系列直驱泥浆泵电机及控制系统研制

姬明刚，张 洪，李宏毅，何步元，罗 辉，何建春

(1．西安宝美电气工业有限公司 陕西 西安 710065； 2. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司 四川 成都 610056；3．中国石油集团川庆钻探工程有限公司川东钻探公司 重庆 401147；4．中国石油集团长城钻探工程有限公司 辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

泥浆泵为石油钻机三大系统中循环系统的核心设备[1]，主要作用是循环钻井液、冲洗井底、冷却钻头，并把岩屑携带到地面[2]。随着钻井技术的发展，对泥浆泵提出了新的要求。由于井深越来越深，要求泵压越来越高，但泵的重量和体积不能过大，同时要求传动方式简单可靠、备品备件标准化程度高、安装维护方便[3]。直驱泥浆泵无皮带和链条传动环节，可满足以上对设备体积、可靠性等方面的要求。

目前国内其他厂家制造的直驱泥浆泵采用单台电机驱动方案，电机悬挂在泥浆泵输入轴上[4]，下方设置辅助支撑。因泥浆泵运行时存在内应力，无法保证连接可靠性，易造成电机或者泥浆泵轴承等损坏。泥浆泵泵组重心偏，电机拆装不方便。此外，系列泥浆泵所需的电机规格多，标准化程度低。为此，本文研制了一种新型的系列直驱泥浆泵和控制系统，以满足现场实际需要。

1 技术方案

1.1 结构特点

采用低速大扭矩电机直接驱动泥浆泵，交流变频电机的固定采用悬挂结构型式，如图1所示。电机转子为空心轴结构，专用联轴器可以安装在空心轴里面，把泥浆泵的齿轮轴和电机输入轴联接起来。这样就节省了空间，减小了泥浆泵的宽度，方便后期运输。

1.泥浆泵本体 2.固定法兰盘 3.万向联轴器 4.直驱电机 5.连接板图1 直驱泥浆泵的三维爆炸图

所有型号泥浆泵选用 600 kW和850 kW两种电机，共涵盖F-800/1000/1300/1600(HL)/ 2200HL全系列泥浆泵。其中F-800/1000泥浆泵采用1台电机单侧安F-1300/1600(HL)、F-2200HL采用2台电机双侧安装。采用专用变频控制系统对直驱泵电机进行控制，实现了泥浆泵直驱电机的数字化通讯和泥浆泵泵冲无级调节，同时也具备了多泵组并机“软泵”控制功能和保护功能。

1.2 工作原理

泵组的动力源来自于机组的柴油发电机组[5]，也可以来自电网，电流经过转换后提供给直驱电机，电机驱动泥浆泵工作。电机的额定转速与泥浆泵的额定转速一致，从电机的机械特性曲线可以看出，电机的恒转矩段的调速范围比较宽，完全可以匹配泥浆泵的各个工作泵冲。通过交流变频控制单元调节电机的频率，就可以实现电机转速的调节，从而达到钻机工作所需的泵冲，交流变频电机的机械特性与泥浆泵的转速关系如图2所示。

图2 交流变频电机的机械特性与泥浆泵的转速关系图

2 技术参数

为了减少直驱泵的备件种类，通过计算和归纳，可以使用两种规格的电机覆盖所有泥浆泵的规格，见表1。

表1 各类泥浆泵直驱电机配置

3 主要部件研制

在研制直驱泥浆泵组的过程中，我们只需要研制适合泵组使用的交流变频电机以及传动装置，并研制匹配的控制系统。F系列泥浆泵体具有低冲次、高压力、大排量的优点，广泛应用于中、深以及超深井钻机。

3.1 泥浆泵组传动装置

电机定子外壳通过连接法兰固定在泥浆泵壳体上[6]，转子采用空心轴结构，通过万向联轴器与泥浆泵输入轴相连。电机由连接法兰直接悬臂固定到泥浆泵壳体上，电机和法兰通过止口定位，保证电机和泥浆泵输入轴同轴度满足要求。电机转子通过带法兰的万向联轴器将动力传输到泥浆泵输入轴，为了适应井队野外的安装条件，降低安装的难度和精度，选用的万向联轴器可以进行角度和位移补偿，具有缓冲和减振作用，避免转子和输入轴同轴度问题造成设备损坏。

3.2 直驱电机

该类电机为鼠笼型三相异步电动机[7]，由定子、空心转子等构成，外部设有检修开关，并安装风压检测、加热器等。该类电机主体上方安置两台风机，采用强迫风冷冷却方式，能提供满足电机运行所需的冷却风量。电机定子铁心由高导磁率、低损耗的冷轧硅钢片制成，绝缘采用200 ℃类绝缘，机座为圆形焊接钢结构；定子绕组安装防潮加热带(220 V，200 W)，且每项安装1个温度传感器。转子为鼠笼式，强度高，能承受较高转速；转子铁心上设有通风孔，使转子能有效地冷却。转子转轴采用优质合金钢加工而成。电机前、后轴承上各装1个温度传感器。在前、后轴承外盖处均设一个注油嘴，且下方有排油盖板。

电机可以平滑无级调速，调速范围宽，启动转矩大，超载能力强，温度传感器通过电缆和控制系统相连，可以实时监控电机运行温度，避免因温度过高而损坏电机。

3.3 控制系统

操作系统通过面板和操作屏实现人机交互[8]。触摸屏可以将操作过程以彩色流程画面显示出来，并可以实时显示设备运行参数的趋势图、报警画面等。

每台直驱泵组由1套电控传动单元进行驱动控制，可单独成系统，也可与钻机控制系统集成。系统将直驱泵运行参数进行实时采集，在PLC模块中进行比较判断，并根据程序进行2台直驱电机同步调速、精确控制，可以实现泥浆泵泵冲的无级调节，并具备泵压保护和电网系统功率自适应功能，以及多泵组并机“软泵”控制技术。同时，控制系统具备直驱泵信息服务管理系统接口，易扩展实现直驱泵管理向数字化、网络化、智能化方向转变。

4 试验和现场应用

4.1 厂内试验

直驱电机试验，电机在厂内进行了对地工频耐压、绕组匝间耐压、绝缘电阻测定、冷态直流电阻测定、空载特性、噪声、振动和基准热定额试验等。

基准热定额试验采用专用试验工装，模拟电机在泥浆泵上的连接，采用电机对拖的方式对泥浆泵电机进行满功率热负荷试验，经试验符合设计要求。

直驱泵专用控制系统进行了测试系统回路、PLC通讯以及变频器功能测试的厂内试验，试验结果符合设计要求和相关标准。

对生产的6种类型泥浆泵组及控制系统分别进行联调试验，测试系统运行情况，单台泵组进行8 h不同泵冲、泵压的运行试验。

试验证明：直驱泥浆泵电机及控制系统性能达到设计要求，实现泥浆泵的精准控制，泵组运行过程中振动、噪音等参数符合相关标准要求。

4.2 现场应用及工业性试验

1)WF-2000HL直驱泥浆泵 在川西钻探某队进行了试验，最大泵冲100冲，最大泵压33 MPa，最大连续运行时间330 h，试验过程中经过了大排量高泵压等工况验证，样机运行平稳，工作状态良好，各项性能指标均达到了设计要求。

2)F-1000/1300、F-1600(HL)、F-2200HL直驱泥浆泵 以上机型也分别在各个井队进行了试验，钻井作业中均经过了大排量、高泵压等工况验证，运行平稳，工作状态良好。

4.3 试验能耗对比

川庆钻探某队，对直驱泵和常规泵能耗进行对比，缸套尺寸170 mm、泵冲60 spm、泵压14 MPa，通过变频器检测直驱泵和常规泵电机功率。

直驱泵电机能耗289.84 kW·h，常规泵电机能耗299.26 kW·h，直驱泵比常规泵输出功率低3.1%。

4.4 试验噪音对比

由于直驱电机进行了降噪处理，所以现场实际测量川庆钻探某队直驱泥浆泵和川西钻探某队常规泥浆泵噪音，直驱泥浆泵比常规泥浆泵噪音降低5～8dB(A)。

4.5 动态响应速度

直驱泥浆泵由于采用了电机直接驱动泥浆泵，减少了传递环节，所以动态响应速度快，并且在速度改变后可快速达到平稳。

5 结 论

直驱泥浆泵取消了皮带/链条等易损件消耗，现场试验结果对比表明，直驱泵比常规泵输出功率低3.1%。同时由于传动环节减少，使得泥浆泵的动态响应速度快，可靠性得到了提高。

F-2200HL泥浆泵以下规格不拆装电机部件可以一车运输，节约现场拆装工作量，减少设备运输车次，减少吊车占用时间，节约搬迁成本。并且设备体积变小，减少了占地面积。

直驱泥浆泵电机标准化程度高，系列泥浆泵配2种规格电机，备件储备可以共享。

直驱电机进行了降噪处理，现场试验表明，噪音减小5～8 dB(A)，具有良好的环保效益。