等方面的要求。

目前國內(nèi)其他廠家制造的直驅(qū)泥漿泵采用單臺電機驅(qū)動方案，電機懸掛在泥漿泵輸入軸上[4]，下方設(shè)置輔助支撐。因泥漿泵運行時存在內(nèi)應(yīng)力，無法保證連接可靠性，易造成電機或者泥漿泵軸承等損壞。泥漿泵泵組重心偏，電機拆裝不方便。此外，系列泥漿泵所需的電機規(guī)格多，標準化程度低。為此，本文研制了一種新型的系列直驅(qū)泥漿泵和控制系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)場實際需要。

1 技術(shù)方案

1.1 結(jié)構(gòu)特點

采用低速大扭矩電機直接驅(qū)動泥漿泵，交流變頻電機的固定采用懸掛結(jié)構(gòu)型式，如圖1所示。電機轉(zhuǎn)子為空心軸結(jié)構(gòu)，專用聯(lián)軸器可以安裝在空心軸里面，把泥漿泵的齒輪軸和電機輸入軸聯(lián)接起來。這樣就節(jié)省了空間，減小了泥漿泵的寬度，方便后期運輸。

1.泥漿泵本體 2.固定法蘭盤 3.萬向聯(lián)軸器 4.直驅(qū)電機 5.連接板圖1 直驅(qū)泥漿泵的三維爆炸圖

所有型號泥漿泵選用 600 kW和850 kW兩種電機，共涵蓋F-800/1000/1300/1600(HL)/ 2200HL全系列泥漿泵。其中F-800/1000泥漿泵采用1臺電機單側(cè)安F-1300/1600(HL)、F-2200HL采用2臺電機雙側(cè)安裝。采用專用變頻控制系統(tǒng)對直驅(qū)泵電機進行控制，實現(xiàn)了泥漿泵直驅(qū)電機的數(shù)字化通訊和泥漿泵泵沖無級調(diào)節(jié)，同時也具備了多泵組并機“軟泵”控制功能和保護功能。

1.2 工作原理

泵組的動力源來自于機組的柴油發(fā)電機組[5]，也可以來自電網(wǎng)，電流經(jīng)過轉(zhuǎn)換后提供給直驅(qū)電機，電機驅(qū)動泥漿泵工作。電機的額定轉(zhuǎn)速與泥漿泵的額定轉(zhuǎn)速一致，從電機的機械特性曲線可以看出，電機的恒轉(zhuǎn)矩段的調(diào)速范圍比較寬，完全可以匹配泥漿泵的各個工作泵沖。通過交流變頻控制單元調(diào)節(jié)電機的頻率，就可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而達到鉆機工作所需的泵沖，交流變頻電機的機械特性與泥漿泵的轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖2所示。

圖2 交流變頻電機的機械特性與泥漿泵的轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

2 技術(shù)參數(shù)

為了減少直驅(qū)泵的備件種類，通過計算和歸納，可以使用兩種規(guī)格的電機覆蓋所有泥漿泵的規(guī)格，見表1。

表1 各類泥漿泵直驅(qū)電機配置

3 主要部件研制

在研制直驅(qū)泥漿泵組的過程中，我們只需要研制適合泵組使用的交流變頻電機以及傳動裝置，并研制匹配的控制系統(tǒng)。F系列泥漿泵體具有低沖次、高壓力、大排量的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于中、深以及超深井鉆機。

3.1 泥漿泵組傳動裝置

電機定子外殼通過連接法蘭固定在泥漿泵殼體上[6]，轉(zhuǎn)子采用空心軸結(jié)構(gòu)，通過萬向聯(lián)軸器與泥漿泵輸入軸相連。電機由連接法蘭直接懸臂固定到泥漿泵殼體上，電機和法蘭通過止口定位，保證電機和泥漿泵輸入軸同軸度滿足要求。電機轉(zhuǎn)子通過帶法蘭的萬向聯(lián)軸器將動力傳輸?shù)侥酀{泵輸入軸，為了適應(yīng)井隊野外的安裝條件，降低安裝的難度和精度，選用的萬向聯(lián)軸器可以進行角度和位移補償，具有緩沖和減振作用，避免轉(zhuǎn)子和輸入軸同軸度問題造成設(shè)備損壞。

3.2 直驅(qū)電機

該類電機為鼠籠型三相異步電動機[7]，由定子、空心轉(zhuǎn)子等構(gòu)成，外部設(shè)有檢修開關(guān)，并安裝風壓檢測、加熱器等。該類電機主體上方安置兩臺風機，采用強迫風冷冷卻方式，能提供滿足電機運行所需的冷卻風量。電機定子鐵心由高導(dǎo)磁率、低損耗的冷軋硅鋼片制成，絕緣采用200 ℃類絕緣，機座為圓形焊接鋼結(jié)構(gòu)；定子繞組安裝防潮加熱帶(220 V，200 W)，且每項安裝1個溫度傳感器。轉(zhuǎn)子為鼠籠式，強度高，能承受較高轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)子鐵心上設(shè)有通風孔，使轉(zhuǎn)子能有效地冷卻。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸采用優(yōu)質(zhì)合金鋼加工而成。電機前、后軸承上各裝1個溫度傳感器。在前、后軸承外蓋處均設(shè)一個注油嘴，且下方有排油蓋板。

電機可以平滑無級調(diào)速，調(diào)速范圍寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，超載能力強，溫度傳感器通過電纜和控制系統(tǒng)相連，可以實時監(jiān)控電機運行溫度，避免因溫度過高而損壞電機。

3.3 控制系統(tǒng)

操作系統(tǒng)通過面板和操作屏實現(xiàn)人機交互[8]。觸摸屏可以將操作過程以彩色流程畫面顯示出來，并可以實時顯示設(shè)備運行參數(shù)的趨勢圖、報警畫面等。

每臺直驅(qū)泵組由1套電控傳動單元進行驅(qū)動控制，可單獨成系統(tǒng)，也可與鉆機控制系統(tǒng)集成。系統(tǒng)將直驅(qū)泵運行參數(shù)進行實時采集，在PLC模塊中進行比較判斷，并根據(jù)程序進行2臺直驅(qū)電機同步調(diào)速、精確控制，可以實現(xiàn)泥漿泵泵沖的無級調(diào)節(jié)，并具備泵壓保護和電網(wǎng)系統(tǒng)功率自適應(yīng)功能，以及多泵組并機“軟泵”控制技術(shù)。同時，控制系統(tǒng)具備直驅(qū)泵信息服務(wù)管理系統(tǒng)接口，易擴展實現(xiàn)直驅(qū)泵管理向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)變。

4 試驗和現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 廠內(nèi)試驗

直驅(qū)電機試驗，電機在廠內(nèi)進行了對地工頻耐壓、繞組匝間耐壓、絕緣電阻測定、冷態(tài)直流電阻測定、空載特性、噪聲、振動和基準熱定額試驗等。

基準熱定額試驗采用專用試驗工裝，模擬電機在泥漿泵上的連接，采用電機對拖的方式對泥漿泵電機進行滿功率熱負荷試驗，經(jīng)試驗符合設(shè)計要求。

直驅(qū)泵專用控制系統(tǒng)進行了測試系統(tǒng)回路、PLC通訊以及變頻器功能測試的廠內(nèi)試驗，試驗結(jié)果符合設(shè)計要求和相關(guān)標準。

對生產(chǎn)的6種類型泥漿泵組及控制系統(tǒng)分別進行聯(lián)調(diào)試驗，測試系統(tǒng)運行情況，單臺泵組進行8 h不同泵沖、泵壓的運行試驗。

試驗證明：直驅(qū)泥漿泵電機及控制系統(tǒng)性能達到設(shè)計要求，實現(xiàn)泥漿泵的精準控制，泵組運行過程中振動、噪音等參數(shù)符合相關(guān)標準要求。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用及工業(yè)性試驗

1)WF-2000HL直驅(qū)泥漿泵 在川西鉆探某隊進行了試驗，最大泵沖100沖，最大泵壓33 MPa，最大連續(xù)運行時間330 h，試驗過程中經(jīng)過了大排量高泵壓等工況驗證，樣機運行平穩(wěn)，工作狀態(tài)良好，各項性能指標均達到了設(shè)計要求。

2)F-1000/1300、F-1600(HL)、F-2200HL直驅(qū)泥漿泵 以上機型也分別在各個井隊進行了試驗，鉆井作業(yè)中均經(jīng)過了大排量、高泵壓等工況驗證，運行平穩(wěn)，工作狀態(tài)良好。

4.3 試驗?zāi)芎膶Ρ?/h3>

川慶鉆探某隊，對直驅(qū)泵和常規(guī)泵能耗進行對比，缸套尺寸170 mm、泵沖60 spm、泵壓14 MPa，通過變頻器檢測直驅(qū)泵和常規(guī)泵電機功率。

直驅(qū)泵電機能耗289.84 kW·h，常規(guī)泵電機能耗299.26 kW·h，直驅(qū)泵比常規(guī)泵輸出功率低3.1%。

4.4 試驗噪音對比

由于直驅(qū)電機進行了降噪處理，所以現(xiàn)場實際測量川慶鉆探某隊直驅(qū)泥漿泵和川西鉆探某隊常規(guī)泥漿泵噪音，直驅(qū)泥漿泵比常規(guī)泥漿泵噪音降低5～8dB(A)。

4.5 動態(tài)響應(yīng)速度

直驅(qū)泥漿泵由于采用了電機直接驅(qū)動泥漿泵，減少了傳遞環(huán)節(jié)，所以動態(tài)響應(yīng)速度快，并且在速度改變后可快速達到平穩(wěn)。

5 結(jié) 論

直驅(qū)泥漿泵取消了皮帶/鏈條等易損件消耗，現(xiàn)場試驗結(jié)果對比表明，直驅(qū)泵比常規(guī)泵輸出功率低3.1%。同時由于傳動環(huán)節(jié)減少，使得泥漿泵的動態(tài)響應(yīng)速度快，可靠性得到了提高。

F-2200HL泥漿泵以下規(guī)格不拆裝電機部件可以一車運輸，節(jié)約現(xiàn)場拆裝工作量，減少設(shè)備運輸車次，減少吊車占用時間，節(jié)約搬遷成本。并且設(shè)備體積變小，減少了占地面積。

直驅(qū)泥漿泵電機標準化程度高，系列泥漿泵配2種規(guī)格電機，備件儲備可以共享。

直驅(qū)電機進行了降噪處理，現(xiàn)場試驗表明，噪音減小5～8 dB(A)，具有良好的環(huán)保效益。