臥式螺旋離心機采用變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)越性

張樹茂

（川慶國際工程公司物資采供辦，四川 成都 610051）

1 概述

臥式螺旋離心機是石油鉆井過程中不可或缺的固控設(shè)備，尤其是海外國際合作鉆井項目。隨著石油鉆井技術(shù)的進步和環(huán)保意識的提高，對石油鉆井固控系統(tǒng)提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

A油氣勘探開發(fā)業(yè)主希望使用更清潔的泥漿鉆井以保護油氣層，從而獲得更高的油氣產(chǎn)量。

B渦輪螺桿鉆井工藝的應(yīng)用對泥漿的清潔性提出了更高要求。

C廢棄泥漿的處理將越來越受到重視，而處理廢棄泥漿主要就是盡可能地分離其中的固相和液相。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 機械結(jié)構(gòu)

主電機上裝有皮帶輪帶動滾筒上的皮帶輪，驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒支承在2個主軸承上，滾筒內(nèi)裝有螺旋推進器，螺旋推進器通過軸承支承在與滾筒同心的軸上，可以相對滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒大端裝有差速器，它是一個行星齒輪減速機構(gòu)，差速器右端的輸入軸上裝有皮帶輪，通過輔機皮帶輪的傳動，為差速器提供一個輸入轉(zhuǎn)速。

離心機的滾筒總成裝在一個不銹鋼制箱體內(nèi)，箱體分為2個隔倉，左隔倉收集離心機排除的液相，右隔倉收集離心機排除的固相。

2.2 工作原理

2.2.1 離心機的分離原理

泥漿中固相和液相的分離過程是在滾筒中完成的。離心機的分離原理是利用滾筒的高速旋轉(zhuǎn)帶動進入滾筒中的泥漿高速旋轉(zhuǎn)，泥漿被甩到筒壁上形成一個液圈，液圈中的固相顆粒由于受到大于自身重力幾百倍甚至幾千倍的離心力的作用，就克服泥漿粘度的阻力快速沉降到滾筒的內(nèi)壁上，形成固相層，液體形成液相層。液圈中的固相顆粒所受的離心力與自身的重力的比值稱為離心機的分離因數(shù)，它是衡量離心機分離性能的重要參數(shù)。

2.2.2 離心機的推渣原理

離心機的推渣工作是由螺旋推進器完成的，在差速器的作用下，螺旋推進器與滾筒形成一定的轉(zhuǎn)速差，于是已沉降到滾筒內(nèi)壁上的固相顆粒就被從筒壁上刮下，被螺旋葉片逐步推向滾筒小端，并在推進過程中脫水，最后到達排砂噴嘴，被甩出滾筒。

2.2.3 差速器的工作原理

差速器實際上是一個二級行星齒輪減速機，它的外殼內(nèi)加工有內(nèi)齒，外殼隨滾筒旋轉(zhuǎn)，左端的皮帶輪帶動輸入軸上的1級太陽輪旋轉(zhuǎn)，1級太陽輪通過1級行星輪與外殼上的內(nèi)齒嚙合，這樣外殼的轉(zhuǎn)速與輸入齒輪軸的轉(zhuǎn)速合成為一級轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)速由2級太陽輪輸出到第2級，第2級的傳動原理與第1級相同，最后通過輸出軸帶動螺旋推進器旋轉(zhuǎn)。

2.2.4 差速器安全裝置的工作原理

為了在離心機過載時保護差速器不被損壞，在差速器的左端設(shè)有安全裝置，在齒輪軸上裝有安全銷，由皮帶輪傳來的動力通過牙嵌傳給離合器撥盤，再傳給凸輪，凸輪通過安全銷將動力傳給齒輪軸。當(dāng)扭矩超過安全銷的強度時，安全銷會被剪斷，從而使傳動脫開，起到安全保護作用。注：由于變頻器的過載保護比較可靠，在變頻型高速離心機上沒有裝限位開關(guān)。

3 變頻調(diào)速技術(shù)的提出

3.1 變頻技術(shù)的優(yōu)越性

近幾年變頻器作為一種工業(yè)控制設(shè)備在不斷更新發(fā)展，各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、變頻控制理論、微機控制技術(shù)的不斷成熟，變頻器的性能不斷完善、功能也不斷增強:如多段速、可編程自動運行、通訊功能等，這使用得變頻器能適應(yīng)多種應(yīng)用場合。根據(jù)離心機的生產(chǎn)工藝，可采用變頻器的多段速功能控制來實現(xiàn)，另外變頻器一般都帶有內(nèi)置制動單元或外部制動單元，這可解決離心機在停車時因慣性大造成停車困難的問題。

3.2 變頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)

有雙機變頻驅(qū)動、單機變頻驅(qū)動兩種驅(qū)動方式。

A采用雙機變頻，主、輔機分別有交流變頻器驅(qū)動，加上PLC后可隨時任意調(diào)整轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、螺旋推進器轉(zhuǎn)速、螺旋推進器與轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速差，這種機型可很好地適用于各種性能的泥漿和不同的泥漿處理要求。

B單機變頻驅(qū)動：主機用交流變頻器驅(qū)動，輔機直接用交流電驅(qū)動，主機轉(zhuǎn)速可任意調(diào)整，輔機轉(zhuǎn)速不可調(diào)，差速不可調(diào)。這種驅(qū)動方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，變頻器價格較低。

3.3 制動單元的應(yīng)用

離心機為大慣性負載，采用變頻器控制時都要求增加制動單元才能滿足要求，但三晶變頻器15KW及15KW以下的內(nèi)置制動單元，這樣不僅為用戶節(jié)省了安裝空間，同時更節(jié)省了成本。由電機的運行特性知道，當(dāng)電機的實際轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時，電機運行在發(fā)電機狀態(tài)，當(dāng)離心機開始停機時，變頻器的輸出頻率開始按減速時間下降，由于負載慣性離心機此時轉(zhuǎn)速變化不大，造成電機實際轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，電機處于發(fā)電制動狀態(tài)，由變頻器的主回路知道，此時電機側(cè)反饋回的能量將通過逆變回路的續(xù)流二極管D1-D6反饋到直流回路的濾波電容C1、C2上，這時變頻器的母線電壓Ud會升高 (即泵升電壓)，過高的泵升電壓將使變頻器出現(xiàn)過壓保護，甚至?xí)p壞變頻器，為此，必須加裝制動組件，當(dāng)制動單元控制回路檢測到直流母線電壓達到一定值時控制其開關(guān)管IGBT開通，制動電阻RB接到回路中，將電機的反饋的制動能量消耗在電阻上，以維持正常的母線電壓Ud。

3.4 調(diào)試注意問題

根據(jù)離心機負載特性，在調(diào)試時應(yīng)注意:

(1)離心機負載起動轉(zhuǎn)矩要求較高，可能出現(xiàn)起動困難的情況，這時可適當(dāng)提升變頻器的轉(zhuǎn)矩補償值，SAJ-8000-G系列F009設(shè)定參數(shù)為3，但起動轉(zhuǎn)矩補償不可太大，否則可能出現(xiàn)過流 (故障代碼為O.C.)、過載(故障代碼為O.L.)等報警，若在加速中出現(xiàn)過流報警應(yīng)適當(dāng)延長加速時間;

(2)離心機慣性大，若要變頻器按減速時間停車，必須加裝制動單元，其制動電阻的選擇變頻器說明手冊上都有，可根據(jù)操作手冊選擇，正常工作時制動電阻會因消耗能量而發(fā)熱，可適當(dāng)放大電阻的功率和制動動作時間。

(3)一般離心機安裝在操作現(xiàn)場，多臺變頻器集中置于控制室內(nèi)，如果現(xiàn)場與離心機距離超過變頻器的允許范圍應(yīng)采相應(yīng)的處理措施，如合理分布主回路線與控制線、加裝輸出電抗器或濾波器，以防變頻器輸出電壓的衰減，或考慮加大變頻器的容量。

結(jié)語

離心機采用變頻調(diào)速可以根據(jù)不同工藝要求進行調(diào)速，根據(jù)泥漿密度的不同可方便地選擇多段速運行，同時采用變頻控制實現(xiàn)電機的軟啟動，減少對電網(wǎng)的沖擊，變頻器具有過流、過載、過壓等豐富的保護功能，當(dāng)負載或電機出現(xiàn)異常時，變頻器因故障停機并快速封鎖輸出，這樣可及時保護電機。

[1]臥式螺旋離心機的性能及工作原理[Z].

[2]三晶SA-J8000系列變頻器[Z].