3NB-350型泥漿泵的節能改造

任虎奎

【摘 要】泥漿泵是石油鉆機或礦用勘探鉆機的主設備之一，負荷大、負載變動復雜、連續運行時間長。隨著調速技術的發展，變頻調速業已廣泛應用于鉆采設備。變頻裝置的電網側功率因數很高，因而具有明顯的節能效果。

【關鍵詞】專用銑床;PLC;伺服驅動;控制精度

中圖分類號：TD63+3 文獻標識碼： A文章編號： 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，陜西省煤田地質局一八五隊（陜西省一八五煤田地質有限公司）20鉆機（柴油機作為動力）所配用的一臺柴驅3NB350型泥漿泵發生故障，無法工作。最終決定由我方對泵體進行維修和改造，直接改造為電驅動型泥漿泵，并進一步進行節能改造。

2017年6月，我方將柴驅泥漿泵成功改造升級為電驅泥漿泵，并配變頻驅動控制柜。2017年7月-2018年6月，整個系統應用于185隊長武縣高家堡煤礦地面排水孔鉆探工程，并取得了圓滿效果。

1 3NB-350型往復式泥漿泵

礦用泥漿泵一般采用往復式活塞（柱塞）泵。往復泵能輸送黏稠度高、含砂量高以及含有磨礪性固體顆粒的液態介質，其突出的優點是泵壓和泵效高，且泵壓和效率不隨流量變化。

往復泵與其它類型的泵相比也有其自身的不足，也就是排量（流量）較小，瞬時流量和泵壓呈脈動性，且易損件多。

1.1 3NB-350泥漿泵結構

3NB-350型泥漿泵為三缸單作用往復泵，適配于鉆孔深度2600米以內的水井鉆機和石油鉆機。按照不同配置的吸入系統，該泵可分為高速、中速、低速三種型式，其配套動力隨速度提高而增大。

圖1所示為單缸單作用泵原理示意圖?？傮w上看，往復式泥漿泵主要由動力段和液力端組成。動力端主要包括傳動離合裝置、變速裝置和曲柄連桿，其功能是將動力機的回轉運動轉變為活塞的直線往復運動。液力端主要包括油泵頭體、缸套、活塞、活塞桿吸入閥和排出閥等組成，其作用是通過活塞往復運動形成液缸容腔變化，實現吸入和排出介質。通常以十字頭為分界線，靠近泵缸一端稱為泵的液力端，靠近動力輸入一端稱為泵的動力端。

1.2 柴驅改電驅

1.2.1 柴驅泥漿泵的不足

柴油機驅動的泥漿泵沒有電機，采用柴油機直接帶動泥漿泵運轉。由于柴油機運轉的穩定性差，使得泥漿泵運行轉速波動較大，沖次也隨轉速變化而變化，從而導致泵體震動嚴重、缸套和缸體磨損加劇，故障率很高。

另一方面，柴油機工作時，柴油很難充分燃燒，導致煙塵中含有大量的一氧化碳和硫化物，空氣污染非常嚴重;而且柴油機的噪音很大，長期處在強噪音環境中，對人體會造成很大傷害。

而從經濟方面考慮，柴油的一直價格較高，導致柴油機的運行成本居高不下。

1.2.2 電驅動泥漿泵

將柴油機驅動的泥漿泵改成電驅動泥漿泵，可以徹底解決柴驅泥漿泵所存在的不足。圖2為電驅泥漿泵示意。

對于3NB-350型泥漿泵，選配8級、250KW三相交流異步變頻電動機，通過皮帶輪及減速機構減速，使得泥漿泵額定沖次達到62。電機的主要參數為額定電流520A、額定轉速660r/min、額定頻率33.5Hz、額定功率因數為0.83、額定效率為96%、額定轉差率為0.019。

2 變頻泥漿泵

由于鉆井現場電源穩定性較差，且泥漿泵功率較大，啟動較為困難。因此，決定采用變頻器驅動控制。

2.1 采用變頻器的好處

泥漿泵采用變頻器驅動控制具有以下好處：

2.1.1 柔性啟動

對于風機、泵類負載，采用變頻啟動時，其啟動電流小于電機的額定電流（星三角啟動電流是電機額定電流的5-7倍;軟啟動器的啟動電流是電機額定電流的2.5-4倍），甚至遠小于電機的額定電流，而且平滑穩定，最大限度抑制了啟動過程的電流沖擊和對泥漿泵缸體、缸套的震動沖擊，大大降低了泥漿泵的故障率。

2.1.2 無級調速

鉆井過程中，隨著鉆井深度加深，泥漿泵輸出壓力也隨之加大，既能保障鉆井需要，又可降低泵體磨損。也就是說，鉆井初期，井深較淺，井壓較小，泥漿泵的壓力不需要太大即可滿足需要。而采用變頻器則可實時動態調節泵的轉速（和輸出壓力），使泥漿泵處于最佳運行狀態。

2.1.3 節能

變頻泥漿泵的節能包括以下幾個方面：

（1）啟動過程節能

對于250KW泥漿泵來說，加速時間一般設為30秒，也就是說，啟動過程可持續半分鐘，在這個過程中，電機功耗不到星三角啟動時功耗的20%，然而，同正常運行過程相比，啟動過程是短暫的，真正的電量消耗也較少。一般地，工程上，啟動過程的節能僅占總節能的5%不到。

（2）運行過程節能

變頻器可將電機的功率因數提高到93%以上（一般電機的功率因數80-86%）。泥漿泵運行過程的負載是隨著井下地質結構變化而變化的，當負載較小時，變頻器輸出的功率也隨之減小，最大限度降低了無功消耗。

（3）調速節能

泥漿泵輸出功率與其轉速的立方成正比。因此，當泥漿泵轉速降低時，其輸出功率將大幅度降低。這是變頻泥漿泵節能的主要環節。

2.2 泥漿泵調速與節能

2.2.1 泥漿泵調速范圍

泥漿泵調速一般是指泥漿泵減速。然而，當轉速降低時，泥漿泵按照工頻狀態設計的額定運行參數發生了變化，其負載特性曲線、泵壓-流量曲線、管路特性曲線等均會產生變化，即偏離額定曲線，如果嚴重偏離，將會對泥漿泵的安全運行產生不利影響，也難以實現節能目的。

因此，對于變頻泥漿泵來說，調速范圍必須有所界定。根據實際驗證得出的經驗，變頻泥漿泵的轉速不應低于額定轉速的50%，最好處于70%～100%范圍。

在工程實踐中，將變頻器的下線頻率設為35Hz，上限頻率設為50Hz。

2.2.2 泥漿泵節能原理

根據泥漿泵工作原理，其阻轉矩與轉速的平方成正比。其轉矩特點為：

由于泥漿泵空載功率與額定功率相比非常小，如果忽略（4）式中的空載功率，則泥漿泵負載功率與其轉速的立方成正比。

在本工程應用中，泥漿泵變頻器的平均輸出頻率為43Hz，即基本頻率（50Hz）的86%，同樣的，泥漿泵的平均轉速為額定轉速的86%。

3 泥漿泵變頻改造后

2017年7月-2018年6月，3NB-350型改造升級后的變頻泥漿泵系統在位于長武縣高家堡煤礦的185隊地面排水孔鉆探工程上無故障運行一年（工程期限一年），效果非常理想，并取得很好的經濟效益。與上一個同類工程應用（泥漿泵為柴油機驅動）相比，配件耗材節省40-50萬元，用電量節省24.5%。

4 小結

將柴驅泥漿泵改為變頻驅動，不僅大幅降低了設備故障率、顯著節省了電耗、還減少誤工率85%以上，為使用方帶來非常好的經濟效益。

【參考資料】

[1]泥漿泵傳動系統研究與改造，楊玉潔、譚濤、吳瓊、汪振坤、李小鋒，《中國石油石化》2016年22期.