海洋石油開采中鉆井泵變頻調(diào)速修正控制方法

摘 要 海洋石油鉆井泵目前廣泛使用的是三缸單作用往復(fù)泵（簡稱三缸泵）。三缸泵雖然在壓力和流量上基本滿足現(xiàn)代海洋石油開采的需要，但是其采用曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動，存在重量大、流量波動大、效率低、功能部件壽命短等缺點，通常采用恒定轉(zhuǎn)速運行，無法根據(jù)實際工況需求進行調(diào)整，容易導(dǎo)致頻率控制失穩(wěn)。為此，提出一種海洋石油鉆井泵自動變頻調(diào)試方法。通過對鉆井泵提升過程的轉(zhuǎn)速變化進行分析，建立矢量分析數(shù)據(jù)，以判斷變頻控制要素。根據(jù)石油鉆井泵電機的額定輸出功率來確定最大消耗功率頻率，通過匹配電機功率和泵軸功率的關(guān)系來調(diào)節(jié)變頻控制要素，以實現(xiàn)頻率最大化。利用相似定律和經(jīng)驗值估算法進行頻率變化修正，確保鉆機在最佳頻率范圍內(nèi)運行。實驗結(jié)果表明：所提方法能夠有效實現(xiàn)鉆井泵的變頻調(diào)速，保證海洋石油鉆井作業(yè)的穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞 修正控制 頻率失穩(wěn) 變頻調(diào)速 壓頻比 鉆井泵 海洋石油

中圖分類號 TH17 " 文獻標(biāo)志碼 A " 文章編號 1000-3932（2024）04-0681-06

當(dāng)前海洋石油開發(fā)中，鉆機電氣裝置的智能化程度不高，不能對工作狀態(tài)進行實時分析與處理，尤其是在海洋石油鉆井作業(yè)中，考慮到海底作業(yè)的影響因素，鉆井泵的轉(zhuǎn)速過高、設(shè)備過熱會使周圍產(chǎn)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，增加海底鉆井作業(yè)的危險度以及鉆井泵線路故障發(fā)生的可能性。鉆井過程中不同地層需要不同的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)最佳的鉆探效果，而鉆井泵的轉(zhuǎn)速頻率無法根據(jù)具體鉆探需求進行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致鉆探效果較差。因此，需要對鉆井設(shè)備進行相應(yīng)的變頻調(diào)速。

為了適配船舶使用要求，文獻［1］利用歸一化算法和PLC控制建立深度變頻調(diào)速方法，通過傳感器采集對應(yīng)的轉(zhuǎn)速信號調(diào)節(jié)。文獻［2］提出一種行星變頻調(diào)速裝置，建立泵軸的調(diào)速改變參數(shù)，考慮鉆井泵的全負(fù)荷狀態(tài)，在性能全面提升的基礎(chǔ)上保證變頻調(diào)速需求。但上述方法在海洋石油鉆井泵應(yīng)用時，受困于鉆井泵重量大、流量波動大、效率低、功能部件壽命短等問題，以恒定轉(zhuǎn)速運行的方法，無法根據(jù)實際工況需求進行調(diào)整，容易導(dǎo)致頻率控制失穩(wěn)。為此，提出一種海洋石油鉆井泵自動化變頻調(diào)速方法。針對半潛海上石油鉆井的鉆井泵變頻調(diào)速問題，分析海洋石油鉆井泵的操作條件以及電機的矢量分配情況，設(shè)計基于PLC系統(tǒng)的自動化變頻調(diào)速平臺，在口令調(diào)度的情況下有效實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速。

1 鉆井泵變頻控制要素選取

在研究海洋石油鉆井泵的變頻調(diào)速問題時，一個關(guān)鍵步驟是對鉆井機械提升過程的轉(zhuǎn)速變化進行分析。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，可以通過建立鉆機的矢量分析數(shù)據(jù)來判斷變頻控制要素。矢量分析是一種詳細(xì)分析鉆機裝置中旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)數(shù)、功率輸出、電流等參數(shù)變化的方法，可用于確定最佳變頻器設(shè)置和調(diào)節(jié)。通過對鉆機矢量分析數(shù)據(jù)的觀察和分析，可以確定合適的變頻調(diào)節(jié)參數(shù)，從而實現(xiàn)對鉆機轉(zhuǎn)速的精確控制。

其中，s表示變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)差率。

通過式（2）進行異步電機轉(zhuǎn)速實時作業(yè)效果分析，以確保合理分配異步電機的轉(zhuǎn)速和速率。針對分配結(jié)果進行一系列的數(shù)據(jù)分析，在三相交流電機運行時，對頻率、電阻、電機轉(zhuǎn)速和相關(guān)參數(shù)進行變換，確定相應(yīng)的調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)［4］。提升電源頻率的過程中，測試電機運行時的轉(zhuǎn)速，判斷綜合調(diào)速控制對應(yīng)的模式標(biāo)準(zhǔn)。由此分析海洋石油鉆井泵的變頻操作數(shù)據(jù)。在準(zhǔn)確的磁場定向數(shù)據(jù)［5］條件下，建立石油鉆機的矢量分析數(shù)據(jù)，判斷變頻控制要素，劃分異步電機中存在的電流矢量。將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的分量進行有效分流，經(jīng)調(diào)控實現(xiàn)分量間幅值的分配［6，7］，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)自動化調(diào)速，根據(jù)海洋石油鉆機壓頻比、轉(zhuǎn)子電壓進行對應(yīng)的操作控制，有效實現(xiàn)石油鉆井的電流調(diào)控。

2 控制要素的頻率最優(yōu)化控制

調(diào)節(jié)變頻控制要素是為了實現(xiàn)頻率和功率輸出的優(yōu)化。海洋石油鉆井作業(yè)中電潛泵的頻率及參數(shù)均有不同模式［8］，為確保變頻調(diào)速有效實施，針對不同情況需分別分析。

根據(jù)石油鉆井電機的額定輸出功率，計算鉆井泵的消耗功率最優(yōu)頻率，設(shè)定電機功率為P，石油鉆機的泵軸功率為N，然后通過匹配電機功率和泵軸功率的關(guān)系來調(diào)節(jié)變頻控制要素，以實現(xiàn)最優(yōu)頻率的計算目標(biāo)。通常情況下，電機轉(zhuǎn)速受電機功率的影響，二者屬于正比例關(guān)系，電機泵的轉(zhuǎn)速受泵軸功率的影響［9］，二者之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。

當(dāng)頻率f=f（f表示最優(yōu)頻率）時，P=N，電機提供的額定功率符合泵軸作業(yè)所需的功率，當(dāng)前頻率在保證鉆井電機載荷正常的情況下，安全穩(wěn)定地拖動泵軸運轉(zhuǎn)，并實現(xiàn)頻率最優(yōu)化；當(dāng)fgt;f時，Ngt;P，此時鉆井電機的實際作業(yè)功率低于泵軸，作業(yè)過程中存在電機過載。

壓頻比γ與最優(yōu)頻率f成反比，為了減少海洋石油鉆井作業(yè)中可能出現(xiàn)的相關(guān)問題，需要保證合適的壓頻比γ，不能過高或者過低。

根據(jù)水下驅(qū)動設(shè)備作業(yè)狀態(tài)下的實際可用容量限制條件，建立對石油鉆井泵的最優(yōu)修正頻率，在初次參數(shù)設(shè)定時先行計算設(shè)備的預(yù)測性修正條件，利用經(jīng)驗值估算法計算獲得對應(yīng)的修正參數(shù)，計算前先需判定水下驅(qū)動設(shè)備的實際可用容量，同時為保證水下石油鉆井作業(yè)中，針對變頻器和變壓器的型號能夠深度適配［10］，需提前計算實際額定容量。

在改變速度頻率時需要用到變頻器，它的額定輸出電壓和電流受到一定條件限制，在實際控制中選擇相對較小的值完成容量計算比較合適［11］，若變頻器的額定輸出與變壓器的輸入量相當(dāng)，說明二者之間具備一定的兼容性：

其中，ω表示變頻器的實際可用容量，V表示額定輸入和輸出的最小電壓值，A表示額定輸入和輸出的最小電流值。

根據(jù)海洋石油鉆井泵在實際運行過程中對泵軸的消耗功率以及隨著井況的實時變化，修正具體的頻率變化。海洋石油鉆井井況中的泵軸會產(chǎn)生一定的功率消耗，通過經(jīng)驗值估算法［12］計算對應(yīng)的修正參數(shù)，確保鉆機在最佳頻率范圍內(nèi)運行。

3 自動化變頻調(diào)速方法設(shè)計

在計算出鉆井泵的最優(yōu)頻率后，基于PLC系統(tǒng)建立鉆井電氣設(shè)備自動化變頻調(diào)速平臺，使其一直保持最優(yōu)頻率。

設(shè)置鉆井泵電機的雙饋調(diào)速條件，根據(jù)鉆井裝置實時狀態(tài)，引入對應(yīng)的自動化變頻調(diào)速參數(shù)。變頻調(diào)速的關(guān)鍵在于需要強化控制鉆井泵的電磁轉(zhuǎn)矩，雙饋調(diào)速裝置在定子磁場穩(wěn)定狀態(tài)下建立調(diào)速口令，確保在鉆井泵的定子磁場下，鉆井設(shè)備可以完成轉(zhuǎn)矩的功能調(diào)節(jié)，實現(xiàn)變頻調(diào)速。

海洋石油鉆井泵的電機電磁轉(zhuǎn)矩定義為：

鉆井設(shè)備的轉(zhuǎn)子電壓前饋參數(shù)決定實際操作的可行性，同時溫度越高，參數(shù)提升的速度越快［15］，因此參數(shù)的實際大小需在特定條件下簡化，即通過簡化參數(shù)［16］實現(xiàn)對雙饋調(diào)節(jié)裝置的靜差消除，減小設(shè)備自動化變頻調(diào)速的誤差，提高精確度。

4 實驗分析

為了測試自動化變頻調(diào)速方法的應(yīng)用性能，在進行仿真實驗時選用復(fù)數(shù)機制，變頻調(diào)速的誤差允許范圍在±0.001 Hz之內(nèi)，實驗時間設(shè)定在0.4 s。石油鉆井泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 400 r/min。使用SolidWorks建立一臺模擬鉆井機，并對其調(diào)整。采集設(shè)備在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的相關(guān)數(shù)據(jù)，并在Simulink進行仿真實驗，實驗仿真系統(tǒng)平臺如圖1所示。

鉆機在空載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速波形情況如圖2所示。A、B兩相電流在空載狀態(tài)下的輸出情況如圖3所示。

由圖2、3可知，鉆井泵在空載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)步升高并維持穩(wěn)定均衡狀態(tài)的，同時電流輸出情況在電機啟動時會產(chǎn)生大幅波動，但很快實現(xiàn)小波動形態(tài)的穩(wěn)定輸出。

設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，同時在實驗進行過程的第0.2 s將轉(zhuǎn)速變換為1 000 r/min，0.2 s空載轉(zhuǎn)速變化條件下的轉(zhuǎn)速如圖4所示。

在給定初始轉(zhuǎn)速1 400 r/min狀態(tài)下，第0.2 s突然增加負(fù)載，負(fù)載能量為100 N·m，此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速如圖5所示。

針對上述A、B兩相電流的實際變化情況進行測試，0.2 sA、B兩相電流的輸出情況如圖6所示。

異步電機定子狀態(tài)下鉆井泵在0.2 s突加負(fù)載，0.2 s轉(zhuǎn)矩波形如圖7所示。

綜合分析圖4～7可知，針對空載狀態(tài)下的突然變速或是突然加載，所提方法均能快速做出反應(yīng)，并實現(xiàn)鉆井泵的變頻和速度實時調(diào)整，不僅能有效控制轉(zhuǎn)機突變情況，同時能很好地穩(wěn)定鉆井泵的轉(zhuǎn)速。

為了確定所提方法的穩(wěn)定性，將其與文獻［1，2］方法進行對比，進一步測量不同方法的電壓波形，如圖8所示。

根據(jù)圖8可知，突加負(fù)載狀態(tài)下，文獻［1，2］方法電壓波形存在較大擾動，而筆者方法的電壓波形變化相對穩(wěn)定，沒有存在波形的大幅值擾動，說明筆者方法能夠穩(wěn)定鉆井泵的電壓輸出，保證變頻調(diào)速過程中的電壓水平維持在正常狀態(tài)。

5 結(jié)束語

提出一種海洋石油鉆井泵的自動化變頻調(diào)速方法。分析設(shè)備變頻調(diào)速的操作條件，計算鉆井泵的最大頻率優(yōu)化條件，分配井泵消耗功率最大頻率，通過調(diào)節(jié)壓頻比，保證變頻器和變壓器之間的兼容性，基于PLC系統(tǒng)設(shè)計了自動變頻調(diào)速方法，仿真實驗結(jié)果證實了筆者方法的有效性。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-08-24，修回日期：2023-09-24）

Control Method for Variable Frequency Speed Correction of Drilling Pumps in Offshore Oil Extraction

CHEN Sheng-gen

（China Oilfield Services Ltd.）

Abstract " The offshore drilling widely adopts three-cylinder single-acting reciprocating pump， which basically meets offshore oil extraction in terms of the pressure and flow. This pump driven by a crank-link mechanism-driven has disadvantages like the large weight and flow fluctuations and the low efficiency and

shorter service life of functional components. Usually， the three-cylinder pump operates at constant speed and fails to be regulated according to the actual working condition and it easily leads to the instability of frequency control. In this case， a regulating method for the offshore drilling pump’s automatic frequency conversion was proposed. Through analyzing the speed change of the drilling pump’s lifting process， the vector analysis data was established to judge variable frequency control elements. In addition， having the rated output power of the drilling pump’s motor based to determine the maximum consumption power frequency was implemented， including matching the relationship between the motor power and the pump shaft power to regulate the frequency control elements so as to maximize the frequency， and making use of both similar law and the empirical value estimation method to correct the frequency change so as to ensure that the rig can run in the optimal frequency range. The experimental results show that， the proposed method can effectively regulate the frequency conversion speed of the drilling pump and ensure a stable operation of the offshore drilling.

Key words " correction control， frequency instability， variable frequency regulation， voltage frequency ratio， drilling pump， offshore oil