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分离加重材料时离心机的自适应控制研究

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分离加重材料时离心机的自适应控制研究

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  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,它一方面能清除非加重钻井液的固相,另一方面还能从加重钻井液中分离加重材料[1]。但离心机的工作受多个参数的影响,例如:滚筒转速和扭矩、螺旋输送器转速和扭矩、钻井液供料量、钻井液性能、钻井液稀释程度、液体中固相的含量、聚合物残留程度等。改变其中任一个参数,都将影响离心机的分离效果。此外,断电、潜在的技术故障等都将危及离心机的安全。
  一、分离加重材料时离心机分离粒度的确定
  本文给出的方案为两台离心机合用,第一台采用可调速离心机,设定好其分离粒度,用来分离加重材料,第二台用来清除有害固相[2]。
  粒度确定过程为:当直径为dc(分离粒度)的粒子被全部分离,即分离效率ET=1,大于dc尺寸的粒子所需的沉降时间小于直径为dc粒子的沉降时间tc,而小于dc尺寸的粒子所需的沉降时间大于tc。因此,从d1(加重材料中最小的粒度值)到dc间的粒子所能沉降下来的数量是按tc/tx的比例确定的,而dc到dm(加重材料中最大的粒度值)的粒子则是百分之百沉降下来。式(2)中a为分布特性系数,对应分离效率为50%时的粒度值。
   则分离总效率为:
   由表1可知,随着离心机分离粒度的减小,离心机加重材料分离率提高,但分离加重材料中无用固相的含量也随着增加,经过振动筛后,根据加重材料与岩屑比重之间的关系,同时根据硬地层33μm以下的固相颗粒为819%[3],因此综合确定出离心机的分离粒度为20μm,这时加重材料的分离效率达80%以上。
  二、分离加重材料时全自动闭环控制系统的设计
  1离心机工作系统设计出既能优化离心机工作,又能保障离心机安全运行的自动检测、控制系统.
  电动机46驱动泵44,将罐40中的钻井液经管42、流量计48、密度计50和粘度计52,输送进离心机处理。
  保护开关38a与连接器38相连。若齿轮箱超扭矩运行,保护开关38a将切断电源,停止电动机工作。
  该系统中离心机的螺旋输送器与滚筒的运转模式为:①由变频驱动器54→交流电动机24→皮带26→空心轴21→法兰轴→离心机10→滚筒旋转。②由变频驱动器56→交流电动机34→太阳轮35→行星齿轮变速箱32→法兰轴19→螺旋输送器旋转。
  2单片机检测和控制系统
  离心机工作系统采用两台变频驱动器。为了使这两台变频驱动器与供液情况相协调,以便得到满意的分离效果,故采用了单片机自动控制系统。此外,单片机还可监测离心机的其他工作参数。离心机的监测接口情况如下:
  (1)单片机60的两个输入接口分别与变频驱动器54、56相连,改变电动机24、34的工作频率,从而分别改变离心机滚筒和螺旋输送器的转速及扭矩。
  (2)保护开关38a与单片机的一个输入端口相连,可对齿轮箱32的超扭矩做出响应,以保护离心机。
  (3)单片机的一个端口与流量计48相连,测量经管42流进离心机的钻井液流量。
  (4)单片机的一个端口与密度计50相连,测量经管42流进离心机的钻井液密度。
  (5)单片机的一个端口与粘度计52相连,测量经管42流进离心机的钻井液粘度。
  (6)单片机的一个端口与阀42a相连,控制阀42a开口的大小,从而控制流入离心机的流量。
  (7)振动检测仪62安装在滚筒的外壳上,与单片机60相连,当接近或超过振动极限时,单片机将输出相关指令控制变频器54、56,以改变电动机24、34的工况,或停止电动机工作,以关掉离心机。
  (8)轴承座上各安装有一对加速度传感器(垂直、水平各一只),以检测轴的振动情况。当有特殊信号或参数出现时,即表明有潜在危险出现,单片机将发出警告或采取某些控制措施。
  3控制系统的功能
   (1)通过全自动闭环智能控制系统,离心机一直处于安全的工作运行中,以高效分离加重材料。
  (2)当离心机在正常工作状态时,针对传感器采集的钻井液粘度值,由单片机输出钻井液处理量Q及主、辅电动机转速n。
  (3)当离心机接近极限工况时(极限转速、极限扭矩、极限振动、极限电流),单片机将发出警告信号,同时发出相关指令,改变电动机工况和供料泵的供液情况,避免或延缓故障发生。
  (4)若离心机已超限工作,则单片机将停止离心机工作,以免离心机受到不必要的损坏。
  三、全自动闭环控制系统的工作原理及流程图[4]、[5]  
  (1)用单片机的管脚p12、p13、p14,分别作为流量Q、密度ρ、粘度μ(A/D转换后)的输入端;用管脚p01、p02、p03分别作为振动k、加速度a、扭矩m(A/D转换后)的输入端;用管脚p05、p26分别作为控制驱动变频器,改变主、辅电机转速的输出端;用管脚p27作为控制阀门,改变供料泵流量的输出端。
  (2)针对单片机芯片,采用C++程序语言,对不同的扭矩信号m、粘度μ、振动参数k、加速度a进行分段编程。
  (3)用钻井液密度传感器、钻井液粘度传感器、振动传感器、加速度传感器、扭矩传感器,分别测量出工作数据。
  (4)将传感器中采集的工作数据进行A/D转换,并输入到单片机中,单片机根据采集的数据,经已编制程序的判断,控制系统发出相应的输出处理指设立四个工况及相应工作参数:①正常安全停机扭矩Mmax,最大工作扭矩M1,正常空载启动最小扭矩值Mmin;②正常安全停机振动Kmax,最大工作振动K1,正常空载启动最小振动Kmin;③正常安全停机转速nmax,最大工作转速n1,正常空载启动最小转速nmin;④正常安全停机电流Imax,最大工作电流I1,正常空载启动最小电流Imin。
   1正常工作状态
  当传感器检测到离心机转速、扭矩、振动及工作电流均小于最大工作值,且大于正常启动空载最小设定值时,表明离心机保持正常工作状态。此时,根据粘度传感器反馈到单片机的值,通过单片机内已编制的程序做出相应的处理,即输出变频器的频率,改变离心机的转鼓转速,调整供料泵的处理量。
  2闭环控制状态
  当传感器检测到离心机转速、扭矩、振动或工作电流某值大于最大工作值,且小于最大停机的最小设定值时,说明离心机负载增大。此时,通过反馈信号到单片机,根据已编制的程序做出及时的反应,减少进料量。同时对粘度的测量值,控制系统给出合理的离心机转速,达到加重材料的分离与有害固相的清除。
  3停机报警状态
  只要传感器检测值,其中有一个参数达到或超过给定的最大停机参数值,控制系统便发出停机报警指令。
  结论
  本文针对加重材料分离的实质,提出一套全自动闭环控制分离方案,可随着钻井液性能参数的变化及离心机机械性能参数的变化,综合给出分离加重材料时离心机的转速与供料泵的流量值。通过这套控制系统的实施,可“实时”有效分离加重材料,节约加重材料的费用,减少矿产资源损耗,降低工人劳动强度。同时,更有效地解决环境污染问题,具有显著的经济效益和社会效益。

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