一種液壓驅(qū)動調(diào)速的鉆井液離心機(jī)

馬洪鐘 徐遵宏

（渤海鉆探工程有限公司設(shè)備處 天津）

離心機(jī)是石油鉆井行業(yè)中的一種重要固控設(shè)備，其作用是用于去除鉆井液中直徑在2～7 μm的有害固相，主要為細(xì)小巖屑。目前，國產(chǎn)離心機(jī)大多數(shù)都屬于固定轉(zhuǎn)速離心機(jī)，采用電動機(jī)直接驅(qū)動，隨著國內(nèi)鉆井技術(shù)的不斷完善，設(shè)計井深越來越深，這就要求離心機(jī)的處理量更大，轉(zhuǎn)速更高，并具有良好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能。因此目前國內(nèi)鉆井隊所使用的較先進(jìn)離心機(jī)都是從國外進(jìn)口。

未解決現(xiàn)存問題，渤海鉆探工程有限公司與華油一機(jī)（河北）鉆井裝備有限公司聯(lián)合研發(fā)了LW355×1280Y-N離心機(jī)。該離心機(jī)采用液壓驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)，處理量可以達(dá)到40 m3/h，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3900 r/min，在最佳轉(zhuǎn)速2900 r/min的時候分離因數(shù)為1672，達(dá)到甚至高于國外某些先進(jìn)高速離心機(jī)的分離因數(shù)，能夠使排出的固相更加干燥，有效地減少鉆井液的浪費。液壓系統(tǒng)的耐候性好、性能可靠，因此，液壓驅(qū)動離心機(jī)在低溫環(huán)境和赤道附近的高溫環(huán)境下均能夠可靠的工作，離心機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

一、離心機(jī)主要特點

穩(wěn)定的液壓驅(qū)動及調(diào)速系統(tǒng)。液壓驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)是本離心機(jī)的最大特點，液壓系統(tǒng)可將動力傳送遠(yuǎn)處而不使用機(jī)械傳動鏈，這一特點可使動力傳輸組件的位置在設(shè)計上有很大的靈活性。液壓系統(tǒng)由電動機(jī)、液壓變量泵、液壓馬達(dá)、油箱、冷油器、濾油器以及相應(yīng)的管路等組成。

圖1 離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（1）工作原理（圖2）。電機(jī)帶動液壓泵，液壓泵的進(jìn)口與油箱相連，出口與液壓馬達(dá)的進(jìn)口相連給液壓馬達(dá)提供能量，液壓馬達(dá)上安裝大皮帶輪，通過皮帶傳動將動力傳遞到小皮帶輪，小皮帶輪帶動離心機(jī)滾筒的轉(zhuǎn)動。

圖2 液壓系統(tǒng)工作流程

（2）調(diào)速原理。通過一個旋轉(zhuǎn)式調(diào)速手輪調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓變量泵伺服油缸的油量，進(jìn)而改變伺服油缸的壓力來控制變量泵的排量，泵排量的大小決定了液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的高低，這樣就可以依靠一個簡單的操縱機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，從而實現(xiàn)滾筒的無級平滑調(diào)速。相比于目前離心機(jī)常用的電力變頻器調(diào)速，液壓調(diào)速具有優(yōu)點：①液壓驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，操作人員無需過多的專業(yè)知識，而變頻器操作復(fù)雜且需要對操作人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)；②受環(huán)境因素影響較小，而變頻器屬于精密儀器，受高溫、污染等惡劣環(huán)境因素影響較大；③液壓調(diào)速裝置價格低廉，變頻器價格昂貴。

液壓驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件均采用伊頓流體公司的產(chǎn)品，組成一個自潤滑的、閉環(huán)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、不漏油的優(yōu)點。該傳動系統(tǒng)可提供從零到最大轉(zhuǎn)速之間的可變量輸出轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，這就使操作人員能準(zhǔn)確按照離心機(jī)的載荷情況去控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，達(dá)到性能優(yōu)化。

二、滾筒結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越

離心機(jī)滾筒長度2190 mm，具有較大的長徑比，根據(jù)臥螺離心機(jī)的理論計算及進(jìn)口離心機(jī)的使用情況來看，提高長徑比L/D到3.6，能有效提高離心機(jī)的處理量和鉆屑的干燥程度。滾筒主要由外滾筒、內(nèi)滾筒和螺旋輸送器、可單電機(jī)驅(qū)動的差速器，以及靈敏可靠的力矩式扭矩保護(hù)器幾部分組成。區(qū)別于大多數(shù)雙電機(jī)驅(qū)動離心機(jī)，該離心機(jī)實現(xiàn)了單電機(jī)驅(qū)動，即電機(jī)通過液壓系統(tǒng)、皮帶傳動裝置驅(qū)動外滾筒轉(zhuǎn)動，內(nèi)滾筒的轉(zhuǎn)動由差速器控制（圖3）。

圖3 離心機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)圖

單電機(jī)驅(qū)動的差速器結(jié)構(gòu)為雙級2K-H，嚙合方式為雙級NGW。結(jié)構(gòu)簡圖（圖4），使用時內(nèi)齒輪b和b1連接離心機(jī)外筒，行星輪H1連接螺旋輸送器，太陽輪a固定不動，連接扭矩保護(hù)器。這種方式的差速器，通常采用2級或3級減速來實現(xiàn)其較大的傳動比，圖4中傳動比的計算見式（1）。

當(dāng)滾筒內(nèi)鉆屑難以排出時，造成差速器內(nèi)部與外筒和螺旋輸送器連接的兩組齒輪同步旋轉(zhuǎn)，齒輪軸a驅(qū)動扭矩保護(hù)器旋轉(zhuǎn)，觸碰限位開關(guān)后輸出一路開關(guān)量信號控制機(jī)組停機(jī)，保護(hù)機(jī)組運行安全。此外在零部件的制造上，滾筒推進(jìn)器的螺旋推進(jìn)片采用了碳化鎢涂層，能夠有效地延長推進(jìn)器的使用壽命；滾筒的箱體采用了不銹鋼材料制作，相比于傳統(tǒng)的碳鋼材料，防腐蝕性能大大提高。

圖4 雙級2K-H差速器原理圖

三、可靠的電器及自動控制系統(tǒng)

離心機(jī)的電氣控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大，除了為離心機(jī)和供液泵供電，還能夠根據(jù)從現(xiàn)場采集的溫度信號、液位信號，離心機(jī)運行的速度信號和扭矩信號來自動控制系統(tǒng)的運行，同時提供保證機(jī)組運行安全的電氣聯(lián)鎖保護(hù)。該系統(tǒng)由扭矩保護(hù)器，轉(zhuǎn)速傳感器，油溫、油位傳感器和兩個防爆控制箱（動力電源箱和控制電路箱）組成。為滿足現(xiàn)場使用環(huán)境電控箱采用隔爆型，防爆等級ExdⅡBT4，防護(hù)等級IP56。

動力電源箱主要為離心機(jī)和供液泵供電，可實現(xiàn)功能：離心機(jī)主電機(jī)、供液泵、冷油泵的啟動和停止，并具有基本過載保護(hù)的功能；離心機(jī)主電機(jī)和供液泵的復(fù)位功能；冷油泵控制的手動/自動狀態(tài)切換；過扭矩保護(hù)功能，當(dāng)離心機(jī)滾筒扭矩達(dá)到設(shè)定的扭矩值時，扭矩保護(hù)器的輸出信號進(jìn)行離心機(jī)過扭矩的停機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)；動力電源箱的面板上有總電源指示燈、離心機(jī)、供液泵、冷油泵的運行狀態(tài)指示、離心機(jī)過扭矩報警指示。

控制電路箱用于監(jiān)視離心機(jī)轉(zhuǎn)速、油箱的油溫和油位，并實現(xiàn)離心機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)控制，主要功能：轉(zhuǎn)速控制，離心機(jī)滾筒的轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速傳感器來檢測，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速低于1500 r/min時，供液泵不允許啟動，離心機(jī)低速運行指示燈亮，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到1500 r/min時，供液泵自動運行，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速高于1500/min時，供液泵自動停止，高速運行指示燈亮，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速高于4000 r/min時，離心機(jī)自動保護(hù)停機(jī)，超高速指示燈亮。為實現(xiàn)上述功能在控制箱內(nèi)安裝了一個速度控制器，轉(zhuǎn)速傳感器的模擬信號輸入控制器，控制器可以輸出3路開關(guān)量控制信號，分別用于判斷滾筒轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)速高和轉(zhuǎn)速超高3個狀態(tài)。

油箱溫度控制。在自動狀態(tài)下當(dāng)油箱溫度高于＞60℃時冷油泵自動啟動，當(dāng)油箱溫度降到45℃時冷油泵自動停止，此功能由溫度傳感器、溫度控制器和繼電器來實現(xiàn)，溫度控制器可以輸入油箱溫度的模擬信號，輸出2路開關(guān)量控制信號。離心機(jī)轉(zhuǎn)速和油箱溫度的設(shè)定值可以自由設(shè)定，根據(jù)需要進(jìn)行修改。

油箱油位控制。為保證離心機(jī)安全，當(dāng)油箱油位過低時離心機(jī)自動停機(jī)。

控制箱的面板上有轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)速超高、轉(zhuǎn)速低、油溫高、油位低5種報警顯示和離心機(jī)轉(zhuǎn)速、油箱溫度、機(jī)組累計運行時間3個主要運行參數(shù)的實時顯示。便于操作人員監(jiān)視判斷離心機(jī)的運行狀態(tài)。

離心機(jī)于2008年開始投入華北油田和新疆塔里木油田投入使用，5年來機(jī)組運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低，無任何滲漏現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)任何機(jī)械故障。經(jīng)用戶使用，一致認(rèn)為其性能可靠、結(jié)構(gòu)新穎、處理量大，并且操作維護(hù)方便，很好的控制了鉆井液的黏度、固相含量和密度，對提高鉆井速度，節(jié)省鉆井成本。該離心機(jī)于2013年申請國家實用新型專利，專利申請?zhí)?01320578918.5。