鉆井液高速離心機(jī)數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)研制與應(yīng)用

高曉軍，楊杰

（中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，陜西 西安 710018）

1 離心機(jī)概述

自從上世紀(jì)80年代末我國(guó)石油鉆井行業(yè)引進(jìn)離心機(jī)以來(lái)，離心機(jī)已成為鉆井作業(yè)中（特別是中深井和水平井）不可或缺的固控設(shè)備。鉆井液離心機(jī)一般安裝在固控系統(tǒng)的最后一級(jí)，主要用于將懸浮液中固相顆粒直徑≥2μm的懸浮液分離，或?qū)⑷闈嵋褐袃煞N密度不同，又互不相溶的液體分開(kāi)。鉆井液離心機(jī)分離度細(xì)，能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)以及維護(hù)方便，固相控制高效，能提高轉(zhuǎn)速，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，減小水力機(jī)械磨損，顯著降低泥漿補(bǔ)充和處理的成本等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用。

1.1 離心機(jī)工作原理

離心機(jī)的分離原理是利用滾筒的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)進(jìn)入滾筒中的泥漿高速旋轉(zhuǎn)，泥漿被甩到筒壁上形成一個(gè)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。在差速器的作用下，螺旋推進(jìn)器與滾筒形成一定的轉(zhuǎn)速差，于是把已沉降到滾筒內(nèi)壁上的固相顆粒從筒壁上刮下，被螺旋葉片逐步推向滾筒小端，并在推進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行脫水，最后到達(dá)排砂噴嘴后被甩出滾筒，排出罐外。

1.2 高速離心機(jī)特點(diǎn)

高速離心機(jī)：它的分離因素為1200～2100左右，分離點(diǎn)2～5μm，用于清除有害固相，控制泥漿粘度。

長(zhǎng)慶區(qū)域低速離心機(jī)很少使用，中速離心機(jī)多采用星三角啟動(dòng)，無(wú)法調(diào)整離心機(jī)轉(zhuǎn)速，使用受限，而高速離心機(jī)采用變頻調(diào)速，符合電動(dòng)鉆機(jī)配置要求。

2 變頻控制系統(tǒng)

目前，長(zhǎng)慶區(qū)域高速離心機(jī)變頻控制系統(tǒng)采用多鍵啟停，啟動(dòng)操作時(shí)，逐步啟動(dòng)輔機(jī)、主機(jī)、供液泵，停機(jī)是也同樣，先關(guān)閉供液泵，關(guān)閉主機(jī)，最后停止輔機(jī)。控制柜有顯示屏，可以顯示電流、變頻等參數(shù)，調(diào)整主機(jī)速度仍需按鈕操作。而且采用變頻控制與啟動(dòng)電路分箱安裝，下端的電路箱沒(méi)有防凝露裝置，且有軸流風(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)道，潮氣易進(jìn)入箱體，容易積水造成電氣元器件銹蝕失效，甚至燒毀。

目前長(zhǎng)慶區(qū)域部分井隊(duì)循環(huán)罐上的清水管線銹蝕嚴(yán)重，已不能正常使用，導(dǎo)致高速離心機(jī)滾筒泥漿清洗時(shí)，必須通過(guò)多節(jié)軟管（消防水帶）連接至水罐處，通過(guò)水罐水泵清洗離心機(jī)。操作不方便，易疏忽而造成離心機(jī)卡死。

3 數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)研制

3.1 電氣原理圖

圖1 電氣原理圖

根據(jù)離心機(jī)的工作特性，主輔機(jī)電機(jī)均采用變頻器調(diào)速方式，滿足不同工況處理泥漿的需求，供液泵與散熱風(fēng)機(jī)均采用直接啟動(dòng)的方式。主機(jī)與輔機(jī)的變頻調(diào)速給定分為兩部分之和，即A=B+C，其中B為觸摸屏上設(shè)定的頻率，觸摸屏通過(guò)通信方式寫(xiě)入PLC寄存器，PLC再通過(guò)RS485寫(xiě)入變頻器內(nèi)部寄存器，C為電位器電壓，可以實(shí)現(xiàn)頻率的精調(diào)。

高速離心機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)是全數(shù)字化智能系統(tǒng)，各設(shè)備間采用專(zhuān)用通信協(xié)議以及主流的MODBUS RTU協(xié)議，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)共享與流轉(zhuǎn)。離心機(jī)全部工藝參數(shù)均可在觸摸屏上設(shè)置，所有的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)也全部顯示在觸摸屏上，包括電流、電壓、功率、頻率、轉(zhuǎn)速、報(bào)警信息等。

防爆控制箱上設(shè)置了“電源啟停”旋鈕，“一鍵啟停”旋鈕，“防凝露”開(kāi)關(guān)，“故障復(fù)位”旋鈕，“主輔機(jī)速度微調(diào)”旋鈕，以及各類(lèi)狀態(tài)指示燈。進(jìn)出線采用插接件模式，主機(jī)和輔機(jī)調(diào)速采用變頻調(diào)速模式，邏輯控制采用PLC邏輯控制。觸摸屏上顯示系統(tǒng)全參數(shù)，包括主輔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)速、負(fù)載率百分比等。

3.2 結(jié)構(gòu)外形圖

圖2 外形結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 自動(dòng)清洗系統(tǒng)示意圖

由于變頻器是一種大功率器件，在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，散熱不好會(huì)導(dǎo)致變頻器高溫報(bào)警，而且還會(huì)影響其他電器元件的正常工作。傳統(tǒng)的做法是將變頻器拆解，各電路板及功率器件安裝在防爆箱底板上，利用防爆箱殼體實(shí)現(xiàn)散熱功能。

該做法有幾點(diǎn)不好：（1）變頻器拆解后不提供保修服務(wù)了；（2）變頻器的電路板安裝在防爆箱底板上就破壞了原電磁干擾設(shè)計(jì)（EMI），容易出現(xiàn)一些莫名其妙的問(wèn)題；（3）防爆箱殼體的自然散熱效果不佳。針對(duì)這幾點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了雙層防爆箱，變頻器不拆解，整機(jī)主體安裝在前層，散熱片部分伸出到后層，前后層間采取特殊措施，達(dá)到GB3836的防爆要求。在后層安裝了一臺(tái)防爆散熱風(fēng)機(jī)，當(dāng)任意一臺(tái)變頻器工作時(shí)就啟動(dòng)防爆散熱風(fēng)機(jī)，將變頻器的熱量完全帶走，保證整個(gè)系統(tǒng)正常溫升。

3.3 設(shè)備電氣參數(shù)

主機(jī)功率37kW，轉(zhuǎn)速1460r/min，輔機(jī)功率7.5kW，轉(zhuǎn)速1480r/min，供料泵功率11kW。

3.4 防凝露功能實(shí)現(xiàn)

防爆控制柜采用全封閉式，減少潮氣進(jìn)入箱體，另本系統(tǒng)在防爆箱操作面板上設(shè)計(jì)了防凝露開(kāi)關(guān)，在結(jié)露嚴(yán)重的秋冬季節(jié)時(shí)將此開(kāi)關(guān)打開(kāi)，加熱并循環(huán)防爆箱內(nèi)部空氣，使其保持恒溫（設(shè)定值為20℃，超溫則停止加熱空氣），避免水蒸氣從空氣中凝結(jié)出來(lái)，短路損毀電器元件，達(dá)到“防凝露”基本功能。

3.5 自動(dòng)清洗功能實(shí)現(xiàn)

把原來(lái)離心機(jī)上的清水管線上手動(dòng)球閥更換為防爆不銹鋼電磁閥（DN50，220V），通過(guò)防離心機(jī)爆控制箱來(lái)控制其打開(kāi)與關(guān)閉。考慮到液體流向問(wèn)題，還需增加一個(gè)單向閥，防止泥漿倒灌。

由于泥漿中含有較多的細(xì)小顆粒物，對(duì)任何電磁閥閥芯都會(huì)有磨損作用，大顆粒物還有可能會(huì)堵塞閥芯，導(dǎo)致電磁閥損毀，壽命極短，因此將泥漿管線上的手動(dòng)球閥更換為防爆電動(dòng)閥（DN50，220V，蝶閥），用程序控制其打開(kāi)與關(guān)閉。

單獨(dú)制作一個(gè)小水箱（1.5米x1.5米x1.2米），注滿水可達(dá)2.7立方米，完全滿足離心機(jī)的清洗量要求。另單獨(dú)為清洗流程配置一個(gè)防爆潛水泵（流量15 m3/h，揚(yáng)程15米，功率1.5kW），由離心機(jī)防爆箱根據(jù)清洗流程控制其啟停，形成獨(dú)立清洗系統(tǒng)。

自動(dòng)清洗內(nèi)外滾筒流程，不需要人為干預(yù)，既減輕了現(xiàn)場(chǎng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也從源頭上杜絕了由于人為失誤（交接不清楚，忘記清洗或者清洗時(shí)間不夠，未清洗干凈等）造成的泥漿堵塞而損壞設(shè)備。

3.6 開(kāi)機(jī)流程

啟動(dòng)前，確保行程開(kāi)關(guān)處于閉合位置。向右旋轉(zhuǎn)“電源啟停”旋鈕，啟動(dòng)電操機(jī)構(gòu)，電源合閘，指示燈亮。

向左旋轉(zhuǎn)“一鍵啟停”旋鈕，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，步驟如下。首先啟動(dòng)輔機(jī)，輔機(jī)運(yùn)行指示燈亮，開(kāi)始運(yùn)行，頻率自動(dòng)緩慢上升至45Hz（該值可根據(jù)泥漿比重的變化在觸摸屏上設(shè)置），速度穩(wěn)定后可以通過(guò)防爆箱上“輔機(jī)速度微調(diào)”旋鈕改變輔機(jī)輸出頻率值（精度可達(dá)百分之一），從而對(duì)輔機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行高精度微調(diào)。

輔機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行20秒以后自動(dòng)啟動(dòng)主機(jī)，主機(jī)運(yùn)行指示燈亮，開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，頻率自動(dòng)緩慢上升至45Hz（該值可根據(jù)泥漿比重的變化在觸摸屏上設(shè)置），速度穩(wěn)定后可以通過(guò)防爆箱上“主機(jī)速度微調(diào)”旋鈕改變輔機(jī)輸出頻率值（精度可達(dá)百分之一），從而對(duì)主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行高精度微調(diào)。

主機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后自動(dòng)打開(kāi)供液泵電動(dòng)閥，啟動(dòng)供液泵，整套系統(tǒng)開(kāi)始工作。

3.7 關(guān)機(jī)流程

向右旋轉(zhuǎn)“一鍵啟停”旋鈕，系統(tǒng)自動(dòng)停車(chē)，步驟如下。

3.7.1 首先停止供料泵

3.7.2 自動(dòng)打開(kāi)清洗泵與清洗閥

對(duì)離心機(jī)內(nèi)外筒進(jìn)行清洗，10分鐘后清洗結(jié)束，自動(dòng)關(guān)閉清洗閥，然后依次進(jìn)行主機(jī)減速停車(chē)與輔機(jī)減速停車(chē)，待輔機(jī)完全停止后關(guān)閉電源。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至目前,長(zhǎng)慶區(qū)域?yàn)?臺(tái)高速離心機(jī)配套了數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng),并利用這2套控制系統(tǒng)的離心機(jī)在慶城地區(qū)完成了2口井的施工任務(wù)。在施工過(guò)程中運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好,沒(méi)有出現(xiàn)故障。并具有控制更靈活,操作更方便,能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工工藝要求,為進(jìn)一步提高鉆井液固相控制水平、安全、高效鉆井奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

該控制系統(tǒng)采用PLC邏輯控制作為核心，采用觸摸屏，自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)“一鍵啟停”功能，實(shí)現(xiàn)離心機(jī)自動(dòng)控制。界面友好，可同時(shí)顯示全系統(tǒng)參數(shù)，報(bào)警信息豐富，同時(shí)在界面上直接輸入，操作簡(jiǎn)單，可視性程度高。通過(guò)主輔機(jī)速度微調(diào)，使離心機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗、故障報(bào)警及急停等功能。有利于提高離心機(jī)的綜合性能，降低現(xiàn)場(chǎng)使用難度。