任虎奎

【摘 要】泥漿泵是石油鉆機(jī)或礦用勘探鉆機(jī)的主設(shè)備之一，負(fù)荷大、負(fù)載變動(dòng)復(fù)雜、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。隨著調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速業(yè)已廣泛應(yīng)用于鉆采設(shè)備。變頻裝置的電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)很高，因而具有明顯的節(jié)能效果。

【關(guān)鍵詞】專(zhuān)用銑床;PLC;伺服驅(qū)動(dòng);控制精度

中圖分類(lèi)號(hào)：TD63+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）04-0281-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.109

Energy Saving Reform of Type 3nb-350 Mud Pump

REN Hu-qi

（Xian Helk Intelligent Control Technology Co.， Ltd.， Xian Shaanxi 710054， China）

【Abstract】Mud pump is one of the main equipment of oil drilling rig or mining exploration rig. It has large load， complex load variation and long running time. With the development of speed regulation technology， frequency conversion speed regulation has been widely used in drilling and production equipment. The power factor of the grid side of the frequency conversion device is very high， so it has obvious energy-saving effect.

【Key words】PLC servo drive control accuracy of special milling machine

0 背景

2017年3月，陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊(duì)（陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司）20鉆機(jī)（柴油機(jī)作為動(dòng)力）所配用的一臺(tái)柴驅(qū)3NB350型泥漿泵發(fā)生故障，無(wú)法工作。最終決定由我方對(duì)泵體進(jìn)行維修和改造，直接改造為電驅(qū)動(dòng)型泥漿泵，并進(jìn)一步進(jìn)行節(jié)能改造。

2017年6月，我方將柴驅(qū)泥漿泵成功改造升級(jí)為電驅(qū)泥漿泵，并配變頻驅(qū)動(dòng)控制柜。2017年7月-2018年6月，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用于185隊(duì)長(zhǎng)武縣高家堡煤礦地面排水孔鉆探工程，并取得了圓滿效果。

1 3NB-350型往復(fù)式泥漿泵

礦用泥漿泵一般采用往復(fù)式活塞（柱塞）泵。往復(fù)泵能輸送黏稠度高、含砂量高以及含有磨礪性固體顆粒的液態(tài)介質(zhì)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是泵壓和泵效高，且泵壓和效率不隨流量變化。

往復(fù)泵與其它類(lèi)型的泵相比也有其自身的不足，也就是排量（流量）較小，瞬時(shí)流量和泵壓呈脈動(dòng)性，且易損件多。

1.1 3NB-350泥漿泵結(jié)構(gòu)

3NB-350型泥漿泵為三缸單作用往復(fù)泵，適配于鉆孔深度2600米以內(nèi)的水井鉆機(jī)和石油鉆機(jī)。按照不同配置的吸入系統(tǒng)，該泵可分為高速、中速、低速三種型式，其配套動(dòng)力隨速度提高而增大。

圖1所示為單缸單作用泵原理示意圖?？傮w上看，往復(fù)式泥漿泵主要由動(dòng)力段和液力端組成。動(dòng)力端主要包括傳動(dòng)離合裝置、變速裝置和曲柄連桿，其功能是將動(dòng)力機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊闹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)。液力端主要包括油泵頭體、缸套、活塞、活塞桿吸入閥和排出閥等組成，其作用是通過(guò)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成液缸容腔變化，實(shí)現(xiàn)吸入和排出介質(zhì)。通常以十字頭為分界線，靠近泵缸一端稱(chēng)為泵的液力端，靠近動(dòng)力輸入一端稱(chēng)為泵的動(dòng)力端。

1.2 柴驅(qū)改電驅(qū)

1.2.1 柴驅(qū)泥漿泵的不足

柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的泥漿泵沒(méi)有電機(jī)，采用柴油機(jī)直接帶動(dòng)泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)。由于柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性差，使得泥漿泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，沖次也隨轉(zhuǎn)速變化而變化，從而導(dǎo)致泵體震動(dòng)嚴(yán)重、缸套和缸體磨損加劇，故障率很高。

另一方面，柴油機(jī)工作時(shí)，柴油很難充分燃燒，導(dǎo)致煙塵中含有大量的一氧化碳和硫化物，空氣污染非常嚴(yán)重;而且柴油機(jī)的噪音很大，長(zhǎng)期處在強(qiáng)噪音環(huán)境中，對(duì)人體會(huì)造成很大傷害。

而從經(jīng)濟(jì)方面考慮，柴油的一直價(jià)格較高，導(dǎo)致柴油機(jī)的運(yùn)行成本居高不下。

1.2.2 電驅(qū)動(dòng)泥漿泵

將柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的泥漿泵改成電驅(qū)動(dòng)泥漿泵，可以徹底解決柴驅(qū)泥漿泵所存在的不足。圖2為電驅(qū)泥漿泵示意。

對(duì)于3NB-350型泥漿泵，選配8級(jí)、250KW三相交流異步變頻電動(dòng)機(jī)，通過(guò)皮帶輪及減速機(jī)構(gòu)減速，使得泥漿泵額定沖次達(dá)到62。電機(jī)的主要參數(shù)為額定電流520A、額定轉(zhuǎn)速660r/min、額定頻率33.5Hz、額定功率因數(shù)為0.83、額定效率為96%、額定轉(zhuǎn)差率為0.019。

2 變頻泥漿泵

由于鉆井現(xiàn)場(chǎng)電源穩(wěn)定性較差，且泥漿泵功率較大，啟動(dòng)較為困難。因此，決定采用變頻器驅(qū)動(dòng)控制。

2.1 采用變頻器的好處

泥漿泵采用變頻器驅(qū)動(dòng)控制具有以下好處：

2.1.1 柔性啟動(dòng)

對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載，采用變頻啟動(dòng)時(shí)，其啟動(dòng)電流小于電機(jī)的額定電流（星三角啟動(dòng)電流是電機(jī)額定電流的5-7倍;軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)電流是電機(jī)額定電流的2.5-4倍），甚至遠(yuǎn)小于電機(jī)的額定電流，而且平滑穩(wěn)定，最大限度抑制了啟動(dòng)過(guò)程的電流沖擊和對(duì)泥漿泵缸體、缸套的震動(dòng)沖擊，大大降低了泥漿泵的故障率。

2.1.2 無(wú)級(jí)調(diào)速

鉆井過(guò)程中，隨著鉆井深度加深，泥漿泵輸出壓力也隨之加大，既能保障鉆井需要，又可降低泵體磨損。也就是說(shuō)，鉆井初期，井深較淺，井壓較小，泥漿泵的壓力不需要太大即可滿足需要。而采用變頻器則可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速（和輸出壓力），使泥漿泵處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

2.1.3 節(jié)能

變頻泥漿泵的節(jié)能包括以下幾個(gè)方面：

（1）啟動(dòng)過(guò)程節(jié)能

對(duì)于250KW泥漿泵來(lái)說(shuō)，加速時(shí)間一般設(shè)為30秒，也就是說(shuō)，啟動(dòng)過(guò)程可持續(xù)半分鐘，在這個(gè)過(guò)程中，電機(jī)功耗不到星三角啟動(dòng)時(shí)功耗的20%，然而，同正常運(yùn)行過(guò)程相比，啟動(dòng)過(guò)程是短暫的，真正的電量消耗也較少。一般地，工程上，啟動(dòng)過(guò)程的節(jié)能僅占總節(jié)能的5%不到。

（2）運(yùn)行過(guò)程節(jié)能

變頻器可將電機(jī)的功率因數(shù)提高到93%以上（一般電機(jī)的功率因數(shù)80-86%）。泥漿泵運(yùn)行過(guò)程的負(fù)載是隨著井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化而變化的，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，變頻器輸出的功率也隨之減小，最大限度降低了無(wú)功消耗。

（3）調(diào)速節(jié)能

泥漿泵輸出功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此，當(dāng)泥漿泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其輸出功率將大幅度降低。這是變頻泥漿泵節(jié)能的主要環(huán)節(jié)。

2.2 泥漿泵調(diào)速與節(jié)能

2.2.1 泥漿泵調(diào)速范圍

泥漿泵調(diào)速一般是指泥漿泵減速。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，泥漿泵按照工頻狀態(tài)設(shè)計(jì)的額定運(yùn)行參數(shù)發(fā)生了變化，其負(fù)載特性曲線、泵壓-流量曲線、管路特性曲線等均會(huì)產(chǎn)生變化，即偏離額定曲線，如果嚴(yán)重偏離，將會(huì)對(duì)泥漿泵的安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，也難以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

因此，對(duì)于變頻泥漿泵來(lái)說(shuō)，調(diào)速范圍必須有所界定。根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證得出的經(jīng)驗(yàn)，變頻泥漿泵的轉(zhuǎn)速不應(yīng)低于額定轉(zhuǎn)速的50%，最好處于70%～100%范圍。

在工程實(shí)踐中，將變頻器的下線頻率設(shè)為35Hz，上限頻率設(shè)為50Hz。

2.2.2 泥漿泵節(jié)能原理

根據(jù)泥漿泵工作原理，其阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。其轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)為：

由于泥漿泵空載功率與額定功率相比非常小，如果忽略（4）式中的空載功率，則泥漿泵負(fù)載功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。

在本工程應(yīng)用中，泥漿泵變頻器的平均輸出頻率為43Hz，即基本頻率（50Hz）的86%，同樣的，泥漿泵的平均轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的86%。

3 泥漿泵變頻改造后

2017年7月-2018年6月，3NB-350型改造升級(jí)后的變頻泥漿泵系統(tǒng)在位于長(zhǎng)武縣高家堡煤礦的185隊(duì)地面排水孔鉆探工程上無(wú)故障運(yùn)行一年（工程期限一年），效果非常理想，并取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。與上一個(gè)同類(lèi)工程應(yīng)用（泥漿泵為柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)）相比，配件耗材節(jié)省40-50萬(wàn)元，用電量節(jié)省24.5%。

4 小結(jié)

將柴驅(qū)泥漿泵改為變頻驅(qū)動(dòng)，不僅大幅降低了設(shè)備故障率、顯著節(jié)省了電耗、還減少誤工率85%以上，為使用方帶來(lái)非常好的經(jīng)濟(jì)效益。

【參考資料】

[1]泥漿泵傳動(dòng)系統(tǒng)研究與改造，楊玉潔、譚濤、吳瓊、汪振坤、李小鋒，《中國(guó)石油石化》2016年22期.