林天祥

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

鉆探變頻電動泵主要用于地質(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，鉆探變頻電動泵由泵體、葉輪、揚水管、泵座、潛水電機等部分共同組成，具備單級揚程高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。在鉆探變頻電動泵應(yīng)用到地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中，由于會受到更大的壓力，對鉆探變頻電動泵的正常運行性能造成影響。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，鉆探設(shè)備在其中的運行存在很高的難度系數(shù)[1]。目前，研究人員對于地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動泵的運行分析研究較少。而鉆探變頻電動泵的運行性能又是直接影響其使用效率的關(guān)鍵，對此，本文提出地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動泵的運行分析，從而為后續(xù)鉆探變頻電動泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的高效運行提供理論基礎(chǔ)。

1 鉆探變頻電動泵運行原理

為分析地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動泵的運行性能，要明確鉆探變頻電動泵的運行原理。通常情況下，鉆探變頻電動泵是由電動機作為源動力，通過油泵傳動裝置實現(xiàn)重復(fù)運動，從而帶動控制器以及變頻器通過隔膜進行往復(fù)運動，完成對輸出介質(zhì)的運輸。鉆探變頻電動泵的運行原理，如圖1所示。

圖1 鉆探變頻電動泵運行原理

根據(jù)圖1所示，利用油泵能夠?qū)⒁后w的部分動能轉(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)電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對電動機的變頻控制。變頻器的工作原理，可通過n 方程式進行表達，則有：

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

2 地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動泵運行分析

2.1 鉆探變頻電動泵運行性能參數(shù)

根據(jù)上文得出的鉆探變頻電動泵運行原理，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，必然會導(dǎo)致鉆探變頻電動泵運行性能參數(shù)的變化。因此，本文將鉆探變頻電動泵的運行性能分為四個檔位，并分析其不同檔位下的運行性能參數(shù)。地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動泵運行性能參數(shù)，如表1所示。

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

根據(jù)表1所示，為不同檔位下鉆探變頻電動泵的運行性能參數(shù)。鉆探變頻電動泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的初始運行階段，設(shè)置鉆探變頻電動泵的檔位為一檔，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 鉆探變頻電動泵調(diào)速

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

圖2 鉆探變頻電動泵調(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)中電動機的定子頻率為50Hz。由于在鉆探變頻電動泵調(diào)速過程中，還需要根據(jù)鉆探變頻電動泵的流量調(diào)節(jié)變頻器運行參數(shù)。為此本文設(shè)鉆探變頻電動泵的流量為Q ，則通過方程式進行計算，可得：

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

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

2.3 控制鉆探變頻電動泵運行壓力

通過本文上述分析可知，鉆探變頻電動泵調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)對地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動泵流量的調(diào)節(jié)。但鉆探變頻電動泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)運行中，還需要控制鉆探變頻電動泵運行壓力，避免由于控制失效，導(dǎo)致鉆探變頻電動泵運行效率降低[3]?？梢詫@探變頻電動泵運行看作一個非線性分析問題，針對鉆探變頻電動泵受壓下的位移情況進行分析。本文選用位移控制法確定鉆探變頻電動泵運行壓力與電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，當(dāng)鉆探變頻電動泵開始運作時，將每一次往復(fù)運動的起始時刻都設(shè)定為該節(jié)點的某一自由度。在一次往復(fù)運動過程中總增量可以用表示。其中j指的是鉆探變頻電動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，鉆探變頻電動泵在完成第一次往復(fù)運動時增量的位移計算公式為：

公式（4）中，δ指的是鉆探變頻電動泵迭代位移增量；V指的是活塞行程長度；A 指的是完成一次往復(fù)運動時鉆探變頻電動泵的位移增量；Z 指的是地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動泵的排出壓力。由于鉆探變頻電動泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中運行的特殊性，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)中鉆探變頻電動泵運行分析，在明確鉆探變頻電動泵運行原理的前提下，分析鉆探變頻電動泵的運行性能參數(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Φ刭|(zhì)深層結(jié)構(gòu)中鉆探變頻電動泵運行的分析是十分必要的，且具有現(xiàn)實意義，能夠為提高鉆探變頻電動泵在地質(zhì)深層結(jié)構(gòu)中的運行效率提供理論支持。