基于变频技术的钻井振动筛控制系统的应用.pdf

一 4 2 一 ● 技术交流 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 3 年 第1 6 卷 基于变频技术的钻井振动筛控制系统的应用 孟庆海 ，任 占峰，杨培文 北京市变频技术工程技术研究中心，北京 1 0 0 1 4 4 [ 摘要]石油钻井作业中振动筛在停机时抖动剧烈，冲击力严重损坏振动机构，设备故障率高，现场维护工作量大。为此 设计了一种经济实用、操作简单和稳定性好的振动筛控制系统，通过s V P w M 矢量控制技术改变输入到电机中电压的高低和相 序控制振动筛的_T - 作电机，实现了控制振动筛电机的正反转运行和对振动筛的速度进行调节的目的。 [ 关键词]石油钻井；振动筛；变频技术；泥浆；制动停车；振动筛效率；热管散热 石油钻井作业中使用 的振动筛是一种处理泥 浆 固相含量 的 固控 设备 ， ，主要用于清 除钻井 液 中的岩屑和其它 固相颗粒，要求尽可能多地清 除钻进过程中钻井液 中的固相颗粒 ，且处理量要 大 ，最大限度地 回收成本较高的钻井液 。由于振 动筛一般在超共振点工作 ，当通过共振点时会产 生共振现象 ，给 固定设施造成较大 的动负荷和相 关连接部件 的巨大磨损 】 。尤其是振动筛在停机 过程 中出现的剧烈抖动 ，且该抖动现象会持续一 段时间，其振动能释放 的冲击力严重损坏振动机 构，造成设备故障率上升 ，极大地缩短 了振动筛 的使用寿命，增加 了企业的成本。 为此设计 了一种基于变频器 的控制系统 。通 过设置三段速调节，使振动筛的泥浆 处理速度与 泥浆返 出量相匹配，提高 了振动筛处理效率和泥 浆分离效果 。该系统在振动筛启动 时通过设置调 频 点跳过振动筛的固有频率来躲过振动筛 的共振 区；停机时通过变频器输 出制动停车命令使振动 筛越过共振点并快速停下来 ，以电能的形式消耗 停车 时产生的振动 能 。该系统系在华油一机 河 北 钻井装备有限公司的 2 5 0 系列平动椭圆振动 筛基础上进行的设计。 1 振动筛控制系统介绍 停 l 奎藏 蹙 嚣 图1 振动筛控制系统总体机构框图 2 5 0 平动椭 圆振动筛 的振 动系统 由两 台2 ． 2 k W 1 ． 8 6 k W的振动电机作为动力源，筛体工作 时两台电机转速相同但方向相反 。 振动筛 的控制 器和三相交流变频器镶嵌在一 个密 闭的金属 防爆外壳 内。该外壳采用铝合金板 封装并配以防爆型热管散热器和散热风扇 】 ，既能 满足防爆要求又能达到散热的效果 。系统工作时 通过控制器来控制振动筛 电机 的正反转运行和实 现对振动筛的速度调节。 由于钻井工艺的特 殊要求 ，振动筛的 电机需 要同时反方 向运行 。实际应用中为了防止跑浆现 象和振动筛发生空转 ，设置了三段速调节 ，可 以 人为地根据泥浆返 出量 的多少来调节振动筛的转 速 ，从而提高振动筛的利用率。 2 传统振动筛问题分析 由于振动筛要超共振点工作，在 启动过程 中 会产生共振现象 。但 随着振动 电机的转速加大 ， 振动筛的振动频率也在相应地加大 。由于加速 时 间短 ，在 启动过 程 中振动筛 的共 振现 象并 不 明 显，变频器调频点的设置效果也不太明显。 传统的 电气控制 中，停机后 由于机械惯性 原 因，振动筛不会立 即停止而是逐渐减速『 3 】 ，当转 速到达共 振频率时振动筛剧烈抖动并持续一段 时 间。其振动能释放 出的冲击 力严重损坏振动机构 和振动筛本体 ，造成设备故 障率上升 ，极大缩短 了振动筛 的使用寿命，增加 了企业 的生产成本 。 此外 ，由于振动 电机是工频 电压直接启动 ，其启 动 电流较大 ，对 电气设备有一定损害[ 4 1 。在 实践 中，一个钻井平 台有多 台振动筛 同时工作 ，启停 过程中产生的大电流会对 电网造成一定冲击。 作者简介孟庆海 1 9 7 1 一，男，河北秦皇岛人，研究员，主 要研究方向为电气安全及变频技术。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 1 期 孟庆海等 基于变频技术的钻井振动筛控制系统的应用 一 4 3． 传 统的振动筛 处理泥浆 的速度 是固定的，而 实 际应用 中泥浆返 出量是变化的。振动筛的处理 速度不能 因泥浆返 出量的变化进 行调节 ，将 导致 跑浆现象和振动筛空转 ，振动筛的处理效率未 达 到最佳，造成 了能源的浪费。 3振 动筛控 制系统的控 制过程 本设计 以变频 器技术 为核 心，为保证启动时 有足够 的转矩 ，变频器采用转矩提升方式和加 大 启动频率 的方式进行设置 。降低 启动的中间频 率 和增加 中间电压 ，把V／ F曲线设置成高启动转矩 曲 线。 变频器采用外接I ／ O端子 的方式进行控制，电 气 控制 原理 图如 图2 。当按 下停止按钮 时，控制 器 发出一个 高电平信 号送入变频器 的微处理器 。 CP U收到信 号后根据 设定 的制动起始频率和停车 时间发 出相应 的命令，控制逆变元件I GB T的导通 关 断顺序 ，改变逆变器输 出的交流 电压相序 。当 反相序 的电压加到 电机定子绕组 时，产生的 电磁 转矩将变成制动转矩并迫使 电机在设定的时间 内 广 f 三 相魑 j 赣 詈 I 靖 予 Li L己L0 迅速停下来。 停车制动起始频率和停车制动时问等参 数的 设置 以现场调试 的最佳效果为准。变频器 的输入 端R、S 、T 接入三相3 8 0 V工业 电压 ，输出端采取 反相序接法接到振动筛的两个振 动电机上 ，保证 两电机 以相 同的转速做反 向转动。 为 实现 根据 泥浆 泵入 量 的 多少来 调 节振 动 筛 的处理速度 ，避免跑浆现象和振动筛空转 ，频 率 的主设方式采用模拟量电压外部给定 的方式设 定 ，不 同的模拟 量 电压对 应相应 的频 率 ，从 而 达 到控 制 电机转速 的 目的。速度 调节 旋钮 分 为 三档，分别对应 1 5 0 0 r ／ mi n 、1 4 0 0 r ／ mi n 和 1 3 0 0 r ／ m i n。 启停控制采用外接I ／ O端子的方式，C P U通过 检查对应端子高低 电平 的变化发 出相应 的控制命 令 ，控制逆变单元 的开通关断从而达 到控制 电机 启停 的 目的。通常情况下正转为默认启动方式 ， 仅在个别情况下才用反转启动。 BF Q 毫 出 j Il 一 捷甚 革 R U U l ∞u i S V V 田V l ， 丁 1 w I _ J w l七 由 ．- 韭 ， I i ． 鞯靖 乎 S s l壬 转 ／ 捧 l最 V8田V ， 蠕 珥 1 4 2 4 V l己 4 、， V l l 已 S0 S 2 瞢 K 3 p S0 S 3 套庵 e口 C口M C廿H ●● 辟 盥 旺 置蔗 - 。 - 1 0 V 1 0 V - t O Y 棼蔫 辊 Rt l 黜 岛 A 1 十 2 4 V f；_已 I j } A l三 甓 蕾 遗 O V 6N 1 1 MT 1 6ND 图2 振动筛控制系统电气控制图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 一 ■ 技术交流 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 3 年第 1 6 卷 当温度检测单元检测到I G BT 温度过高时，向 变频器C P U发出高温信号 。C P U收到后发 出相应 的命令输出2 4 V直流 电压驱动风扇转动进行散热 ； 温度 降到报警 点以下后 ，输出O V电压 ，风扇停止 转动 。风扇转动时加快 了防爆腔 内空气 的流动 ， 使热量 能够快速地通过热管散热器释放 到外界环 境中 ，确保 防爆腔 内温度在 电子器件正常工作下 可承受范围内。 4运行效果 现场调试过程 中发现振动筛 的共振频率出现 在 电源频率2 0 Hz 左右，当设置调频点跳过2 0 Hz 时 共振现象有所减缓 。停车时设置停车起始制动频 率2 5 H z ，制动时间0 ． 5 s 时，振动筛不再 出现以前的 剧烈抖动现象 。停机时的振动能几乎全部被 电能 平衡 ，消除了共振现象 ，极大地减少 了日常维护 量 。经过反复验证，设备参数基本满足所有 2 5 0 系列平动椭圆振动筛。 由于变频器具有软启动 的效果 ，可 以消除 电 机启动过程中 电流较大 的现象 ，避免了对 电网的 冲击 。该套装置体积和原来的控制箱体积接近 ， 便于 安装 ，操作简单，连续工作时稳定可靠 ，运 行效果显著 ，得到了现场工程师和操作工人 的认 可 。 5结论 本控 制系 统 结合现 场 工艺 需求 ，采用 注 入 反 向电流 的方式进行 电机制动，以电能的形式平 衡振动筛停机时产生的振动能 ，消除了振动筛停 机过程 中对设备的巨大冲击 。同时，操作工人还 可根据泥浆泵入量的多少来调节振 动筛 的处理速 度 ，避免 了跑浆现象和振动筛空转，提高 了振动 筛的工作效率，降低了电能消耗。 ◆参考文献 ⋯ 马振国． 变频调速技术在钻井振动筛控制中的应用[ J 】 ． 石油 矿场机械 ，2 0 0 6 ，3 5 3 9 0 ． 9 2 ． [ 2 ] 张少鹏 ，唐芙蓉． 振动筛的消振分析[ J 】 ．选煤技术，2 0 0 6 ， 6 1 2 2 2 - 2 3 ． [ 3 】 崔庆玉，韩成春，孔磊． 一种消除振动筛停机冲击装置的 研发[ J 】 ．矿山机械，2 o 1 2 ，4 O 6 8 7 8 9 ． [ 4 ] 牟长青，王涛，侯召坡． 振动筛问题及解决方法[ J ] ． 石油机 械，2 0 0 9 ，3 7 4 6 7 6 9 ． ．[ 5 】 龚伟安． 钻井液固相控制技术与设备【 M】 E 京石油工业 出版社 ，1 9 9 5 ． [ 6 】 刘辉，倪文婧，王晓静． 防爆变频器功率元件的散热设计 【 J ] ． 煤炭技术，2 0 0 7 ，2 6 2 3 1 3 2 ． 橡塑技术与装备 创刊于 1 9 7 5 年 ，是国内外 公开发行 的刊物 ，也是 国内唯一 以橡 塑工 艺技术 、加工机械 、新材料 、 新产品及节能环保为重 点内容 的专业技术 期刊。该刊曾在 中国石油和化学工业联合会组办的 “ 第六 、七届全 国石油和化 工 行业期刊评选活动”中分获优秀期刊二等奖。 期刊内容以普及和提高橡塑工艺技术与装备的专业技术知识、交流技术经验、传递科学新信息、推广应用科技新成 果，开展橡塑机械理论的探讨与研究，促进橡塑工业的技术进步，提高橡塑工艺和装备人员的技术水平和提高橡塑企业的 管理水平为宗旨。 橡塑技术与装备期 q 2 0 1 4 年起变更为半月刊，每月上半月为橡胶版，下半月为塑料版。国内刊号C NI 1 - 4 5 3 4 ／ T Q I S S N1 0 0 9 7 9 7 X，邮发代号2 - 7 8 0 ，国外发行代号 M1 6 5 3 。每期定价1 5 元，每月两 期订价3 0 元 ，全年定价3 6 0 元。在本刊 编辑部可单独订阅橡胶版或塑料版。也可通过全国各地邮局订阅。竭诚欢迎阅者来电来函索取订单。 地址北京市海淀 区半壁店5 9 号5 3 5 8 室 邮编1 0 0 1 4 3 订刊联系人樊文茹 广告联系人 李王 仓 王 仓 电话 0 1 0 ． 5 9 8 9 3 8 2 9 传真 0 1 0 ． 5 9 8 9 3 8 1 9 H T T P ／ ／ w ww ． c r p d c ． c o rn E ma i l c h i n a r p 1 6 3 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m