钻井液高速离心机变频调速闭环控制系统研制

  1　概　述

    控制系统设计是钻井液离心机设计的重要方面,直接决定了离心机的可靠性、可操作性,要使离心机的分离性能和过载保护功能达到 ,除了在机械设计方面予以考虑外,还必须配备较为完善的控制系统。石油矿场用离心机的控制系统大多数采用了普通的控制形式,只有启动、停机、急停等功能,为了使其启动平稳,必须配备液力耦合器,而这限制了离心机的调速功能[1]。

    在现场应用过程中,由于钻遇不同地层所使用钻井液的性能不同,进入离心机钻井液的密度、黏度、固相含量等参数是不断变化的,这些参数的改变会使离心机的处理量和排渣量发生变化,也就是说离心机的负载是不断变化的。如果供浆泵对离心机的供液量一直保持不变的话,当钻井液的密度、黏度和固相含量等参数较高时,就会发生离心机过载、堵塞等故障,严重时必须返回厂家拆开进行清洗,从而直接影响钻井生产[2]。因此,供浆泵对离心机的供液量应该根据钻井液性能的变化而自动调节。另外,钻井过程中也要求离心机的转速应该能够根据钻遇地层、井深和钻井工艺的变化而自动调节。

    因此,要提高离心机的性能,非常有必要研制一种操作简单、性能可靠的变频调速自动控制系统,既能实时控制供浆泵的供液量,也能控制离心机的转速,从而提高离心机的可靠性和适应性,在钻井液性能参数(密度、黏度、固相含量等)发生变化时,确保离心机能够始终排渣并尽可能发挥其 大处理能力,实现恒排渣的功能。该控制系统还应具有很好的自控能力,在设备发生故障时,能自动停机并报警,具有远距离监控能力,从而大大提高离心机的使用效率并降低风险,得到 的处理效果,避免离心机发生过载、堵塞等故障。

    2　控制原理

    离心机主电机电流的大小实际上也反映了离心机的处理量、所处理钻井液的密度、黏度、固相含量等参数的高低。供浆泵供液量越大、钻井液的密度、黏度和含砂量越高,主电机的负载越高,排渣越多,离心机主电机的工作电流越大。反之,离心机主电机的工作电流越小。另外,转鼓转速越高,分离因数越大,离心机的处理能力越强;分离中点越小,分离固相颗粒越多,单位时间内钻井液密度降低越快。因此,可以根据离心机主电机变频器的电流信号控制供浆泵的供液液量,实现离心机负载和性能的闭环反馈控制[3]。

    控制原理及控制流程为:实时采集的离心机主电机工作电流作为控制信号,输入回路调节器CD701并与设定值相比较,根据离心机主电机电流变化和比较的结果直接控制供浆泵电机的变频器,改变供浆泵电机的转速,以改变供浆泵的供液量,从而控制离心机的负载使之形成一个闭式循环,确保离心机始终处于 工作状态,从而实现恒排渣的功能。离心机主电机电流信号闭环控制流程见图1。

    基于上述控制原理设计而成的钻井液离心机变频调速自动控制系统,能够大大提高钻井液高速离心机的性能,并具有良好的灵敏性、可操作性和可靠性。

    3　控制系统组成及主要功能

    离心机变频调速闭环控制系统主要由控制对象、变频器、CD701回路调节器及其PID调节器、温控模块及其他部件等5部分组成。

    1)控制对象　钻井液离心机的主电机功率和离心式供浆泵。

    2)变频器　变频器共2台:一台控制离心机转鼓转速及转鼓与输送器之间转速差,从而控制离心机的运转性能,并输出离心机主电机启动电流信号和工作电流信号作为控制供浆泵变频器的输入控制信号,以便控制供浆泵的供液量;另一台控制供浆泵电机转速以调节其输出流量,从而控制离心机的处理量和排渣量。另外,变频器本身还有强大的控制、保护、报警和故障诊断等功能。

    3) CD701回路调节器及其PID调节器　CD701回路调节器的主要作用是回路调节以及控制信号的输入、输出、比较及控制,其中PID控制是依设定比例带(P)、积分时间(I)、微分时间(D)等参数获得稳定控制结果的控制方式。另外,它还有强大的报警、故障诊断和保护功能。

    4)温控模块　根据控制原理及电路图,将全部电器元器件及两台变频器安装在一个密闭的防爆控制柜上,其防爆等级符合GB3836·1爆炸性气体环境用电气设备的要求。为解决防爆控制柜的散热问题,专门设计了风机及温控模块。防爆控制柜内并联安装了两台风机,风机可以手动启动也可以自动启动。根据控制柜内温度,两台风机可以单台运行也可以同时运行。控制柜内有温控仪,实时监测控制柜内的温度。根据使用环境,设定 和 温度,当温控仪检测的温度高于设定 温度时风机自动启动运行,当低于 温度时风机自动停机。当然,两台变频器本身还有散热功能。

    由于使用环境 温度对变频器控制灵敏性有一定影响。一般要求使用 温度不能低于-20℃,不能高于+55℃。防爆控制柜内电器元器件及变频器工作时要产生热量,这些热量都在密闭的防爆控制箱内,所以一般都能满足 温度限制[4]。对于特殊寒冷地区,如果环境温度特别低,可以启动加热模块,该模块采用PLC控制。当控制柜内工作温度低于-20℃时,加热板将自动启动或手动启动。控制柜内工作温度高于0℃时,自动停止加热。

    5)其他部件　除以上几部分外,还有电流、电压、温度、指示灯等常规显示表,紧急停机、复位、时间继电器,热继电器等常规电器元器件以及箱体组成。为了适合石油矿场工作环境,还有减震系统(4个橡胶减震器组成)、警铃(声音报警)、警灯(光报警)。特别是故障报警采用警铃(声音报警)和警灯(光报警)联合报警,便于远距离观察,适合于钻井现场吵闹工作环境,能够及时提示技术人员处理紧急故障。

    4　控制工作过程及参数设定

    离心机变频调速闭环控制工作过程主要包括启动、正常工作、闭环控制、故障诊断与报警等。