电动钻机泥浆泵变频系统的配置与调试研究

郭辉

摘 要：在石油开采行业中，需要用到很多设备，并通过和先进的工艺技术相衔接，给石油的开采工作带来更高的效率，比较具有代表性的有电动钻机泥浆泵所使用的先进工艺，包括系统的配置。文章对钻机泥浆泵变频系统在实际使用中具有的特点进行了说明，并对系统的调试方法进行了一些说明，旨在为促进我国石油行业的发展做出贡献。

关键词：电动钻机泥浆泵;负载;变频电机;配置;调试策略

1、引言

由于石油几乎都深埋在地底下或者海洋下面，需要依托泥浆泵等钻机进行开采。石油的开采也是一个漫长的过程，因此需要这些进行长时间的工作，这样就需要相关设备具备耐负荷和能够在长时间下工作的能力。泥浆泵变频系统的配置直接影响到电动钻机的工作效率，最终影响到石油的开采，在实际工作中发挥着重要的作用，因此，需要结合实际负载的变化对变频系统进行调试和控制。

2、石油钻机泥浆泵的性能参数

当前石油开采行业中，变频调速的技术使用也比较广泛。在泥浆泵中，由于各处石油开采的地理位置差异明显，实际工况不尽相同，导致泥浆泵在实际工作中需要根据不同的工况来调节，这就对泥浆泵的性能参数分析提出了要求。

在泥浆泵的性能参数中，主要有以下几点：

①泥浆泵的理论排量。所谓理论排量，是指泵在单位时间内所排除泥浆体积的大小，它不仅和钻孔的直径大小有关，还和孔底冲洗液上访来回的速度快慢有关。因此，需要根据实际情况来设计电动钻的功率大小;

②工作压力。当钻孔钻入的深度越深时，遇到的阻力就会越大，此时要保持电动钻机继续工作，就必须要能承受更大的压力。在钻孔工作时，泵的出口在单位面积上的液体压力就是工作压力;

③额定功率。在石油钻机的泥浆泵中，其输入功率主要是通过动力机所传递的能力大小来表示。额定功率值的大小等于泥浆泵在工作时额定冲次时的输入功率;

④工作效率。工作效率是一个非常重要的性能参数，它对泥浆泵工作将产生直接的影响。其值为钻机泥浆泵的有效功率与输入功率的比。

以上四点为石油钻机泥浆泵比较重要的性能参数。在石油开采中，为了使得这些设备能更好地工作，就必须要了解泥浆泵的性能参数，以便做好泥浆泵变频系统的配置和调试工作。

3 、石油钻机泥浆泵的负载特性以及變频电机的具体配置

石油钻机泥浆泵在一定负载的情况下，其空载转矩和负载的阻转矩之间具有如下的关系：

在该式中，nL为转速，TL是负载的阻转矩，空载转矩为T0，Kt是一个转矩常数。由于空载转矩T0的值比较小，在实际确认石油钻机泥浆泵的负载特性时可以将其忽略不计。这样一来上式就可以简单的将公式简化成负载的转矩和转速的平方之间存在某种正比关系。在石油钻机泥浆泵机械功率的计算公式中将上式带入后可得到以下公式：

其中P0就是指电动钻机在空载时候的功率。以功率较大的泥浆泵来说，轴端的输入功率能达到1600hp，而且其额定转速能达到1000rpm。电机是通过皮带传动来驱动钻头，在系统中会配置单电机或者是双电机。单电机或者双电机所需要配置的变频异步电机会有所差异。单电机时变频异步电机的功率为1200kw，而如果时配了双电机的话，则会相应地搭载两台功率700kw的变频异步电机。不过无论是配备的单电机，还是双电机，额定转速几乎都维持在1000rpm左右保持不变。

在泥浆泵实际工作中泵的泵冲和泵压是比较重要的参数。当缸的直径相同时，泵的排量和电机是正比例的关系，同样电机的转矩和泵压也是正比例的关系。为了保证电机安全可靠地运行，必须要在额定转速以下工作。如果转速超过额定功率，就会使得转矩和泵压的比值增大，使得钻机泥浆泵的内部元器件被损坏，从而造成泵无法工作。另外，实际转速超过额定功率，所配置的电机也会产生国在现象。

4 、变频调速特点和相应的石油钻机泥浆泵负载配置关系

在异步电机中U和f的比值在无功补偿下恒定值标量控制变频时，在额定转速以下，调速通过恒转矩来实现，当有低速电压补偿时，可以通过最大的转矩来实现对速度的调整，从而保证钻机泥浆泵能稳定地保持在比较小的转矩下进行工作。

在石油钻机的泥浆泵中的变频器以适量控制技术为主，电流矢量值可以通过变频中可测量技术获得数值，从而实现控制器电流矢量的效果。电动机的转矩控制和交流电机的工作励磁电流可以通过磁场的定向工作方式来实现控制，从而达到交流电机转矩的控制。变频器中的启动转矩值大小和转矩动态响应快慢有着直接的关系。转矩值越小，响应性则越慢，这也会使得调速的精度越低。当电机的额定功率超过额定输入功率值时，才能保证变频调速系统能正常稳定地工作。

因此，泥浆泵的电机额定转速值要高于泥浆泵的额定转速;电机的额定输出转矩要高于泥浆泵的额定转矩。对电机和泥浆泵进行互相匹配时要注意，电机的匹配额定转速要低于泥浆泵的额定转速，不然就会使得电机过载而损坏电机。

5、电动钻机泥浆泵变频系统的调试策略

在电动钻机泥浆泵系统的变频系统控制上，通常采用的是无编码器的矢量来控制，或者通过DTC或者是V/F来控制，能够调速的比值为10倍。为了尽可能提高转矩动态响应性，需要尽可能缩短泥浆泵的启动和加速时间。目前行业中泥浆泵的启动加速时间一般都控制在20到30S之间。该事件如果过短，也会带来不利影响，比如启动或者减速时间太短，会带来较大的有功冲击。为了增大负载，发电机一般使用柴油，这样也就可以提高转速。为了实现启停功能，可以用自由停车方式来表示停车指令后的逆变器的IGBT。关于泥浆泵的调速范围，单电机时要实现100倍的比例，在额定转速的40%以上进行工作。由于泥浆泵的泵冲和电机转速是正比例关系，可以通过PLC来实现电机转速的计算，从而达到校准泵冲的目的。

6、结语

石油在钻井作业时，由于施工环境比较复杂，泥浆泵也不是一直处于某种工况在工作，而是要根据泥浆的环境来实现自我调节。不仅要求泥浆泵能实现快速的启动功能，还能有较强的承载能力。电机和泥浆泵之间如果匹配不合适，就会给电动钻机的工作带来各种问题，从而影响到工程的精度。这就要求电动泥浆泵的变频系统具备较好的反应能力，实现泥浆泵高效和安全的工作。

参考文献

[1] 白君，试论电动钻机泥浆泵变频系统的配置与调试，中国设备工程，2018-09（下）;136-137