（机械工程专业论文）智能控制高速离心机研制.pdf

摘要 随着石油勘探开发工作的发展，对钻井液技术与固控技术提出了更高的要求，离心 机作为一种钻井液固控设备，在钻井作业中有着非常重要的作用。本文介绍了一种能够 根据钻井液性能参数的变化自动地调节运行参数，从而得到最佳处理效果的离心机。主 要作了一下研究：1 、高速离心机结构原理；2 、高速离心机差速器的设计与计算；3 、 变频器主控信号的获得；4 、变频器智能控制系统的研制5 、离心机整机的室内试验及现 场试验。实验证明，智能控制高速离心机采用了变频调速智能控制和实时数据采集技术， 能够根据钻井液性能参数的变化，自动调节离心机滚筒的转速、差转速以及供浆泵的排 量，以获得最大的排渣量，并能实现故障停车报警、实时远距离显示和控制等功能。并 具有长径比大、分离因数高、差速器结构合理、寿命长等特点。这种全变频全自动控制 高速离心机的研制成功，拓宽了钻井液用高速离心机的研究新领域，开辟了石油矿场用 智能控制高速离心机的科研、教学新内容。 关键词：高速离心机，钻井液，变频器，智能控制 a b s t r a c t d e v e l o p m e m o f i n t e l l i g e n tc o n t r o lo fh i g h s p e e dc e n t r i f u g e l i a n gz i b o ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gh a n x i a n g w i t ht h ep e t r o l e u me x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n tw o r ki nt h ed e v e l o p m e n to f d r i l l i n gf l u i dt e c h n o l o g y a n ds o l i dc o n t r o lt e c h n o l o g yp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s ，c e n t r i f u g ea sas o l i d - f l u i dc o n t r o le q u i p m e n t ， d r i l l i n go p e r a t i o n sa tav e r yi m p o r t a n tr o l e i nt h i sp a p e r , af l u i dc a ni na c c o r d a n c ew i t hc h a n g e si n p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，a n dt h u sg e tt h eb e s td e a lw i t ht h e e f f e c to ft h ec e n t r i f u g e m a d ea b o u tt h em a i ns t u d i e s ：o n e ，h i g h s p e e dc e n t r i f u g es t r u c t u r a lp r i n c i p l e ；2 ， h i g h - s p e e dd i f f e r e n t i a lc e n t r i f u g ed e s i g na n dc a l c u l a t i o n ；3 ，i n v e r t e rc o n t r o ls i g n a lr e c e i v e d ；4 ，i n t e l l i g e n t i n v e r t e rc o n t r o ls y s t e m5c e n t r i f u g ew h o l ei n t e r i o ro ft h et e s ta n df i e l dt e s t e x p e r i m e n t ss h o wt h a t i n t e l l i g e n tc o n t r o lo fh i g h s p e e dc e n t r i f u g e su s e dv v v fi n t e l l i g e n tc o n t r o la n dr e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o n t e c h n o l o g y , t h eb a s i so f d r i l l i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h es p e e do f t h e c e n t r i f u g ed r u m ，r o t a t i o n a ls p e e d ，a sw e l la sb a df o rt h ep u m p sd i s p l a c e m e n tt ot h el a r g e s ta m o u n tw a s s l a g g i n ga n dc a na c h i e v ef a u l tp a r k i n ga l a r m ，r e a l - t i m er e m o t ed i s p l a ya n dc o n t r o lf u n c t i o n s a n dh a v et h e a s p e c tr a t i o ，a n dh i g hs e p a r a t i o nf a c t o r , ar e a s o n a b l ed i f f e r e n t i a ls t r u c t u r e ，l o n gl i f ea n ds oo n t h i s f u l l a u t o m a t i cc o n t r o lo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o no ft h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dc e n t r i f u g e s ， a n dw i d e nt h ed r i l l i n go fh i g h s p e e dc e n t r i f u g e su s e dt os t u d yn e wa r e a so p e n e du pt h eo i lm i n e so f h i g h s p e e dc e n t r i f u g ew i t hi n t e l l i g e n tc o n t r o lo fs c i e n t i f i cr e s e a r c h ，a n dt e a c h i n gn e w c o n t e n t k e yw o r d s ：h i g h s p e e dc e n t r i f u g e ；d r i l l i n g ；i n v e r t e r ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l 独创性声明和使用授权书格式 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：篮立i 日期：z 刁年伽日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：望垂! 整 指导教师签名： 钿日 月砂同 中国石油大学( 华东) t 程硕士学位论文 1 1 课题的来源与背景 第一章绪论 随着石油勘探开发工作的发展，钻井深度不断增加，钻遇地层日益复杂，特 别是近几年国内外一些新型钻井技术的发展，如深井、超深井钻井技术、水平井 钻井技术以及欠平衡钻井技术等，这些钻井技术对钻井液的净化与固控提出了更 严格的要求。国内外钻井实践经验都证明，钻井液中固相的含量及固相颗粒的大 小对钻井液的性能有很大影响。这里所指固相，按其作用可分为两类：一类是有 用固相，如膨润土、化学处理剂、重晶石等；另一类是有害固相，如岩屑、劣质 膨润土、砂粒等。所谓固相控制( 简称“固控 ) 就是要清除钻井液中的有害固 相，保存有用固相，以满足钻井工艺的要求。近3 0 年来，国内外对钻井液中固 相含量的影响进行了大量的室内单元试验和现场工业试验研究工作。研究结果表 明，在一般情况下，增加固相含量，钻井液的密度、粘度、切力、泥饼厚度以及 含砂量均会增加，失水量则有所下降。这些性能变化将会明显降低钻速，增加钻 头用量，导致钻井总成本的大幅度上升。而固相含量愈低，则降低固相含量带来 的效果愈加明显。对于固相不分散钻井液，一般规定固相含量不能超过4 ( 体 积比) ，含砂量应小于0 5 。因此钻井液技术与固控是保证正常钻井工艺技术实 施的关键。固控已成为直接影响安全、优质、快速钻井和保护油气层的重要因素， 是实现现代化钻井的重要手段之一。 为提高机械钻速，减少钻具及钻井泵易损件的磨损，回收重晶石，降低钻井 液成本，必须重视固控系统研究工作，以适应勘探开发领域发展的需要，满足新 型钻井工艺技术的广泛推广使用。我国目前已能批量生产振动筛、除砂器、除泥 器、除气器、离心机等固控设备，具有制造成套固控设备的能力，但由于生产比 较分散，固控系统配套能力较低，还没有形成系列。与国外先进设备相比，差距 仍然较大，设备性能差，易损件寿命短，因此必须进一步完善和发展固控系统。 随着一些新型钻井工艺技术的出现，国内的固控设备和系统仍然很难很好满足要 求，许多情况仍依赖于进口。胜利油田固控系统和固控设备与国内其他油f f l 相比， 优势和差距同样比较突出。 从3 0 年代由矿山设备中的振动筛引入石油钻井工业开始，逐步形成钻井液 第一章绪论 固控系统，主要用来清除钻井液中的岩屑和其他有害固相颗粒，正是这些基本要 求推动着钻进液固控系统不断更新和发展。直到5 0 年代初期，清除钻井液中的 固相颗粒仍然以单轴激振、椭圆振型的老式振动筛。随着钻井工艺技术的迅速发 展和推广，特别是喷射钻井技术的发展和广泛使用，对固控要求不断提高，一般 筛网在3 0 目以下的老式常规振动筛已不能满足要求。于是除采用4 0 , - 6 0 目的较 细筛网的振动筛外，又增加了除砂器，形成二级固控，继而又增加了除泥器和钻 井液清洁器形成三级固控。为了清除更细有害固相颗粒回收重晶石又增加了离心 机以及其他辅助设备，总重量已达5 0 t ，总电力消耗接近3 0 0 k w 。固相含量可控 制5 以下，钻井液的低密度性能也可按需要进行调节，这无疑是给石油钻井工 业带来了深刻的变化。但同时又增加了井队现场维修、保养、使用工作量和能耗， 系统越来越复杂，可靠性也有所降低。因此研制既能满足越来越高的固控要求， 又能简化结构、便于维修的新的固控系统，还是9 0 年代中期以来国内外固控设 备发展的基本动向。 然而，随着钻井工艺技术的不断进步，我国现有钻井液固控系统也存在着许 多问题，已经不能很好地满足现代钻井技术发展的需要。因此，非常有必要研制 新的固控设备，组建新的固控系统，以适应特殊钻井工艺和钻遇日益复杂的地层 要求。并与国际接轨，符合竞争日益激烈的国际钻井市场需求。 多年来，人们对固控设备作出了积极有益的探索，设备的性能大幅度增强， 易损件寿命也大大提高。一些新型钻井工艺技术的出现，对固控系统提出了更为 严格的要求，促使固控设备不断发展；同样，固控设备本身性能的提高，又促进 固控系统不断进步，为一些新的固控方法的产生打下了基础，从而大大提高了钻 井液的净化与固控水平。 纵观国内外固控设备及固控系统的发展现状与发展趋势，我认为当今钻井液 固控系统的研制方向应该是：以改进振动筛性能为核心，提高离心机的处理量和 工作转速，以简化现有固控系统，力争使用振动筛与离心机组成两级固控取代现 有的多级固控系统。根据当前固控系统发展要求，减少固控级数、降低成本、提 高可靠性已成为一种发展趋势。我们认为新型固控系统总体方案是：由3 - - 4 台 细目筛网直线振动筛与1 台全变频、全自动智能控制中速大排量离心机( 转速为 1 2 0 0 转分 - - 2 0 0 0 转分) 和l 台全变频、全自动智能控制高速离心机( 转速为 2 中国石油大学( 华东) 工程硕1 ：学位论文 1 8 0 0 转分 - 3 4 0 0 转分) 组成两级固控系统取代现有复杂的固控系统，提高固控 水平，满足新型钻井工艺技术发展的要求。这种新型固控系统主要优点是：结构 简单，可靠性高，振动筛和离心机的性能高，易损件寿命长，对钻井液净化效果 好，能够满足新型钻井工艺技术发展的需要。省去除砂器、除泥器以及给二者供 液的耗能大、效率低的砂泵，因此能耗低，设备安装简单，维护方便，便于井队 运输、搬迁。能够适应国外钻井市场的需求。 振动筛能够全流量处理钻井液中的有害固相颗粒，但还不能全部清除。特别 是一些极小的固相颗粒还需要采用离心机分离，才能很好的进行钻井液固相控 制，而且可以回收重晶石。钻井液离心机是固控设备中结构最复杂，井队最难掌 握的设备，但从长远看是除振动筛之外最为关键的设备。离心机性能的好坏，直 接影响振动筛加离心机二级固控系统能否实现。 离心机作为一种钻井液固控设备，在钻井作业中有非常重要的作用，这已为 国内外钻井工程人员所公认。合理设计和使用离心机，可有效地控制钻井液的密 度，清除钻井液中的有害固相，对提高机械钻速，节约泥浆药品用量，获得更高 的经济效益具有重大意义。 但是，离心机在现场应用过程中也出现了一些问题：比如当钻井液性能参数 发生变化时，由于产生的固相较多，经常使离心机发生堵塞现象。离心机一旦堵 塞，就必须花费大量的人力物力进行解堵；更为严重的是，如果离心机的过载保 护装置发生故障，就会造成控制系统和电机故障，引起不必要的经济损失。由于 离心机的工作环境一般比较恶劣，现场在用的离心机的过载保护装置往往不能起 到可靠的保护作用。 因此，有必要研制一种智能型高速离心机，使其能够根据钻井液性能参数的 变化自动地调节离心机滚筒的转速及供浆泵的排量，从而得到最佳的处理效果。 本项目的研制，具有较大的、现实的技术经济效益。 1 2 国内外现状 在国内，离心机已广泛应用于石油钻井液净化系统，并对离心机的设计应用 进行了大量的研究和试验，形成了一套比较合理的现场应用方法和设计准则。根 据现场需求先后发展了重晶石回收离心机、高速离心机和大排量离心机，近几年 来，国外一些公司又推出了智能控制离心机，使得离心机在钻井现场的应用范围 第一章绪论 越来越广。 国外离心机中，美国d e r r i c kd e l 0 0 0 离心机在国内应用最广泛。该离心 机的旋流部分、箱体、护柜等都由不锈钢制成，安装在一个坚固的矿田专用爬犁 上，安装极为简便。传动系统齿轮箱传动比为1 2 5 ：1 或5 2 ：l ，齿轮箱与手调 弹簧扭距输出单元匹配。动力来源于一台3 7 2 8 k w 的防爆电动机，该电动机通 过液体联轴器可实现低电流软启动。当扭距过大时，全套电子系统自动关闭实现 内锁。 在美国b r a n d t 公司的离心机系列产品中，h s 3 4 0 0 型离心机非常具有代 表性，它的处理量可达0 6 m 3 m i n ，每小时可分离出5 t 的固相颗粒，转速可达 3 2 5 0 r m i n ，该转速下的分离因子为2 1 0 0 ，分离点为3um 。为优化离心机的工作 特性，输入离心机的液体的密度、粘度、固和含量和固相的粒度分布可任意调节， 通过可调式挡板可调节液池的深度。 在国内，从8 0 年代中后期，各油田和地方厂家先后联合设计符合我国国情 的钻井液净化离心机。其产品均以国外机型为母机，通过仿制、吸收消化、国产 化设计而着手开始自行研制自己的产品。母机主要以s w a c o 公司的5 1 8 型、4 1 4 型，b r a n d t 公司的标准型。经过十余年的努力，国产产品在国内得到了较大 规模的推广应用，为石油工业的发展作出了贡献。国产离心机都属于卧式螺旋卸 料沉降离心机，传动机构由主副电动机、液力偶合器、主副胶带轮、外转鼓、左 右主轴承、行星齿轮、差速器等组成。配有扭距过载保护装置，一般在螺旋推料 器的带推料面上都喷焊钨铬钻硬质合金。 钻井液离心机是固控设备中结构最复杂，井队最难掌握的设备，离心机性能 的好坏，直接影响振动筛加离心机二级固控系统能否实现。离心机是离心分离设 备，钻井现场常用的是沉降离心机。沉降离心机的核心部件是锥形滚筒、滚筒内 的螺旋推进器和连接滚筒与螺旋推进器的变速器。影响离心机分离效果的主要因 素是离心机的分离因子，所谓分离因子是离心机旋转时所产生的离心加速度与重 力加速度之比，分离因子越大离心机的分离能力越强。近几年国外在离心机的设 计上主要是增大离心机的处理量和离心机的转速，从而增大离心机的分离因子。 另外制造离心机的材料多用不锈钢，以增加耐腐蚀性。 4 中国石油人学( 华东) 工程硕上学位论文 1 3 目的意义 目前离心机在现场应用过程中出现了许多问题。比如当钻井液性能参数发 生变化时，由于产生的固相较多，经常使离心机发生堵塞现象。离心机一旦堵塞， 就必须花费大量的人力物力进行解堵；更为严重的是，如果离心机的过载保护装 置发生故障，就会造成控制系统和电机故障，引起不必要的经济损失。由于离心 机的工作环境一般比较恶劣，现场在用的离心机的过载保护装置往往不能起到可 靠的保护作用。本课题的提出就是为了解决现有离心机存在的上述问题。通过研 制智能控制离心机，能够根据排渣量的变化，自动改变离心机滚筒的转速和供浆 泵的排量，使得在钻井液性能参数发生变化时，确保排渣量始终处于最大状态。 在离心机发生故障时能够自动停车并报警，大大提高离心机的使用效率并降低风 险。 1 4 研究的主要内容 本课题就是针对目前离心机的实际特点，对智能控制高速离心机进行深入 研究探讨，主要包括以下内容： 智能控制高速离心机结构原理分析 智能控制高速离心机结构设计 变频器智能控制系统的研制 智能控制高速离心机的室内实验 智能控制高速离心机现场应用 5 第二章g l w 4 0 0 x1 2 0 0 型高速离心机结构设计 第二章6 l w 4 0 0 12 0 0 型高速离心机结构设计 2 1 离心机固液分离原理 钻井液用高速离心机整机由滚筒轴总成、主驱动电动机、箱体、机座、智能控制防 爆变频调速控制装置、供液泵、大小底座及辅助设施组成。主驱动电动机由液力偶合器 通过主电动机传动装置带动滚筒高速旋转，同时带动行星差速器转动；行星差速器中心 轮带动螺旋推进器旋转。滚筒与推进器转向相同，但推进器转速比滚筒转速略低，差速 器的作用是使转鼓和滚筒之间形成一定的转速差，并起到功率循环作用。由于滚筒高速 旋转，密度较大的固相颗粒在离心力的作用下贴附于滚筒内壁，通过螺旋推进器的刮板 被刮下并推到底流孔排出，经过分离的液相则由溢流孔排出，达到固液分离的目的。 高速离心机的作用主要有：在非加重水基钻井液中，采用高速离心机可以清除 2 3 a m ( 微米) 的有害固相颗粒，回收液相，并能有效的控制钻井液性能，提高钻井 速度，是打深井和水平井等特殊工艺井理想的钻井液净化化设备。在加重水基钻井液中， 采用中低、高速离心机和双层高频直线振动筛配合使用，实现保持泥浆比重，控制固相 和泥浆粘度的目的，从而解决了在加重泥浆井段中使用离心机的问题。g l w 4 0 0 1 2 0 0 - n 型全变频全自动控制高速离心机，能够自动调节主机转速，既可以作为中速离心机 使用( 1 2 0 0 转分 - - 2 0 0 0 转分) ，在处理加重钻井液时，可以只清除泥饼，少量清除重 晶石；非加重钻井液时，可以加大处理量。也可以作为高速离心机使用( 2 4 0 0 转分 3 0 0 0 转分) ，在处理加重钻井液时，可以清除2 3 历( 微米) 的有害固相颗粒，回收 液相和重晶石，并能有效的控制钻井液性能具有一机多用功能。 2 2 离心机整体结构 离心机整体由大底座、小底座、减震器、滚筒与螺旋输送器、箱体、进液管、护罩 等组成，如下图所示： 6 中国石油大学( 华东) 工程硕j ：学位论文 图1 智能控制高速离心机 l - 大底座2 - 减振器3 - 小底座4 - 滚筒与螺旋输送器s 进液管6 护罩7 箱体8 差速器9 键 2 2 1 、转鼓 转鼓部件是螺旋离心机的主要部件。转鼓的结构、形状和参数在很大程度上决定 了离心机的特点和工艺效果。螺旋离心机可以按转鼓的形状分为圆柱形、圆锥形、圆柱 一圆锥形和双锥形等类型。转鼓的参数一般包括最大内直径、总长度、锥形部分的锥角 和溢流环的直径等。 ( 一) 转鼓部件的结构 转鼓部件主要包括：转鼓简体和大小端盖。 1 转鼓简体转鼓简体的形状初期为锥形，以后出现柱一锥形。后者与锥形 转鼓相比较，柱一锥性转鼓能大大增加液池的容量，从而提高澄清效果。但是有的螺旋 沉降离心机仍然采用圆柱形转鼓，因为它适用于在脱水的同时还需按颗粒大小将物料分 类的情况。在污泥脱水离心机中出现了双锥形转鼓离心机。还出现了全圆柱形的转鼓， 但螺旋叶片的外廓形成圆柱一圆锥形的回转体，螺旋在脱水区段呈锥形，这段螺旋与圆 柱形转鼓内壁间的空隙，在操作时填满了不可更换的物料层，改善了输送物料与转鼓之 间的摩擦条件，以利物料的推送和减少筒体的磨损。但是清洗困难。石油化工用的离心 机转鼓通常用不锈钢铸造或焊接。在分离因数高又要求耐蚀的情况下，转鼓筒体用高强 度不锈钢和钛合金制造，也可采用玻璃钢制造。转鼓筒体外表面上有环状凸缘，它与外 7 第二章g l w 4 0 0 x1 2 0 0 型高速离心机结构设计 壳内隔板配合形成迷宫密封结构，以阻止分离液渗入排渣室内，这些环砖凸缘于转鼓同 时车出，以保证同轴度。 转鼓简体锥形部分的筒壁磨损较大。为了减少转鼓的磨损，在其内表面沿母线方 向塞焊若干筋条，这不仅能促使在转鼓上形成由沉渣构成的密实保护层，而且可以改善 螺旋对沉渣的输送作用，防止沉渣在转鼓圆周上打滑。 2 大小端盖 转鼓的大端盖是一个带枢轴的法兰端盖，枢轴的轴颈支承在主轴承上，法兰借螺 栓固定在转鼓筒体大端的法兰上，法兰有止1 ：3 配合，保证了与转鼓简体的同轴度。端盖 上开有溢流孔。另一带枢轴的法兰小端盖用螺栓固定于转鼓的小端上，枢轴的轴颈支承 在另一主轴承上。有的离心机的小端盖做成带弧形筋条的法兰，筋条间的开孔作为沉渣 卸出孔。这一沉渣卸出法完全杜绝了螺旋卸料端积渣过多的可能性，增加了转鼓的有效 工作长度，但该形式的端盖比平直端盖制造的要复杂一些。大小端盖内腔是螺旋送器的 轴承座，所以大小端盖的j j n - r - 要求比较高。主轴承位、螺旋轴承位和连接法兰止口要求 有较高的同轴度。 转鼓实高速回转部件，对转鼓简体、大小端盖要进行无损探伤检验，不允许有裂 纹、夹渣、气孔等缺陷，除了对强度有较高的要求之外，在；0 n - r 组装完毕之后，要进行 动平衡检验，其残余重径积应不超过有关规定。 3 液位调节装置 转鼓溢流直径的大小表示了液池的不同深度，它对分离液的澄清度和螺旋沉降 离心机的生产能力有较大影响。对一给定的螺旋沉降离心机，其液池深度应根据不同的 工艺要求加以调节。 通常的调节装置是在转鼓大端盖的溢流口设置能做径向移动并用螺钉定位的溢 流挡板。另一种形式是在圆形溢流挡板上钻有偏心孔，当旋转挡板位置时，便改变溢流 直径，从而达到调节液池深度的目的。 ( 二) 转鼓的主要参数 螺旋沉降离心机转鼓的参数一般包括最大内直径、长度、锥形部分的锥角和溢 流直径。 螺旋沉降离心机转鼓最重要的、而且具有代表性的参数是最大内直径。这一参 数通常列入离心机的型号。离心机的系列化也是以转鼓最大的内直径作为主要参数来制 定的。例如：我国生产的w l 一6 0 0 型离心机，表示离心机转鼓最大内直径是6 0 0 毫米： 8 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 西德生产的v s - 1 0 0 0 1 5 0 0 型离心机，表示离心机转鼓的最大内直径是1 0 0 0 毫米，长度 是1 5 0 0 毫米；英国生产的e t r - 1 8 4 0 型离心机，表示转鼓最大内直径为1 8 英寸，长4 0 英寸。转鼓的最大内直径和转鼓的转速决定了离心机分离因数的大小。 转鼓体的全长同最大直径的比( 称为长径比) 也是很关键的参数。对易分离的 物料，长径比为l 2 ，一般在1 5 左右；对难分离的物料，长径比为2 5 4 ，一般在3 左右：长径比超过4 时，在制造上有困难，一般不用。近年来，为了提高澄清效果和单 机产量，长径比的数值在逐年增大，例如美国夏普勒斯公司1 9 5 8 年以来，长径比从1 6 、 2 3 增加到3 9 ( 立式p - 8 5 0 型) 。该公司生产的p - 6 8 0 0 型立螺离心机长径比高达4 2 。 为什么要增加长径比? 其原因如下：( 1 ) 分离难分离悬浮液时，离心机的产量主要取决 于转鼓的圆周速度，而分离易分离的悬浮液时则主要取决于转鼓的几何尺寸；( 2 ) 难分 离的低浓度悬浮液的产量主要取决于圆周速度和转鼓的长度；( 3 ) 由于长径比大于4 时 受到制造的限制，为了增加长度绝对值，必须同时增加转鼓直径：( 4 ) 单位金属消耗量 与直径平方成正比，而与转鼓长度无关。所以，对难分离的悬浮液，最合理的是在小直 径的条件下提高长径比值，只有在最高的长径比值下仍不能保证所需的产量时，才增加 转鼓直径。 2 2 2 螺旋输送器 螺旋输送器是离心机的主要部件，它能连续地把沉渣送至排渣口排出机外。它 的结构、材料和参数不仅关系到离心机的生产能力、工作寿命，而且还关系到分离效果 的好坏。螺旋输送器的筒体与转鼓同心的装在轴承上，螺旋输送器边缘所形成的回转外 廊通常与转鼓的形状相同，即有单锥、筒锥、双锥等形式。为了输送沉降在转鼓内表面 的物料，螺旋与转鼓以相同的方向旋转，但转速不同( 一般转速差为转鼓转速的0 2 3 ) ， 此转速差是由行星差速器来实现的。 ( 一) 螺旋输送器部件的结构 螺旋输送器一般由螺旋叶片、内筒、加料隔仓、左右轴颈等构成。 1 螺旋叶片结构 螺旋叶片是直接与沉渣接触输送沉渣的部件。叶片种类很多，常用的有： 连续整体螺旋叶片是最常用的形式，制造容易。 连续带状螺旋叶片使用不多，这种结构使叶片的刚性降低，它主要用于淀粉的分离。 断开式螺旋叶片，为了使液体沿较短路程流出，在脱水区段采用了断开式螺旋叶片。 螺旋叶片由若干对螺旋错开的构件组成，采用这种螺旋时，当转鼓内有了沉降渣底层后， 9 第二章g l w 4 0 0 x1 2 0 0 型高速离心机结构设计 液体便从螺旋叶片各构件之间的空隙泄出，并沿转鼓母线流到沉降区。此时液体所通过 的路程，仅为沿螺旋状通道通过的路程的1 1 2 1 1 5 。用普通整体螺旋及断开式螺旋对 沉渣脱水过程作对比的动力学研究，得到沉渣内分离水分的动力学曲线对某些物料的分 离，可见沉渣含水量约低4 。 此外，螺旋叶片表面光洁度对沉渣的输送和功率消耗影响很大。如果叶片表面很 粗糙，使沉渣与螺旋的摩擦系数增大时，这将导致沉渣输送效率降低，甚至完全停止输 出。所以螺旋叶面表面一般都要抛光，使光洁度不低于v 6 。 2 螺旋内筒 内筒一般是焊接或者铸造而成的空心筒体，内筒的形状一般有单锥、柱锥或由 大小柱筒结合而成的形式。筒内用横隔板分隔成一个或两个以上有加料孔的加料隔仓， 以适应因液层深度改变后，沉降区长度的变化而引起加料位置的变化。这是因为过去认 为最适合的加料位置是在脱水区与沉降区的交界处。但目前认为加料位置放在转鼓柱锥 段交界处较适宜，可避免对沉渣的冲刷，分离效果反而更好。这样，不管液层深度怎么 变化，只有一个加料位置，只需一个加料隔仓，可简化内筒结构。当沉渣需要洗涤时， 内筒里还有洗涤仓。有的加料孔用可更换的套管来保护它不被磨损。有的螺旋深入到液 层下面的加料接嘴，以免因冲刷料液或使料液发泡而降低分离效果。有的在加料隔仓中 设置加速旋转装置，其作用是增加将要进入转鼓的物料的圆周速度，避免因物料的旋转 滞后而降低分离效果。若加料仓中有固渣沉积，它易与中心加料管直接摩擦，也易使螺 旋失去平衡而使机子振动加剧。为了避免这一现象，结构上要避免“死区”，可避免堆 积的新结构见资料。 3 左右轴颈 螺旋内筒的两端分别与左右轴颈连接。轴颈支承在转鼓左右端盖内腔里的轴承 上。左右轴颈与螺旋内筒的连接采用止口配合结构，以保证组合后的同轴度要求，旋枢 轴的驱动端通过花健轴与差速器的输出轴相连。花健轴的结构一般有三种型式：外花健 在减速器输出轴上；外花健在螺旋轴颈上；双头花健轴。对花健轴要进行挤压和扭矩强 度校核。 螺旋输送器是高速回转部件，它与转鼓一样在加工组装完毕后，要进行动平衡 检验，其残余重径积应不超过有关规定。 ( 二) 螺旋叶片材料 螺旋叶片材料一般与转鼓材料相同。螺旋叶片磨损以后，通常使螺旋的输渣能 l o 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 力降低，沉渣含湿量增大。特别是分离物料中的固体离子磨蚀性很大时，例如分离矿料 用螺旋离心机的螺旋叶片磨蚀很严重，所以要求叶片的材料有高的硬度和耐磨性。 1 螺旋叶片表面堆焊硬质合金 堆焊材料可以选用钴铬、钴镍合金、碳化钨等，以碳化钨耐磨性较好。图8 6 1 为堆焊硬质合金的螺旋叶片横截面。堆焊后把螺旋叶片磨至所需直径，磨削螺旋叶片的 工作面，并清理背后的非工作面，这样能延长使用寿命。这种方法的缺点是磨削困难， 叶片磨损后修复困难，维修周期长。修复时在基本金属的磨损处先焊上碳钢螺旋带，然 后再其表面堆焊硬质合金，加工完毕后作栋平衡检验。 2 可更换的耐磨扇形片 为了克服上述缺点，出现了可更换的耐磨扇形片的保护方法。耐磨片是用埋头 螺钉固定在支撑螺旋叶片上，这样螺旋的修复大大的简化了。但在离心机操作中，扇形 片断面部分的磨损可能不均匀，将导致鼓壁上不可更替的沉渣层厚度分布不均而出现不 平衡现象。 耐磨片材料可以用热处理的铬钢、锰钢、各种硬质合金片、陶瓷融合物等。陶 瓷融合物有很好的耐磨性、硬度和耐蚀性，且价廉，但是他的冲击韧性低，在动载荷大 时，可能会导致耐磨片工作边缘脱落。为了防止融合片崩落，各片的工作边缘在以一条 用硬质合金制造的窄边保护，即在钢叶片基本上先焊上硬质合金的保护工作边缘，然后 再用环氧树脂粘上硬质陶瓷片。这样成本又低，使用寿命又长。 使用以上的材料和方法都有一些缺点：在螺旋叶片上堆焊硬质合金容易出现裂 纹或断裂，而且随着堆焊层厚度的增加易失去附着性，也常因焊接时的过热，而降低硬 质合金的耐磨性和与母体金属的附着性。同时由于堆焊的耐磨表面粗糙，形状和厚度不 均匀引起局部应力升高，使耐磨性降低，影响螺旋的输送能力。而采用耐磨片时，则常 因螺栓连接部件严重磨损而使耐磨件有脱落的危险，是转子产生严重的不平衡。如将预 制耐磨片直接焊到螺旋叶片上，则由于大面积的加热导致叶片发生严重的变形，降低了 附着性，在高速回转是容易产生裂纹，修复也不方便。 耐磨螺旋叶片制造的新工艺能克服上述缺点。在转鼓锥段的螺旋叶片的顶端焊 有若干个具有耐磨表面的组合件。用自动火焰钎焊、熔融结合、炉灶铜焊或粘结等方法 把耐磨片( 如烧结碳化钨) 紧密结合到精密铸造成的瓦状件上而成为组合件。瓦状件的 材料与螺旋叶片相同。最后用电弧焊将组合件中的瓦状件焊接到螺旋叶片上。采用此法 可以成批造出精度高、寿命长、表面光滑和价廉的耐磨表面。 第二章g l w 4 0 0 1 2 0 0 型高速离心机结构设计 这种新工艺的特点是组合件能大量生产，并能用自动弧焊机牢固地把组合件固 定到螺旋叶片上去，能以比较低的制造费用提供耐磨表面。它表面光滑、厚度均匀、结 合牢固、运转安全可靠、寿命长，是离心机有较高的生产能力。 3 表面喷涂耐磨层 最近螺旋离心机的螺旋叶片表面采用了喷涂耐磨层( 如碳化钨) 的新工艺，以 提高叶片的耐磨性。喷涂的方法常用采用火焰喷涂、电弧喷涂、等离心喷涂等。近期出 现了“爆炸喷涂 新工艺。它是利用氧一乙炔混合气体点火爆炸时产生的高温( 可达 3 3 0 0 。c ) 和高温气流来加热和加速涂料粉末，爆炸产生的冲击波将加热到亚塑性状态 的涂料颗粒，以每秒约8 0 0 米的速度喷涂在金属基本体上，以形成耐磨保护层。这样形 成的涂层，结合强度高，表面硬度高( 如喷涂碳化钨和钴混合粉末时，硬度h v = 1 3 0 0 ) ， 光洁度高，加工时工件温度低( 一般在2 0 0 。c 以下) 故变形小。这种喷涂方法用于硬化 螺旋叶片表面有广阔的前途。 2 3 结构特点 g l w 4 0 0 x1 2 0 0 型智能控制高速离心机与其他类型离心机相比，具有以下特点： 长径比大、分理固相更加干燥，减少钻井液的损失。 目前国产的钻井液净化用卧螺沉降离心机的长径比一般为1 5 - - , 2 2 ，胜利油田使用 最广泛的卧螺沉降离心机长径比为1 6 ，而本机长径比为3 ，这样分离出来的细小固相更 为干燥，大大减少了钻井液的漏失，也更加有利于重晶石的回收。 差速器差速比大。 目前国产中速卧式螺旋沉降离心机差速比大部分为8 0 ：1 ，滚筒最高转速为 2 0 0 0 r p m 。而智能控制高速离心机差速比为5 9 ：l ，最高转速为3 0 0 0 r p m ，是目前国内外 这一转速下卧式螺旋沉降离心机中差速比最大的。差速比大，离心机排渣能力增大，有 利于处理固相较多的工作介质，有利于提高离心机的处理能力，并且能够保证在转速较 低的情况下，有足够的输渣能力。 全部采用滚动轴承支撑。 以前钻井液用卧式螺旋沉降离心机的输送器两端与滚筒之间采用的是滑动轴承。滑 动轴承的缺点是定位精度低、间隙大，特别是长期工作以后定子与转子之间的间隙更大。 导致不平衡度增加，高速运转时整机振动大、噪音大。而采用滚动轴承时，定位精度高， 长期运转磨损小，噪音低，工作平稳。特别是对于高速离心机来说，更应该采用滚动轴 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 承支撑，从而保证离心机长期稳定运转。 有较高的耐磨性、防腐性 本机主要用于石油钻井中的钻井液处理，钻井液中有大量的细小的固相颗粒，并具 有较强的碱性腐蚀，为此我们对输送器叶片、进浆中排渣口进行喷涂粉末冶金处理，硬 度在h r c 6 0 以上，对转鼓内表面进行镍、磷复合化学镀处理，从而使本机具有较高的 耐磨性和防腐性，而适应于钻井液分离的工况条件。 采用整体双螺旋叶片的输送器结构。 螺旋输送器是离心机重要的部件之一，螺旋叶片直接与钻井液中固相颗粒相接触。 本机螺旋输送器的叶片采用双头螺旋叶片，螺距为1 2 0 m m 。一方面制造容易，结构参 数在加工过程中容易保证，另一方面大大提高了固相输送量和输送效果。 液位调节装置。 在滚筒( 又称转鼓) 大端溢流排出口，装有液位调节板，可以通过改变液位调节板 的位置，改变液池深度，从而改变溢流半径，改变排出固相的干湿度。一般可以根据被 分理钻井液的情况进行调节。 2 4 主要技术指标： l 型号：g l w 4 0 0 1 2 0 0 型卧式、螺旋沉降、变频控制 2 转鼓内径 3 转鼓长度 4 最大处理量： 5 额定转速： 6 最小分离中点 7 主驱动电机型号 8 功率 9 供液泵功率 1 0 供液管直径 1 l 主机外形尺寸 1 2 整机重量 4 0 0 m m 1 2 0 0 m m 5 0 m 3 h 2 0 0 0 - - - - 3 0 0 0 r p m 2 - 4 1 3 m y b 2 2 5s 4 3 7 k w 7 5 k w ( 沉入式) 2 ”胶管( 5 1 r a m ) 长宽高( 3 1 7 0 1 6 1 0 1 8 9 0 ) 2 5 7 0 蚝 2 5 主要技术性能 g l w 4 0 0 1 2 0 0 型全变频全自动控制高速离心机技术性能体现在以下几个方面： 第二章g l w 4 0 0 x1 2 0 0 型高速离心机结构设计 该离心机具有处理量大，结构紧凑，使用寿命长、性能可靠等特点，是钻井液固相 控制、进行液相固相分离的理想设备。采用了变频调速智能控制和实时数据采集技术， 能够根据钻井液性能参数的变化，自动调节离心机滚筒的转速、差转速以及供浆泵的排 量，以获得最大的排渣量，并能实现故障停车报警、实时远距离显示和控制等功能。并 具有长径比大、分离因数高、差速器结构合理寿命长等特点。分离中点可以达到3i lm 以下，处理能力q = 5 0 m 3 h ，输渣能力g 3 = 7 2 0 0 k g h 。另外，底流和溢流调节方便。离 心机排出底流的干湿，通过转鼓大端的溢流调节板调节。也可以通过进液管深度实现。 1 、具有适应不同钻井液性能参数的能力，实现了智能变频调速反馈控制系统，实 现了闭环控制，整体控制系统具有防爆和自动保护功能。 能够根据钻井工艺的实际情况，对于在不同地层、不同钻进过程中采用不同钻井液 性能( 包括粘度、密度、含固相含量) 和排渣量的变化，实时数据采集离心机负载扭矩、 处理量等实际参数，通过变频器和自动控制系统实现闭环控制，能够自动改变离心机运 行参数，自动调节供浆泵的排量，使得在钻井液性能参数发生变化时，确保排渣量和离 心机的处理能力始终处于最大状态，离心机处于最佳工作状态。 2 、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 视能力，从而大大提高了离心机的使用效率并降低了风险，从而得到最佳的处理效果。 3 、从设计、制造等方面考虑，全面提高了离心机的性能，使之更加适应油田钻井 工艺的发展要求，从而提高钻井液固相控制的水平。 4 、能够与直线振动筛、中速离心机等固控设备配套，形成新型固控系统，从而大 幅度提高钻井液固相控制水平，促进钻井技术的发展，提高钻井速度，降低钻井成本。 采用直线振动筛和高、低速离心机组合的固控系统时，可以使泥浆的含砂量一直保持在 0 0 3 左右。 5 、速度调节范围大，既可以作为中速离心机用，也可以作为高速离心机使用。 6 、控制系统中具有温度实时监测性能。在控制系统中设有温度传感器，实时监测 控制系统温度，以便手动控制风机的启动与停机，使得控制系统处于良好最优工作状态。 7 、长径比大( k _ 3 ) ，分离固相更为干燥。 8 、控制系统全变频、全隔爆。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕- 1 ：学位论文 第三章离心机智能控制系统设计 3 1 离心机控制系统概述 控制系统设计是离心机设计的重要方面，直接决定了离心机现场应用的可靠性、 可操作性，要获得离心机最佳的分离性能和过载保护功能，必须配备完善的控制系统。 就石油矿场用离心机的控制系统而言，大多数采用普通的控制形式，只有启动、停机、 急停等功能，不能满足现有现场实际需要。目前采用变频控制系统的离心机较少，主要 原因有两方面：一是因为大多数钻井液离心机采用双电机驱动，主电机驱动转鼓，副电 机通过差速器驱动螺旋输送器，由于在正常作业中，主电机的转速始终高于副电机，致 使副电机长期工作在发电状态，对变频控制系统设计带来困难，传统的方法是采用能耗 严重的涡流制动，其相当于刹车系统调速方法。另外一方面变频控制器的控制是可以自 动的，也可以是手动的。但目前国内在离心机控制使用变频调速技术，大部分是在开环 状态下，即人为的根据工艺或者外界条件的变化来改变变频器的频率值，以达到调速目 的，没有实现闭环反馈、自动控制的功能。而变频器的参数设定与操作相对于井队操作 人员来说有一定困难，这也是变频调速技术未能在离心机上得到大范围推广使用的原因 之一。因此，要提高离心机的性能，综合运用变频调速技术，必须研制一种操作简单、 方便可靠、闭环反馈、自动控制的变频调速系统，使离心机能够根据钻井液性能的变化 而自动调节其运转参数，现场使用过程中不需要现场操作 3 - 2 控制系统原理 当离心机排渣较多、处理量较大、钻井液密度、粘度、固相含量较高时，离心机主 电机负载较大，则离心机主电机的电流就比较大，因而可以采用离心机主电机电流作为 控制信号进行反馈控制。简单地说就是用主电机变频器d 7 0 1 回路调节器供浆 泵电机变频器控制供液量控制离心机的处理量( 生产能力) 。实际上就是利用 主电机的工作电流( 因为主电机的工作电流实则上就反映了主电机的负载情况，主电机 的负载就反映了钻井液的密度、粘度和含沙量等情况。供液量越大、钻井液的密度、粘 度和含沙量越高，主电机的负载越高，排渣越多，主电机的工作电流越大：供液量越小、 ls 第三章离心机智能控制系统设计 钻井液的密度、粘度和含沙量越低，主电机的负载越小，排渣越少，主电机的工作电流 越小。 通过实时采集主电机工作电流( 从主电机变频器( 3 7 k w ) 取出主电机的工作电流 信号) 作为控制信号，通过( 输入) c d 7 0 1 回路调节器并与设定值相比较，根据主电机 电流值变化和比较的结果直接控制供浆泵电机的变频器，直接改变供浆泵电机的转速 ( 上升或下降) ，从而改变供浆泵的供液量，控制离心机的负载使之形成一个闭式循环， 达到控制离心机的处理量( 生产能力) 的目的。使得在供液量和钻井液性能参数( 密度、 粘度、固相含量等) 发生变化时，确保离心机始终处于最佳工作状态，从而实现恒排渣 的功能。 1 启动过程：要用