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(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 四川 成都 610056；3．中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司 重慶 401147；4．中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司 遼寧 盤(pán)錦 124010)

0 引 言

泥漿泵為石油鉆機(jī)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(duì)泥漿泵提出了新的要求。由于井深越來(lái)越深，要求泵壓越來(lái)越高，但泵的重量和體積不能過(guò)大，同時(shí)要求傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單可靠、備品備件標(biāo)準(zhǔn)化程度高、安裝維護(hù)方便[3]。直驅(qū)泥漿泵無(wú)皮帶和鏈條傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可滿足以上對(duì)設(shè)備體積、可靠性等方面的要求。

目前國(guó)內(nèi)其他廠家制造的直驅(qū)泥漿泵采用單臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，電機(jī)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(yùn)行時(shí)存在內(nèi)應(yīng)力，無(wú)法保證連接可靠性，易造成電機(jī)或者泥漿泵軸承等損壞。泥漿泵泵組重心偏，電機(jī)拆裝不方便。此外，系列泥漿泵所需的電機(jī)規(guī)格多，標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)實(shí)際需要。

1 技術(shù)方案

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

采用低速大扭矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)泥漿泵，交流變頻電機(jī)的固定采用懸掛結(jié)構(gòu)型式，如圖1所示。電機(jī)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(jī)輸入軸聯(lián)接起來(lái)。這樣就節(jié)省了空間，減小了泥漿泵的寬度，方便后期運(yùn)輸。

1.泥漿泵本體 2.固定法蘭盤(pán) 3.萬(wàn)向聯(lián)軸器 4.直驅(qū)電機(jī) 5.連接板圖1 直驅(qū)泥漿泵的三維爆炸圖

所有型號(hào)泥漿泵選用 600 kW和850 kW兩種電機(jī)，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(tái)電機(jī)單側(cè)安F-1300/1600(HL)、F-2200HL采用2臺(tái)電機(jī)雙側(cè)安裝。采用專用變頻控制系統(tǒng)對(duì)直驅(qū)泵電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了泥漿泵直驅(qū)電機(jī)的數(shù)字化通訊和泥漿泵泵沖無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，同時(shí)也具備了多泵組并機(jī)“軟泵”控制功能和保護(hù)功能。

1.2 工作原理

泵組的動(dòng)力源來(lái)自于機(jī)組的柴油發(fā)電機(jī)組[5]，也可以來(lái)自電網(wǎng)，電流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后提供給直驅(qū)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)泥漿泵工作。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與泥漿泵的額定轉(zhuǎn)速一致，從電機(jī)的機(jī)械特性曲線可以看出，電機(jī)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(gè)工作泵沖。通過(guò)交流變頻控制單元調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到鉆機(jī)工作所需的泵沖，交流變頻電機(jī)的機(jī)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(jī)的機(jī)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(guò)計(jì)算和歸納，可以使用兩種規(guī)格的電機(jī)覆蓋所有泥漿泵的規(guī)格，見(jiàn)表1。

表1 各類泥漿泵直驅(qū)電機(jī)配置

3 主要部件研制

在研制直驅(qū)泥漿泵組的過(guò)程中，我們只需要研制適合泵組使用的交流變頻電機(jī)以及傳動(dòng)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中、深以及超深井鉆機(jī)。

3.1 泥漿泵組傳動(dòng)裝置

電機(jī)定子外殼通過(guò)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(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器與泥漿泵輸入軸相連。電機(jī)由連接法蘭直接懸臂固定到泥漿泵殼體上，電機(jī)和法蘭通過(guò)止口定位，保證電機(jī)和泥漿泵輸入軸同軸度滿足要求。電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)帶法蘭的萬(wàn)向聯(lián)軸器將動(dòng)力傳輸?shù)侥酀{泵輸入軸，為了適應(yīng)井隊(duì)野外的安裝條件，降低安裝的難度和精度，選用的萬(wàn)向聯(lián)軸器可以進(jìn)行角度和位移補(bǔ)償，具有緩沖和減振作用，避免轉(zhuǎn)子和輸入軸同軸度問(wèn)題造成設(shè)備損壞。

3.2 直驅(qū)電機(jī)

該類電機(jī)為鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)[7]，由定子、空心轉(zhuǎn)子等構(gòu)成，外部設(shè)有檢修開(kāi)關(guān)，并安裝風(fēng)壓檢測(cè)、加熱器等。該類電機(jī)主體上方安置兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻方式，能提供滿足電機(jī)運(yùn)行所需的冷卻風(fēng)量。電機(jī)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(jī)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(xiàng)安裝1個(gè)溫度傳感器。轉(zhuǎn)子為鼠籠式，強(qiáng)度高，能承受較高轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)子鐵心上設(shè)有通風(fēng)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(jī)前、后軸承上各裝1個(gè)溫度傳感器。在前、后軸承外蓋處均設(shè)一個(gè)注油嘴，且下方有排油蓋板。

電機(jī)可以平滑無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍寬，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，超載能力強(qiáng)，溫度傳感器通過(guò)電纜和控制系統(tǒng)相連，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行溫度，避免因溫度過(guò)高而損壞電機(jī)。

3.3 控制系統(tǒng)

操作系統(tǒng)通過(guò)面板和操作屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[8]。觸摸屏可以將操作過(guò)程以彩色流程畫(huà)面顯示出來(lái)，并可以實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的趨勢(shì)圖、報(bào)警畫(huà)面等。

每臺(tái)直驅(qū)泵組由1套電控傳動(dòng)單元進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，可單獨(dú)成系統(tǒng)，也可與鉆機(jī)控制系統(tǒng)集成。系統(tǒng)將直驅(qū)泵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在PLC模塊中進(jìn)行比較判斷，并根據(jù)程序進(jìn)行2臺(tái)直驅(qū)電機(jī)同步調(diào)速、精確控制，可以實(shí)現(xiàn)泥漿泵泵沖的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，并具備泵壓保護(hù)和電網(wǎng)系統(tǒng)功率自適應(yīng)功能，以及多泵組并機(jī)“軟泵”控制技術(shù)。同時(shí)，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(kuò)展實(shí)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(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 廠內(nèi)試驗(yàn)

直驅(qū)電機(jī)試驗(yàn)，電機(jī)在廠內(nèi)進(jìn)行了對(duì)地工頻耐壓、繞組匝間耐壓、絕緣電阻測(cè)定、冷態(tài)直流電阻測(cè)定、空載特性、噪聲、振動(dòng)和基準(zhǔn)熱定額試驗(yàn)等。

基準(zhǔn)熱定額試驗(yàn)采用專用試驗(yàn)工裝，模擬電機(jī)在泥漿泵上的連接，采用電機(jī)對(duì)拖的方式對(duì)泥漿泵電機(jī)進(jìn)行滿功率熱負(fù)荷試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)符合設(shè)計(jì)要求。

直驅(qū)泵專用控制系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試系統(tǒng)回路、PLC通訊以及變頻器功能測(cè)試的廠內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)生產(chǎn)的6種類型泥漿泵組及控制系統(tǒng)分別進(jìn)行聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行情況，單臺(tái)泵組進(jìn)行8 h不同泵沖、泵壓的運(yùn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)證明：直驅(qū)泥漿泵電機(jī)及控制系統(tǒng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)泥漿泵的精準(zhǔn)控制，泵組運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)、噪音等參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及工業(yè)性試驗(yàn)

1)WF-2000HL直驅(qū)泥漿泵 在川西鉆探某隊(duì)進(jìn)行了試驗(yàn)，最大泵沖100沖，最大泵壓33 MPa，最大連續(xù)運(yùn)行時(shí)間330 h，試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)了大排量高泵壓等工況驗(yàn)證，樣機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，工作狀態(tài)良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2)F-1000/1300、F-1600(HL)、F-2200HL直驅(qū)泥漿泵 以上機(jī)型也分別在各個(gè)井隊(duì)進(jìn)行了試驗(yàn)，鉆井作業(yè)中均經(jīng)過(guò)了大排量、高泵壓等工況驗(yàn)證，運(yùn)行平穩(wěn)，工作狀態(tài)良好。

4.3 試驗(yàn)?zāi)芎膶?duì)比

川慶鉆探某隊(duì)，對(duì)直驅(qū)泵和常規(guī)泵能耗進(jìn)行對(duì)比，缸套尺寸170 mm、泵沖60 spm、泵壓14 MPa，通過(guò)變頻器檢測(cè)直驅(qū)泵和常規(guī)泵電機(jī)功率。

直驅(qū)泵電機(jī)能耗289.84 kW·h，常規(guī)泵電機(jī)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(yàn)噪音對(duì)比

由于直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行了降噪處理，所以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量川慶鉆探某隊(duì)直驅(qū)泥漿泵和川西鉆探某隊(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度

直驅(qū)泥漿泵由于采用了電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)泥漿泵，減少了傳遞環(huán)節(jié)，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，并且在速度改變后可快速達(dá)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(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，直驅(qū)泵比常規(guī)泵輸出功率低3.1%。同時(shí)由于傳動(dòng)環(huán)節(jié)減少，使得泥漿泵的動(dòng)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(jī)部件可以一車運(yùn)輸，節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)拆裝工作量，減少設(shè)備運(yùn)輸車次，減少吊車占用時(shí)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(jī)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，系列泥漿泵配2種規(guī)格電機(jī)，備件儲(chǔ)備可以共享。

直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行了降噪處理，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，噪音減小5～8 dB(A)，具有良好的環(huán)保效益。