鉆井液高速離心機變頻調速閉環控制系統研制

 馮來田1　董懷榮2

(1·勝利石油管理局規劃計劃處,山東東營　257000;2·勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營　257017)

    

摘　要：為使鉆井液離心機的參數能夠根據鉆遇地層、井深和鉆井工藝的變化自動調節,研制出了基于離心機主電機電流為控制信號的變頻調速閉環控制系統。詳細闡述了基于離心機主電機電流為控制信號的變頻調速閉環控制系統的原理、控制流程以及控制過程設定。現場應用表明:鉆井液離心機配套變頻調速閉環控制系統,能夠根據鉆井工藝實際情況以及鉆遇不同地層使用鉆井液的黏度、密度和排渣量的變化,利用離心機主電機電流信號,自動調節供漿泵的排量和高速離心機的實際參數,實現鉆井液離心機閉環控制,保證排渣量和離心機的處理能力始終處于最大狀態;鉆井液離心機變頻調速閉環控制系統的參數能夠自動調節,并能實現自我保護,可有效避免離心機過載、堵塞等故障的發生,提高離心機的運行可靠性,減少因意外故障而造成的不必要的經濟損失。

    關鍵詞：鉆井液;離心機;閉環控制;變頻;變速裝置

    中圖分類號：TE926　　文獻標識碼：A　　文章編號：1001-0890(2010)04-0089-05

    1　概　述

    控制系統設計是鉆井液離心機設計的重要方面,直接決定了離心機的可靠性、可操作性,要使離心機的分離性能和過載保護功能達到最佳,除了在機械設計方面予以考慮外,還必須配備較為完善的控制系統。石油礦場用離心機的控制系統大多數采用了普通的控制形式,只有啟動、停機、急停等功能,為了使其啟動平穩,必須配備液力耦合器,而這限制了離心機的調速功能[1]。

    在現場應用過程中,由于鉆遇不同地層所使用鉆井液的性能不同,進入離心機鉆井液的密度、黏度、固相含量等參數是不斷變化的,這些參數的改變會使離心機的處理量和排渣量發生變化,也就是說離心機的負載是不斷變化的。如果供漿泵對離心機的供液量一直保持不變的話,當鉆井液的密度、黏度和固相含量等參數較高時,就會發生離心機過載、堵塞等故障,嚴重時必須返回廠家拆開進行清洗,從而直接影響鉆井生產[2]。因此,供漿泵對離心機的供液量應該根據鉆井液性能的變化而自動調節。另外,鉆井過程中也要求離心機的轉速應該能夠根據鉆遇地層、井深和鉆井工藝的變化而自動調節。

    因此,要提高離心機的性能,非常有必要研制一種操作簡單、性能可靠的變頻調速自動控制系統,既能實時控制供漿泵的供液量,也能控制離心機的轉速,從而提高離心機的可靠性和適應性,在鉆井液性能參數(密度、黏度、固相含量等)發生變化時,確保離心機能夠始終排渣并盡可能發揮其最大處理能力,實現恒排渣的功能。該控制系統還應具有很好的自控能力,在設備發生故障時,能自動停機并報警,具有遠距離監控能力,從而大大提高離心機的使用效率并降低風險,得到最佳的處理效果,避免離心機發生過載、堵塞等故障。

    2　控制原理

    離心機主電機電流的大小實際上也反映了離心機的處理量、所處理鉆井液的密度、黏度、固相含量等參數的高低。供漿泵供液量越大、鉆井液的密度、黏度和含砂量越高,主電機的負載越高,排渣越多,離心機主電機的工作電流越大。反之,離心機主電機的工作電流越小。另外,轉鼓轉速越高,分離因數越大,離心機的處理能力越強;分離中點越小,分離固相顆粒越多,單位時間內鉆井液密度降低越快。因此,可以根據離心機主電機變頻器的電流信號控制供漿泵的供液液量,實現離心機負載和性能的閉環反饋控制[3]。

    控制原理及控制流程為:實時采集的離心機主電機工作電流作為控制信號,輸入回路調節器CD701并與設定值相比較,根據離心機主電機電流變化和比較的結果直接控制供漿泵電機的變頻器,改變供漿泵電機的轉速,以改變供漿泵的供液量,從而控制離心機的負載使之形成一個閉式循環,確保離心機始終處于最佳工作狀態,從而實現恒排渣的功能。離心機主電機電流信號閉環控制流程見圖1。

    基于上述控制原理設計而成的鉆井液離心機變頻調速自動控制系統,能夠大大提高鉆井液高速離心機的性能,并具有良好的靈敏性、可操作性和可靠性。

    3　控制系統組成及主要功能

    離心機變頻調速閉環控制系統主要由控制對象、變頻器、CD701回路調節器及其PID調節器、溫控模塊及其他部件等5部分組成。

    1)控制對象　鉆井液離心機的主電機功率和離心式供漿泵。

    2)變頻器　變頻器共2臺:一臺控制離心機轉鼓轉速及轉鼓與輸送器之間轉速差,從而控制離心機的運轉性能,并輸出離心機主電機啟動電流信號和工作電流信號作為控制供漿泵變頻器的輸入控制信號,以便控制供漿泵的供液量;另一臺控制供漿泵電機轉速以調節其輸出流量,從而控制離心機的處理量和排渣量。另外,變頻器本身還有強大的控制、保護、報警和故障診斷等功能。

    3) CD701回路調節器及其PID調節器　CD701回路調節器的主要作用是回路調節以及控制信號的輸入、輸出、比較及控制,其中PID控制是依設定比例帶(P)、積分時間(I)、微分時間(D)等參數獲得穩定控制結果的控制方式。另外,它還有強大的報警、故障診斷和保護功能。

    4)溫控模塊　根據控制原理及電路圖,將全部電器元器件及兩臺變頻器安裝在一個密閉的防爆控制柜上,其防爆等級符合GB3836·1爆炸性氣體環境用電氣設備的要求。為解決防爆控制柜的散熱問題,專門設計了風機及溫控模塊。防爆控制柜內并聯安裝了兩臺風機,風機可以手動啟動也可以自動啟動。根據控制柜內溫度,兩臺風機可以單臺運行也可以同時運行。控制柜內有溫控儀,實時監測控制柜內的溫度。根據使用環境,設定最高和最低溫度,當溫控儀檢測的溫度高于設定最高溫度時風機自動啟動運行,當低于最低溫度時風機自動停機。當然,兩臺變頻器本身還有散熱功能。

    由于使用環境最低溫度對變頻器控制靈敏性有一定影響。一般要求使用最低溫度不能低于-20℃,不能高于+55℃。防爆控制柜內電器元器件及變頻器工作時要產生熱量,這些熱量都在密閉的防爆控制箱內,所以一般都能滿足最低溫度限制[4]。對于特殊寒冷地區,如果環境溫度特別低,可以啟動加熱模塊,該模塊采用PLC控制。當控制柜內工作溫度低于-20℃時,加熱板將自動啟動或手動啟動。控制柜內工作溫度高于0℃時,自動停止加熱。

    5)其他部件　除以上幾部分外,還有電流、電壓、溫度、指示燈等常規顯示表,緊急停機、復位、時間繼電器,熱繼電器等常規電器元器件以及箱體組成。為了適合石油礦場工作環境,還有減震系統(4個橡膠減震器組成)、警鈴(聲音報警)、警燈(光報警)。特別是故障報警采用警鈴(聲音報警)和警燈(光報警)聯合報警,便于遠距離觀察,適合于鉆井現場吵鬧工作環境,能夠及時提示技術人員處理緊急故障。

    4　控制工作過程及參數設定

    離心機變頻調速閉環控制工作過程主要包括啟動、正常工作、閉環控制、故障診斷與報警等。

    4·1　啟動過程

    要以主電機的電流為控制信號,必須解決主電機空載啟動電流峰值問題。在空載情況下,電機剛啟動時,會產生一個較大的電流峰值,該峰值不能作為控制信號來控制供漿泵的電機變頻器,否則離心機將無法啟動和正常工作。這樣,在控制回路上,必須跳過啟動電流,解決的措施是:將控制主電機的時間繼電器時間調整至45 s,可以避免主電機啟動電流過大,這樣在45 s啟動時間內,主電機達到正常工作轉速,此時CD701回路調節器不控制供漿泵的變頻器,不起反饋控制作用。正常啟動以后,才進入反饋控制階段。實際上就是跳過啟動瞬間的電流峰值,這樣就解決了啟動電流峰值可能產生假控制信號的問題。

    另外,如果離心機使用以后,沒有及時清洗,轉鼓和輸送器之間可堵塞或冬天結冰使轉鼓與輸送器粘連在一起了,導致啟動電流過大,甚至發生安全銷被剪斷事故。因此,要保證離心機正常工作,必須及時、正確維護保養,每次使用后必須及時清洗,冬天還要防止出現結冰情況,從而避免無法啟動和正常工作。如果在啟動之前,轉鼓和輸送器之間已經堵塞或結冰使轉鼓與輸送器粘連在一起了,此時啟動電流必然要大于正常啟動電流,有可能在45 s啟動時間之內,發生安全銷被剪斷的情況。因在45 s啟動時間內,沒有反饋控制,可能出現兩種情況:一種是堵塞,瞬間啟動電流過大;另一種是啟動之前安全銷已經斷裂。解決方案:第一種情況可以通過主電機變頻器設定正常情況下最大啟動電流I啟max(該電流值通過試驗獲得),在主電機變頻器內部自身控制電路解決,一旦主電機啟動電流達到設定I啟max時,主電機變頻器發出報警信號,外掛蜂鳴器不停鳴叫并且報警燈不停閃爍,提示操作人員清洗離心機并達到手動盤車靈活為止,同時主電機變頻器控制主電機繼續轉動,避免主電機被啟動起來,轉鼓仍然處于停止狀態;第二種情況可以通過主電機變頻器設定最小啟動電流I啟min,實際上就是無安全銷、無差速(轉鼓與螺旋輸送器同步同速度運轉)時,主電機啟動最大電流,可以預先通過試驗獲得,在主電機變頻器內部解決。一旦主電機啟動電流小于設定I啟min時,主電機變頻器發出報警信號,外掛蜂鳴器不停鳴叫并且報警燈不停閃爍,提示操作人員檢查、更換安全銷并達到手動盤車靈活為止,同時主電機變頻器控制主電機繼續轉動,從而避免主電機被啟動起來,導致轉鼓和輸送器之間發生堵塞。以上兩種情況都是在主電機45 s啟動時間內解決,實際上兩種情況都是避免在離心機有故障情況下主電機被啟動起來導致發生更為嚴重的故障。

    4·2　正常工作狀態

    利用主電機電流信號代替原來離心機差速器固定端扭矩信號,控制方法基本相同。首先,在CD701回路調節器控制面板上分別輸入最大安全停機電流Imax(過載報警停機信號,Imax要小于安全銷被剪斷時的主電機電流)、最大正常工作電流I1(閉環控制信號)、最低電流Imin(安全銷被剪斷后該電流作為故障報警信號)。CD701回路調節器同步實時采集主電機變頻器的電流輸出信號Ix。Imin可以通過試驗獲得,試驗方法是去掉差速器末端固定,拆下安全銷,記錄主電機變頻器顯示的Imin和I啟min。

    當采集的Ix小于I1設定值、大于Imin(安全銷被剪斷后電流)設定值(也就是說Imin
    4·3　工作過程中閉環控制狀態

    當實時采集的Ix大于I1設定值、小于Imax(過載報警停機信號)設定值(也就是說I1
    4·4　工作過程中安全銷剪斷停機報警狀態

    采用上述控制方案,一般不會發生離心機過載使安全銷剪斷,導致離心機堵塞故障的發生。但現場應用過程中,由于安全銷長期使用導致其抗剪性能下降而發生疲勞斷裂或使用過程中其他原因導致安全銷剪斷,就必須報警停機。當采集的Ix小于Imin設定值(也就是說Ix
    1)當采集的Ix小于Imin設定值(也就是說Ix
    2)當實時采集的Ix大于Imax設定值(也就是說Imax
     3)當供漿泵電機或離心機主電機變頻器出現故障時,外掛蜂鳴器報警,整機必須自動停機;

     4)離心機主電機發生非電氣故障時,能夠手動控制離心機主電機和供漿泵電機停機;

    5)供漿泵發生非電氣故障時,能夠手動控制離心機主電機和供漿泵電機停機;

    6)其他故障或人為需要停機時,能夠手動控制離心機主電機和供漿泵電機停機;

    7)特殊緊急情況,采用急停按鈕停機和復位。

    5　電流閉環控制與扭矩閉環控制對比反映離心機負載的參數比較多,有許多參數可以實時采集并作為反饋控制信號,其中螺旋輸送器的排渣扭矩實際上也反映了離心機負載情況以及離心機在某種鉆井液性能下的處理能力,因而實時采集的輸送器排渣扭矩也可以作為控制信號,實時控制供漿泵的供液量[5-6]。但采集扭矩控制信號需使用扭矩傳感器,因此在使用過程中易出現下列問題:

    1)扭矩傳感器安裝在差速器末端,差速器與轉鼓裝在一起,置于上底座上,離心機工作時產生的振動會影響傳感器的性能,由于傳感器抗震性能不好,容易導致數據失真,動態漂移大,長期使用性能不可靠;

    2)由于石油鉆井用離心機長期在野外工作,工作條件和環境比較惡劣,風沙、雨水對傳感器影響較大,也容易使傳感器壽命縮短;

    3)現場清洗設備時,操作人員經常用水沖洗離心機,容易使傳感器進水;

    4)現有傳感器均不具有防爆性能;

    5)從差速器末端獲得的扭矩信號,通過信號線傳送到控制系統,再反饋控制供漿泵變頻器,信號傳遞路線較長,系統靈敏性差,響應時間過長,在緊急情況下反映較慢;

    6)由于井隊現場供電不穩定,也容易使傳感器發出的信號失真,因為扭矩傳感器需要0~12 V的直流電源供電;

    7)傳感器價格昂貴,易損壞,維護成本較高;

    8)傳感器使用一段時間以后,就必須進行重新標定,但在現場無法標定。

    采用控制離心機主電機的變頻器輸出的電流信號作為反饋控制信號,離心機主電機變頻器輸出電流信號的采集不需要使用專門的電流測量儀器而是在防爆控制柜內從控制主電機變頻器上直接獲取,不需要在離心機上安裝儀器采集相關參數,不再使用扭矩傳感器,克服了使用扭矩傳感器的缺點。采用主電機電流信號控制方式的優點有:

    1)直接從變頻器獲取主電機電流信號,數據采集與信號控制非常準確、可靠;

    2)結構非常簡單;

    3)在防爆控制柜內部變頻器上獲取主電機電流信號,克服了扭矩傳感器不具有防爆功能的缺點,系統更加安全;

    4)采用主電機變頻器直接控制供漿泵變頻器,流程簡單而且響應非常快速;

    5)使用維護成本低;

    6)離心機整機設計簡單,尺寸可以減小,制造成本低。

    6　現場應用截至目前,勝利油田為6臺高速離心機配套了變頻調速閉環控制系統,并利用這6臺配套變頻調速閉環控制系統的離心機在勝利油田和川東北地區完成了21口井的施工任務。配套變頻調速控制系統的離心機在施工過程中運轉情況良好,沒有出現故障。特別是配套自動變頻調速閉環控制系統后,控制更靈活,操作更方便,能夠根據鉆井液性能的變化,自動調節主電機轉速、離心機處理量,能夠適應現場鉆井施工工藝要求,為進一步提高鉆井液固相控制水平,安全、高效鉆井奠定了基礎。

    7　結束語

    以離心機主電機電流為控制信號設計而成的變頻調速閉環控制系統,使離心機在供漿量和鉆井液性能參數(密度、黏度、固相含量等)發生變化時,其處理量也隨之變化確保其始終處于最佳工作狀態,實現了離心機恒排渣的功能。離心機主電機電流信號采自于離心機變頻防爆控制柜內控制主電機的變頻器,克服了使用扭矩傳感器本身的缺點。鉆井液高速離心機采用變頻調速閉環控制技術,進一步擴大了鉆井液離心機的使用范圍,具有一機多用功能,拓寬了應用領域,具有很好的適應性。采用變頻調速閉環控制系統后,能夠自動/手動調節離心機轉速,使離心機既可以作為中速離心機使用(離心機轉速1 000~2 000 r/min),也可以作為高速離心機使用(離心機轉速2 000~3 000 r/min),能根據鉆井工藝要求,有效控制鉆井液固相含量,提高鉆井液固相控制水平。

    變頻調速閉環控制系統具有鮮明的特色,動態響應快,可靠性高,故障診斷與報警能力強,進一步提高了鉆井液高速離心機的性能,特別是離心機的參數自動調節和自我保護功能的實現,可有效避免離心機過載、堵塞等故障的發生,提高離心機運行的可靠性,減少了因意外故障而造成的不必要的經濟損失。該控制系統操作簡單、現場使用非常方便,控制可靠、靈敏,維護保養費用低。該控制系統的研制成功對于其他類型離心機或其他機械設備控制系統設計,具有較高的參考價值。

參　考　文　獻

[1]　張陽春,楊志康,郭東.國內外石油鉆采設備技術水平分析[M].北京:石油工業出版社,2001:42-52.

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[3]　董懷榮.鉆井液高速離心機分離理論研究及應用[R].山東東營:勝利油田博士后研究工作報告,2007:161-177.

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[5]　董懷榮,王新梅,蔡文軍,等.LW400×1200型變頻控制高速離心機的研制[J].石油礦場機械,2006,35(1):45-47.

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