基于伺服电机控制的钻井泵远程调压装置的研制与应用

2015-05-07李立新朱永庆廖恒伟

机械工程师 2015年1期

李立新，朱永庆，廖恒伟

（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002）

0 引言

钻井泵是钻机循环系统的核心设备，出厂前，需按钻机联调试验大纲要求，进行负荷运转试验，目的在于检测钻井泵和高压管汇的耐压能力，以及柴油发电机组和电控系统的带载能力，确保产品达到设计性能要求。

目前，钻井泵在钻机试验井场进行高压负荷运转试验时，主要通过一种手动针式节流阀调压工装进行压力调节，这种依靠人工反复扳动节流阀手轮进行加压或卸压的方法，有以下不足：1）钻井泵负荷运转试验时，系统最高压力可达52 MPa，存在高压放喷、管线泄漏的风险，对现场操作人员的安全构成威胁；2）不能实现阀门的柔性开关，系统压力波动对设备的冲击性较大，易造成钻井泵和管汇密封件的损坏，泵组联调试验停机率高；3）控制精度尚不能完全满足钻井泵负荷运转试验压力控制的要求；4）遇到紧急情况，不能实现快速卸压。

鉴于以上原因，笔者根据多年钻机试验井场工作经验，提出一种基于伺服电机控制的钻井泵远程调压装置，以改变现有技术中依靠人工扳动节流阀手轮进行调压的现状，实现钻井泵压力的远程、自动和精准控制，使操作人员远离高压试验危险区，保障了操作人员的人身安全。

1 控制原理

基于伺服电机控制的钻井泵远程调压装置，通过伺服驱动器，控制伺服电机，驱动针式节流阀阀杆旋转、移动，改变节流阀开度面积的大小，控制钻机循环系统液体的流量和速度，从而实现对钻井泵系统压力的调节。

控制原理如图1所示。通过触摸屏或手轮，对系统压力进行给定，由PLC进行比较运算，将控制指令传给伺服驱动器，控制伺服电机正转（加压）或反转（降压）。编码器和变送器构成的双闭环系统，将电机转速和系统压力实时反馈给伺服驱动器和PLC，来不断地调节电机转速和扭矩，直到系统压力达到设定压力，电机停止运转，系统进行保压。

图1 控制原理框图

2 硬件设计

基于伺服电机控制的钻井泵远程调压装置，主要由伺服控制系统、节流阀总成、联轴器、压力变送器等部分组成。

采用模块化设计，PLC、伺服驱动器、触摸屏、调压手轮及各类开关集成在控制柜中，伺服电机通过联轴器与节流阀总成连接，编码器安装在电机非驱动端，压力变送器安装在节流阀总成上。伺服电机、编码器及压力变送器通过电缆与控制柜连接。工作时将控制柜放置在远离钻井泵高压试验的安全区域。

2.1 伺服控制系统

伺服控制系统主要包括：1）PLC。PLC是整个控制系统的核心，负责接收外部压力输入信号，通过软件计算，向伺服驱动器发出控制指令。2）伺服驱动器。能实现高精度、高性能的伺服控制功能，其先进的定位功能将实现电机轴的绝对、相对定位。3）伺服电机。把所收到的电脉冲信号转换成电动机轴上的角位移输出，实现精确的定位。4）触摸屏。用于调压装置的加压、降压、快速卸压操作，并具有压力设定、波动限制、故障报警、输出曲线功能。

PLC、伺服驱动器、触摸屏通过Profibus-DP总线进行数据传输与交换。如图2所示。

图2 伺服控制系统

2.2 电机负载扭矩计算

目前，钻机试验井场进行钻井泵试验最大压力为52MPa（9 000 m钻机）,控制钻井泵流量的节流阀为针式节流阀，梯形螺纹传动形式。

1）节流阀阀杆螺纹副的当量摩擦角φv的确定。节流阀螺杆-螺母材料：钢-青铜合金，取其摩擦因数 f=0.1［3］，梯形螺纹牙侧角 β=30°，则 φv=arctan（f/cosβ）=arctan（0.1÷cos30°）=6.59°。

2）节流阀阀杆螺纹升角φ的确定。节流阀公称通径d=36 mm，螺距 p=6 mm，螺杆螺纹中径 d2=33 mm［3］，螺纹线数n=1，则φ=arctan［np/（πd2）］=arctan［1×6÷（3.14×33）］=3.312°。

3）节流阀杆轴向力F的计算。节流阀试验最高工作压力 P=52 MPa，节流通径 D=45 mm，则 F=P×A=P×π×D2/4=52×106×3.14×452×10-6÷4=82 660.5 N。

4）驱动转矩T的计算。T=F×tan（φ+φv）×d2/2=82 660.5×tan（3.31+6.59）×33×10-3÷2=238.038 N·m。

综上所述，伺服电机采用西门子齿轮传动交流伺服电动机，集成Drive-CLIQ接口的编码器。考虑到电机与节流阀连接间联轴器自重、摩擦副间粉尘等因素的影响，选用的伺服电机参数如下：额定功率P=1.44 kW，额定转速n1=3 000 r/min，减速箱输出转速 n2=43 r/min，减速箱输出扭矩T=319 N·m。

2.3 其它元器件选择

1）伺服驱动器。伺服驱动器采用Sinamics单轴驱动器，控制模块和功率模块及CF卡一起构成一个具有Profibus-通讯的高性能单轴交流驱动器。参数如下：输入电压为 3AC（380～480 V），50 Hz；额定电流为 5.9 A；额定功率为2.2 kW。

2）PLC型号为西门子 S7-300系列，CPU型号为S7313C-2DP。

3）触摸屏为10.4 in，256色，8个功能键，MPI/Profibus DP接口。

3 软件设计

3.1 初次启动

在电机与节流阀连接之前，应先完成伺服电机的上电空载调试。

在伺服电机与节流阀机械连接后，首先要标定阀的开度。将阀移到开度为零的位置，在触摸屏点击零点标定，设定“零点位置”。然后将阀门开度到完全打开，记下位置，设此位置为行程标定。

在完成以上工作后，可以通过程序将其量化。将阀门开度从零到全部打开的位置量化为0到100%。

3.2 手动工作模式

在手动工作模式下，设定阀门打开的开度，进行工作。主要设定参数包括“阀门开度”、“移动速度”等参数，功能较为简单。

3.3 自动工作模式

在自动工作模式下，通过程序设定系统的压力，达到设定压力时，系统停止工作，具有自锁功能，达到设定压力后，能够实现保压。程序由初始化程序、主程序、故障处理子程序、参数设置、掉电存储、报警程序等部分构成。主要功能是系统压力变送器原始数据采集、实际压力值的计算及从驱动器获取电机相关参数并显示、向驱动器发出控制指令等。

其程序控制流程如图3所示：控制流程序图的步骤1、步骤 2、步骤 3、步骤 4均需要设置阀门开度（0～100%）和移动速度。阀门及速度符合步骤1＞步骤2＞步骤3＞步骤4，当执行到步骤3时，移动速度及阀门开度应设置较小的数值，且会随着步骤4的执行结果自减。确保压力稳定在设定值，实现保压功能。在遇到紧急情况，拍下急停按钮，通过设置较快的移动速度，将阀门移至全关的位置，实现快速卸压保护。

4 现场应用

基于伺服电机控制的钻井泵远程调压装置研制成功以后，自2013年11月起，在ZJ50DB、ZJ70DB、ZJ90DB等系列钻机配套的钻井泵上进行试验，最高试验压力达52 MPa。

图4为单台钻井泵手动工作模式下加压试验曲线，图5为3台钻井泵联调试验时，自动工作模式下加压试验曲线。

图4 单泵手动加压试验曲线

图5 三泵自动加压试验曲线

与原有调压装置对比，该调压装置的优势为：1）采用先进的伺服控制技术，利用交流伺服电机控制节流阀的开度大小，自动实现系统压力的精准调节，试验过程压力控制精确、平稳，完全能满足钻井泵出厂试验要求，缩短了试验周期；2）将控制操作单元集成为智能化远程控制柜，通过电缆与被控对象连接；控制柜可放置在距离钻井泵30 m以外的安全区域，使操作人员远离高压危险区域，确保了人身安全，大大降低了试验风险；3）人机界面设计操作简单，试验参数一目了然。

经过软件完善、操作界面优化、硬件改进，目前各项性能达到设计和使用要求，得到一线操作人员的普遍赞誉。