3NB-350型泥浆泵的节能改造

任虎奎

【摘 要】泥浆泵是石油钻机或矿用勘探钻机的主设备之一，负荷大、负载变动复杂、连续运行时间长。随着调速技术的发展，变频调速业已广泛应用于钻采设备。变频装置的电网侧功率因数很高，因而具有明显的节能效果。

【关键词】专用铣床;PLC;伺服驱动;控制精度

中图分类号：TD63+3 文献标识码： A文章编号： 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，陜西省煤田地质局一八五队（陕西省一八五煤田地质有限公司）20钻机（柴油机作为动力）所配用的一台柴驱3NB350型泥浆泵发生故障，无法工作。最终决定由我方对泵体进行维修和改造，直接改造为电驱动型泥浆泵，并进一步进行节能改造。

2017年6月，我方将柴驱泥浆泵成功改造升级为电驱泥浆泵，并配变频驱动控制柜。2017年7月-2018年6月，整个系统应用于185队长武县高家堡煤矿地面排水孔钻探工程，并取得了圆满效果。

1 3NB-350型往复式泥浆泵

矿用泥浆泵一般采用往复式活塞（柱塞）泵。往复泵能输送黏稠度高、含砂量高以及含有磨砺性固体颗粒的液态介质，其突出的优点是泵压和泵效高，且泵压和效率不随流量变化。

往复泵与其它类型的泵相比也有其自身的不足，也就是排量（流量）较小，瞬时流量和泵压呈脉动性，且易损件多。

1.1 3NB-350泥浆泵结构

3NB-350型泥浆泵为三缸单作用往复泵，适配于钻孔深度2600米以内的水井钻机和石油钻机。按照不同配置的吸入系统，该泵可分为高速、中速、低速三种型式，其配套动力随速度提高而增大。

图1所示为单缸单作用泵原理示意图。总体上看，往复式泥浆泵主要由动力段和液力端组成。动力端主要包括传动离合装置、变速装置和曲柄连杆，其功能是将动力机的回转运动转变为活塞的直线往复运动。液力端主要包括油泵头体、缸套、活塞、活塞杆吸入阀和排出阀等组成，其作用是通过活塞往复运动形成液缸容腔变化，实现吸入和排出介质。通常以十字头为分界线，靠近泵缸一端称为泵的液力端，靠近动力输入一端称为泵的动力端。

1.2 柴驱改电驱

1.2.1 柴驱泥浆泵的不足

柴油机驱动的泥浆泵没有电机，采用柴油机直接带动泥浆泵运转。由于柴油机运转的稳定性差，使得泥浆泵运行转速波动较大，冲次也随转速变化而变化，从而导致泵体震动严重、缸套和缸体磨损加剧，故障率很高。

另一方面，柴油机工作时，柴油很难充分燃烧，导致烟尘中含有大量的一氧化碳和硫化物，空气污染非常严重;而且柴油机的噪音很大，长期处在强噪音环境中，对人体会造成很大伤害。

而从经济方面考虑，柴油的一直价格较高，导致柴油机的运行成本居高不下。

1.2.2 电驱动泥浆泵

将柴油机驱动的泥浆泵改成电驱动泥浆泵，可以彻底解决柴驱泥浆泵所存在的不足。图2为电驱泥浆泵示意。

对于3NB-350型泥浆泵，选配8级、250KW三相交流异步变频电动机，通过皮带轮及减速机构减速，使得泥浆泵额定冲次达到62。电机的主要参数为额定电流520A、额定转速660r/min、额定频率33.5Hz、额定功率因数为0.83、额定效率为96%、额定转差率为0.019。

2 变频泥浆泵

由于钻井现场电源稳定性较差，且泥浆泵功率较大，启动较为困难。因此，决定采用变频器驱动控制。

2.1 采用变频器的好处

泥浆泵采用变频器驱动控制具有以下好处：

2.1.1 柔性启动

对于风机、泵类负载，采用变频启动时，其启动电流小于电机的额定电流（星三角启动电流是电机额定电流的5-7倍;软启动器的启动电流是电机额定电流的2.5-4倍），甚至远小于电机的额定电流，而且平滑稳定，最大限度抑制了启动过程的电流冲击和对泥浆泵缸体、缸套的震动冲击，大大降低了泥浆泵的故障率。

2.1.2 无级调速

钻井过程中，随着钻井深度加深，泥浆泵输出压力也随之加大，既能保障钻井需要，又可降低泵体磨损。也就是说，钻井初期，井深较浅，井压较小，泥浆泵的压力不需要太大即可满足需要。而采用变频器则可实时动态调节泵的转速（和输出压力），使泥浆泵处于最佳运行状态。

2.1.3 节能

变频泥浆泵的节能包括以下几个方面：

（1）启动过程节能

对于250KW泥浆泵来说，加速时间一般设为30秒，也就是说，启动过程可持续半分钟，在这个过程中，电机功耗不到星三角启动时功耗的20%，然而，同正常运行过程相比，启动过程是短暂的，真正的电量消耗也较少。一般地，工程上，启动过程的节能仅占总节能的5%不到。

（2）运行过程节能

变频器可将电机的功率因数提高到93%以上（一般电机的功率因数80-86%）。泥浆泵运行过程的负载是随着井下地质结构变化而变化的，当负载较小时，变频器输出的功率也随之减小，最大限度降低了无功消耗。

（3）调速节能

泥浆泵输出功率与其转速的立方成正比。因此，当泥浆泵转速降低时，其输出功率将大幅度降低。这是变频泥浆泵节能的主要环节。

2.2 泥浆泵调速与节能

2.2.1 泥浆泵调速范围

泥浆泵调速一般是指泥浆泵减速。然而，当转速降低时，泥浆泵按照工频状态设计的额定运行参数发生了变化，其负载特性曲线、泵压-流量曲线、管路特性曲线等均会产生变化，即偏离额定曲线，如果严重偏离，将会对泥浆泵的安全运行产生不利影响，也难以实现节能目的。

因此，对于变频泥浆泵来说，调速范围必须有所界定。根据实际验证得出的经验，变频泥浆泵的转速不应低于额定转速的50%，最好处于70%～100%范围。

在工程实践中，将变频器的下线频率设为35Hz，上限频率设为50Hz。

2.2.2 泥浆泵节能原理

根据泥浆泵工作原理，其阻转矩与转速的平方成正比。其转矩特点为：

由于泥浆泵空载功率与额定功率相比非常小，如果忽略（4）式中的空载功率，则泥浆泵负载功率与其转速的立方成正比。

在本工程应用中，泥浆泵变频器的平均输出频率为43Hz，即基本频率（50Hz）的86%，同样的，泥浆泵的平均转速为额定转速的86%。

3 泥浆泵变频改造后

2017年7月-2018年6月，3NB-350型改造升级后的变频泥浆泵系统在位于长武县高家堡煤矿的185队地面排水孔钻探工程上无故障运行一年（工程期限一年），效果非常理想，并取得很好的经济效益。与上一個同类工程应用（泥浆泵为柴油机驱动）相比，配件耗材节省40-50万元，用电量节省24.5%。

4 小结

将柴驱泥浆泵改为变频驱动，不仅大幅降低了设备故障率、显著节省了电耗、还减少误工率85%以上，为使用方带来非常好的经济效益。

【参考资料】

[1]泥浆泵传动系统研究与改造，杨玉洁、谭涛、吴琼、汪振坤、李小锋，《中国石油石化》2016年22期.