地質深層結構中鉆探變頻電動泵運行分析

林天祥

（中國建筑材料工業地質勘查中心黑龍江總隊，黑龍江 哈爾濱 150040）

鉆探變頻電動泵主要用于地質鉆探過程中，作為鉆探工作中最重要的設備，受到了人們廣泛的關注。通常情況下，鉆探變頻電動泵由泵體、葉輪、揚水管、泵座、潛水電機等部分共同組成，具備單級揚程高、結構緊湊的特點。在鉆探變頻電動泵應用到地質深層結構中，由于會受到更大的壓力，對鉆探變頻電動泵的正常運行性能造成影響。由于地質深層結構具有地質條件復雜、多樣性的特點，鉆探設備在其中的運行存在很高的難度系數[1]。目前，研究人員對于地質深層結構中鉆探變頻電動泵的運行分析研究較少。而鉆探變頻電動泵的運行性能又是直接影響其使用效率的關鍵，對此，本文提出地質深層結構中鉆探變頻電動泵的運行分析，從而為后續鉆探變頻電動泵在地質深層結構中的高效運行提供理論基礎。

1 鉆探變頻電動泵運行原理

為分析地質深層結構中鉆探變頻電動泵的運行性能，要明確鉆探變頻電動泵的運行原理。通常情況下，鉆探變頻電動泵是由電動機作為源動力，通過油泵傳動裝置實現重復運動，從而帶動控制器以及變頻器通過隔膜進行往復運動，完成對輸出介質的運輸。鉆探變頻電動泵的運行原理，如圖1所示。

圖1 鉆探變頻電動泵運行原理

根據圖1所示，利用油泵能夠將液體的部分動能轉變為靜壓能，以較高的壓力流入排出管道，輸送至傳感器中。而變頻器主要通過調節電動機的轉速，實現對電動機的變頻控制。變頻器的工作原理，可通過n 方程式進行表達，則有：

公式（1）中，f 指的是電動機定子頻率；p 指的是電動機定子繞組極對數；s 指的是轉差率。通過以上內容，明確鉆探變頻電動泵的運行原理，為地質深層結構中鉆探變頻電動泵運行分析提供技術支持。

2 地質深層結構中鉆探變頻電動泵運行分析

2.1 鉆探變頻電動泵運行性能參數

根據上文得出的鉆探變頻電動泵運行原理，發現在地質深層結構中，由于壓力、流量的參數變化，必然會導致鉆探變頻電動泵運行性能參數的變化。因此，本文將鉆探變頻電動泵的運行性能分為四個檔位，并分析其不同檔位下的運行性能參數。地質深層結構中鉆探變頻電動泵運行性能參數，如表1所示。

表1 地質深層結構中鉆探變頻電動泵運行性能參數

根據表1所示，為不同檔位下鉆探變頻電動泵的運行性能參數。鉆探變頻電動泵在地質深層結構中的初始運行階段，設置鉆探變頻電動泵的檔位為一檔，隨著鉆探深度的不斷加深，變頻器可根據具體的地質深層結構調節檔位。

2.2 鉆探變頻電動泵調速

在得出鉆探變頻電動泵運行性能參數的基礎上，需要精準調節地質深層結構中的鉆探變頻電動泵的電機轉速，以此確保鉆探變頻電動泵在地質深層結構中運行的高效性。通過變頻器中的整流器以及逆變器，進行調速。鉆探變頻電動泵調速示意圖，如圖2所示。

圖2 鉆探變頻電動泵調速示意圖

根據圖2所示，一般情況下，在地質深層結構中電動機的定子頻率為50Hz。由于在鉆探變頻電動泵調速過程中，還需要根據鉆探變頻電動泵的流量調節變頻器運行參數。為此本文設鉆探變頻電動泵的流量為Q ，則通過方程式進行計算，可得：

公式（2）中，D 指的是進水管直徑；R 指的是排水管直徑；c 指的是軸功率；b 指的是地質深層結構中的流量；ψ指的是地質深層結構中的揚程；η指的是出口邊的圓周速度；α指的是葉輪進口處的排擠系數；β指的是鉆探變頻電動泵的容積效率。通過公式（2）可知，當鉆探變頻電動泵在地質深層結構中的流量、揚程變大時，鉆探變頻電動泵的流量也會隨之變大，為滿足地質深層結構中鉆探變頻電動泵運行大流量的需求。此時，必須提高電機的轉速，加大驅動功率[2]。基于鉆探變頻電動泵的流量可推導出鉆探變頻電動泵調速的計算方程式，設其為H ,可得：

公式（3）中，指的是鉆探變頻電動泵在地質深層結構中的轉差率。利用公式（3），可以實現鉆探變頻電動泵調速。通過提高鉆探變頻電動泵的轉速，調節流量，進而確保鉆探變頻電動泵在地質深層結構中的運行效率。

2.3 控制鉆探變頻電動泵運行壓力

通過本文上述分析可知，鉆探變頻電動泵調速能夠實現對地質深層結構中鉆探變頻電動泵流量的調節。但鉆探變頻電動泵在地質深層結構運行中，還需要控制鉆探變頻電動泵運行壓力，避免由于控制失效，導致鉆探變頻電動泵運行效率降低[3]。可以將鉆探變頻電動泵運行看作一個非線性分析問題，針對鉆探變頻電動泵受壓下的位移情況進行分析。本文選用位移控制法確定鉆探變頻電動泵運行壓力與電機轉速之間的關系，當鉆探變頻電動泵開始運作時，將每一次往復運動的起始時刻都設定為該節點的某一自由度。在一次往復運動過程中總增量可以用表示。其中j指的是鉆探變頻電動泵在某一指定位置上的增量自由度。根據上述分析可得出，鉆探變頻電動泵在完成第一次往復運動時增量的位移計算公式為：

公式（4）中，δ指的是鉆探變頻電動泵迭代位移增量；V指的是活塞行程長度；A 指的是完成一次往復運動時鉆探變頻電動泵的位移增量；Z 指的是地質深層結構中鉆探變頻電動泵的排出壓力。由于鉆探變頻電動泵在地質深層結構中運行的特殊性，控制自由度作為位移的加載量，因此位移變量不能為零。這就說明，在上述公式當中不會存在數值的奇異問題。

3 結語

本文通過地質深層結構中鉆探變頻電動泵運行分析，在明確鉆探變頻電動泵運行原理的前提下，分析鉆探變頻電動泵的運行性能參數、調速以及壓力。通過以上研究，能夠取得一定的研究成果。可以看出，本文對地質深層結構中鉆探變頻電動泵運行的分析是十分必要的，且具有現實意義，能夠為提高鉆探變頻電動泵在地質深層結構中的運行效率提供理論支持。