试论电动钻机泥浆泵变频系统的配置与调试

白君

（胜利石油工程有限公司渤海钻井总公司，山东 东营 257200）

石油钻井过程中，泥浆泵作为石油钻机代表主设备之一，具有负荷大和可运行的工作时间很长的特点，对泥浆泵的变频传动系统的配置和调试是关乎其实际工作效果的，所以需要更具实际工作中的负载要求和变化做出及时的抉择和控制措施。

1 石油钻机泥浆泵的性能参数

变频调速方式在石油钻机设备中所应用广泛，泥浆泵的变频传统配置往往是和泥浆泵的性能要求特点和实际工况具有直接影响关系，所以对泥浆泵的性能参数的分析具有先导作用。

泥浆泵性能具有代表的重要参数首先就是泥浆泵的理论排量，理论排量指的是单位时间内，泵排出介质的体积，这个体积量的大小又是和钻孔的直径以及孔底冲洗液上返回来的速度具有直接关系，这就涉及到传动功率的大小选择了。另一个泥浆泵的重要参数就是工作压力，这可以说成是一种泵压-泵的排出口处在单位面积上的液体作用力。钻孔的深度更深，通道就会产生更大的阻力，相应的就更需要更高的压力。泥浆泵的另一个重要的参数就是额定功率，还有效率。石油钻机泥浆泵的输入功率往往用动力机传递给泥浆泵主动轴上的能量大小来代表。石油钻机泥浆泵的额定功率就是用泥浆泵在工作过程中和额定冲次时的输入功率。石油钻机泥浆泵的效率为有效功率比输入功率的大小。对石油钻机泥浆泵的性能参数有更加清楚明晰的了解才能更好做好泥浆泵变频系统的配置和调试工作。

2 石油钻机泥浆泵的负载特性以及变频电机的具体配置

石油钻机泥浆泵在负载特性工作上有平方律负载方式，这是可以用下面的转矩特点来表示，而平方律负载就是表示阻转矩和转速的平方为一个正比关系。

其中：转速就是nL；TL表示为负载的阻转矩；T0就是空载转矩；Kt代表为转矩常数。由于一般情况下可以忽略较小的T0，所以我们通常认为TL和nL的平方为正比关系。公式（1）代入到石油钻机泥浆泵机械功率计算公式可以得到公式（2）：

其中P0代表空载功率。这种功率负载的方式和恒功率的负载是不同的，对于我们常见的大功率泥浆泵F1600型号，其轴端可以达到的输入功率为1600hp，而在额定转速上都可以达到1000r/min。这种石油钻机泥浆泵的负载为泵类负载类型，在机械特点上具有明显的平方律特征，在长期工作下都可以有稳定的工作表现。驱动负载的实现往往是配有单机或双电机，其通过皮带传动驱动。而如果是单机来传动驱动，一般配有一台1200千瓦的变频异步电机，而如果是双电机来传动驱动，就会配有两台700多千瓦的变频异步电机，但通常额定的转速都是1000r/min不变。

表1

泵的泵冲和泵压对于泥浆泵的实际操作来说非常重要，在相同的缸套直径下，泵排量和电机转速呈现正比例关系，电机转矩和泵压具有同样的正比例关系。泥浆泵的平方律工作负载规律中，可以知道其不能在额定速度以上来运行的（F1600泥浆泵，ne为1000r/min），不然可能会出现阻转矩和泵压比例关系迅速增加，造成石油钻机泥浆泵内部出现器件的破坏，这是由泵的效率决定的。如果泥浆泵在额定转速以上工作，其配有的电机也会因为受不了这种转速从而出现过载。

3 变频调速特点和相应的石油钻机泥浆泵负载配置关系

首先我们可以看到异步电机U1和f1比值的恒定值标量控制变频调速系统的关系特性。异步电机U1/ f1在无补偿情况下的恒定值标量控制变频这种工作系统下，额定转速以下模式的调速特点由恒转矩调速来表示。而如果有低速电压补偿控制方式时，最大输出的转矩可以通过对速度低速下的增加调整实现，从而石油钻机泥浆泵一般可以保持较小的转矩，有时还可以不需要低速电压来补偿，从而也可以实现节能功能。我们可以看到异步电机U1/f1控制额定转速以上变频调速特性的曲线图（图1），F1600型石油钻机泥浆泵通常情况下配置的变频电机为一千到一千五r/min弱磁区域范围之内，一般也叫做恒功调速范围。

图1 异步电机U1/f1控制额定转速以上变频调速特性（弱磁）

矢量控制变频调速系统的调速特点分析。在石油钻机泥浆泵设备中的变频器一般是采用矢量控制技术的，电动机的定子电流矢量可以用变频中可测量手段来反映，并且达到控制器电流矢量的目的。磁场定向工作方式可以对交流电动机中的工作励磁电流以及另一个重要的电动机转矩来进行控制，最后可以对交流电动机的转矩进行控制。通常来说，变频器中的启动转矩如果越小，那么变频器中的转矩动态响应就会越长时间越慢，而调速精度也会相应变得越差，变频器的负载能力就变弱了。对石油钻机泥浆泵的运行特点和变频调速特点进行分析，可以发现在标量控制还是矢量控制上，如果电机的额定转速在实际工作转速之上，而电机的额定功率能够大于等于额定输入功率，相应的转矩也是对等，那么变频调速系统就可以平稳运行，可以满足泥浆泵的输入驱动需求。

因此，石油钻机泥浆泵变频系统异步电机配置的要求可以总结如下：首先就是泥浆泵的电机额定转速要和泥浆泵的额定转速保持一致，或者高一些，从而留出一定的富裕量；电机的额定输出转矩要比泥浆泵的额定转矩大一些，从而可以留出一定富裕量，那么变频系统可以达到传动要求和泥浆泵的工作要求。这也是一种合适或者匹配的优选配置。而对1600马力下的变频电机，其轴端可以达到的输入功率为1600hp，而在额定转速上都可以达到1000r/min。变频器可以选择直接转矩控制方法，这是一种具有核心控制技术的方法，电机的电压和电流来计算定子磁通，从而控制磁矩，达到调控作用。单机电动机一般配有一台1200千瓦的变频异步电机，如双电机来传动驱动，就会配有两台700多千瓦的变频异步电机。应特别注意，电机在匹配配置下不能高于泥浆泵的额定转速来运转，以免泥浆泵和电机过载而受到破坏。

4 系统调试策略

石油钻机泥浆泵的传动系统如前所述，控制上通常是采用无编码器矢量来控制或者配有DTC控制、V/F控制，它们的调速范围一般在1∶10以上。石油钻机泥浆泵的起动加速时间设置为20 ～ 30秒之间，最大限度来满足使用要求。钻井系统由小型电网系统化的柴油发电机组成，其负荷可以达到很大，因为转速越大负载就越大，如果启动时间太短就会带来比较大的有功冲击。而减速时间通常就设置为30s以上。在泥浆泵工作当中可以用自由停车方式来表示停车指令后逆变器的IGBT来实现断开功能。泥浆泵的调速范围，如果是在单电机系统下，要选择1∶100范围之内，一般在40%额定转速以上进行工作，但泥浆泵的实际所需要的转速通常是比较低的。泥浆泵的泵冲和电机转速成正比的关系，PLC系统可以用电机转速来进行计算，直接计数来校准泵冲。泵压需要安装压力传感器由PLC 计算出来。另一方面如果电机和泥浆泵的特性不匹配时，我们需要考虑将电机额定转速和泥浆泵的转速一定保持一致，最后要让电机的工作处于恒转矩调速范围之内，从而可以保证系统的平稳有序运作。在具体调试过程中，要注意电机铭牌的额定转速，并以此为输入到变频器的电机额定转矩。

5 结语

石油钻井施工过程情况复杂多变，泥浆泵变频系统的配置和调试就需要特别仔细，考虑泥浆泵主电机快速停止和启动，过载能力强，适应环境恶劣等因素；如果配置不合适，钻井现场备件不足以及其他一些情况，就会给钻井施工带来各种不同的问题，影响工程进度。本文对泥浆泵的实际工作情况进行了分析，采用不同措施是可以达到良好的效果，对电机特性和泥浆泵的性能要求以及负载特点进行深刻分析，对泥浆泵工作的更加高效具有参考意义。