地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行分析

林天祥

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心黑龍江總隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150040）

鉆探變頻電動(dòng)泵主要用于地質(zhì)鉆探過程中，作為鉆探工作中最重要的設(shè)備，受到了人們廣泛的關(guān)注。通常情況下，鉆探變頻電動(dòng)泵由泵體、葉輪、揚(yáng)水管、泵座、潛水電機(jī)等部分共同組成，具備單級(jí)揚(yáng)程高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。在鉆探變頻電動(dòng)泵應(yīng)用到地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中，由于會(huì)受到更大的壓力，對(duì)鉆探變頻電動(dòng)泵的正常運(yùn)行性能造成影響。由于地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)具有地質(zhì)條件復(fù)雜、多樣性的特點(diǎn)，鉆探設(shè)備在其中的運(yùn)行存在很高的難度系數(shù)[1]。目前，研究人員對(duì)于地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵的運(yùn)行分析研究較少。而鉆探變頻電動(dòng)泵的運(yùn)行性能又是直接影響其使用效率的關(guān)鍵，對(duì)此，本文提出地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵的運(yùn)行分析，從而為后續(xù)鉆探變頻電動(dòng)泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的高效運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。

1 鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行原理

為分析地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵的運(yùn)行性能，要明確鉆探變頻電動(dòng)泵的運(yùn)行原理。通常情況下，鉆探變頻電動(dòng)泵是由電動(dòng)機(jī)作為源動(dòng)力，通過油泵傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)重復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)控制器以及變頻器通過隔膜進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)輸出介質(zhì)的運(yùn)輸。鉆探變頻電動(dòng)泵的運(yùn)行原理，如圖1所示。

圖1 鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行原理

根據(jù)圖1所示，利用油泵能夠?qū)⒁后w的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，以較高的壓力流入排出管道，輸送至傳感器中。而變頻器主要通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的變頻控制。變頻器的工作原理，可通過n 方程式進(jìn)行表達(dá)，則有：

公式（1）中，f 指的是電動(dòng)機(jī)定子頻率；p 指的是電動(dòng)機(jī)定子繞組極對(duì)數(shù)；s 指的是轉(zhuǎn)差率。通過以上內(nèi)容，明確鉆探變頻電動(dòng)泵的運(yùn)行原理，為地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行分析提供技術(shù)支持。

2 地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行分析

2.1 鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行性能參數(shù)

根據(jù)上文得出的鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行原理，發(fā)現(xiàn)在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中，由于壓力、流量的參數(shù)變化，必然會(huì)導(dǎo)致鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行性能參數(shù)的變化。因此，本文將鉆探變頻電動(dòng)泵的運(yùn)行性能分為四個(gè)檔位，并分析其不同檔位下的運(yùn)行性能參數(shù)。地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行性能參數(shù)，如表1所示。

表1 地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行性能參數(shù)

根據(jù)表1所示，為不同檔位下鉆探變頻電動(dòng)泵的運(yùn)行性能參數(shù)。鉆探變頻電動(dòng)泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的初始運(yùn)行階段，設(shè)置鉆探變頻電動(dòng)泵的檔位為一檔，隨著鉆探深度的不斷加深，變頻器可根據(jù)具體的地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)檔位。

2.2 鉆探變頻電動(dòng)泵調(diào)速

在得出鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，需要精準(zhǔn)調(diào)節(jié)地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的鉆探變頻電動(dòng)泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此確保鉆探變頻電動(dòng)泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中運(yùn)行的高效性。通過變頻器中的整流器以及逆變器，進(jìn)行調(diào)速。鉆探變頻電動(dòng)泵調(diào)速示意圖，如圖2所示。

圖2 鉆探變頻電動(dòng)泵調(diào)速示意圖

根據(jù)圖2所示，一般情況下，在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中電動(dòng)機(jī)的定子頻率為50Hz。由于在鉆探變頻電動(dòng)泵調(diào)速過程中，還需要根據(jù)鉆探變頻電動(dòng)泵的流量調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行參數(shù)。為此本文設(shè)鉆探變頻電動(dòng)泵的流量為Q ，則通過方程式進(jìn)行計(jì)算，可得：

公式（2）中，D 指的是進(jìn)水管直徑；R 指的是排水管直徑；c 指的是軸功率；b 指的是地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的流量；ψ指的是地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的揚(yáng)程；η指的是出口邊的圓周速度；α指的是葉輪進(jìn)口處的排擠系數(shù)；β指的是鉆探變頻電動(dòng)泵的容積效率。通過公式（2）可知，當(dāng)鉆探變頻電動(dòng)泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的流量、揚(yáng)程變大時(shí)，鉆探變頻電動(dòng)泵的流量也會(huì)隨之變大，為滿足地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行大流量的需求。此時(shí)，必須提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，加大驅(qū)動(dòng)功率[2]?；阢@探變頻電動(dòng)泵的流量可推導(dǎo)出鉆探變頻電動(dòng)泵調(diào)速的計(jì)算方程式，設(shè)其為H ,可得：

公式（3）中，指的是鉆探變頻電動(dòng)泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)差率。利用公式（3），可以實(shí)現(xiàn)鉆探變頻電動(dòng)泵調(diào)速。通過提高鉆探變頻電動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)流量，進(jìn)而確保鉆探變頻電動(dòng)泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的運(yùn)行效率。

2.3 控制鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行壓力

通過本文上述分析可知，鉆探變頻電動(dòng)泵調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵流量的調(diào)節(jié)。但鉆探變頻電動(dòng)泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)運(yùn)行中，還需要控制鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行壓力，避免由于控制失效，導(dǎo)致鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行效率降低[3]?？梢詫@探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行看作一個(gè)非線性分析問題，針對(duì)鉆探變頻電動(dòng)泵受壓下的位移情況進(jìn)行分析。本文選用位移控制法確定鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行壓力與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，當(dāng)鉆探變頻電動(dòng)泵開始運(yùn)作時(shí)，將每一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)的起始時(shí)刻都設(shè)定為該節(jié)點(diǎn)的某一自由度。在一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中總增量可以用表示。其中j指的是鉆探變頻電動(dòng)泵在某一指定位置上的增量自由度。根據(jù)上述分析可得出，鉆探變頻電動(dòng)泵在完成第一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)增量的位移計(jì)算公式為：

公式（4）中，δ指的是鉆探變頻電動(dòng)泵迭代位移增量；V指的是活塞行程長(zhǎng)度；A 指的是完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)鉆探變頻電動(dòng)泵的位移增量；Z 指的是地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵的排出壓力。由于鉆探變頻電動(dòng)泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中運(yùn)行的特殊性，控制自由度作為位移的加載量，因此位移變量不能為零。這就說明，在上述公式當(dāng)中不會(huì)存在數(shù)值的奇異問題。

3 結(jié)語

本文通過地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行分析，在明確鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行原理的前提下，分析鉆探變頻電動(dòng)泵的運(yùn)行性能參數(shù)、調(diào)速以及壓力。通過以上研究，能夠取得一定的研究成果?？梢钥闯觯疚膶?duì)地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動(dòng)泵運(yùn)行的分析是十分必要的，且具有現(xiàn)實(shí)意義，能夠?yàn)樘岣咩@探變頻電動(dòng)泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的運(yùn)行效率提供理論支持。