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石油变频钻机电机噪声分析及降噪方法探讨
张鹏飞1,2, 常飞3, 程一峰4, 樊勇利1,2, 田德宝1,2     
1. 宝鸡石油机械有限责任公司;
2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心;
3. 川庆钻探工程有限公司;
4. 西安宝美电气工业有限公司
摘要: 石油钻井现场变频电机的不间断运行会产生强烈的噪声,给周围居民和钻井工人带来很严重的噪声伤害。为此,介绍了变频电机噪声产生的主要原因(空气动力噪声、机械噪声和电磁噪声),对每一种噪声提出了较详细的抑制措施和控制办法。针对油田现有70DB钻机配套电机开展了有针对性的现场噪声测试和降噪措施。测试结果表明:对变频电机重新辨识优化降噪效果不明显,通过改变电机配套变频器的开关频率降噪效果明显,电机啸叫声消失,但是变频器的总体输出功率有所降低。因此,要从降低空气动力噪声和机械噪声这2个方面来抑制变频电机的噪声;根据具体情况,改变开关频率也是一个降噪的方法。
关键词: 石油变频钻机     电机     噪声分析     降噪方法    
Discussion on Noise Reduction Method of Frequency Conversion Drilling Rig Motor
Zhang Pengfei1,2, Chang Fei3, Cheng Yifeng4, Fan Yongli1,2, Tian Debao1,2     
1. CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd.;
2. National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling Equipment;
3. CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited;
4. Bomay Electric Industries Co., Ltd
Abstract: The continuous operation of the frequency conversion motor could produce strong noise, which brings serious noise damage to the surrounding residents and drilling workers.To address the issue, the main sources for the noise of the frequency conversion motor (aerodynamic noise, mechanical noise and electromagnetic noise) have been introduced, and detailed measures and control methods have been put forward for each kind of noise.For the current applied 70DB drilling rig's supporting motor, targeted on-site noise test has been conducted and noise reduction measures have been proposed.The test results show that the effect of noise reduction is obvious by changing the switching frequency of the motor inverter, instead of identification optimization of the frequency conversion motor.The motor noise whistling disappeared, but the overall output power of the inverter was reduced. Therefore, the noise reduction of the inverter motor should be achieved from reduction of aerodynamic noise and mechanical noise.According to the specific conditions, changing the switching frequency is also a noise reduction method.
Key words: frequency conversion drilling rig     motor     noise analysis     noise reduction method    

0 引言

环保已经成为当今社会发展的主题,石油HSE管理体系也对环保提出了更高的要求,噪声污染作为石油钻井现场环境污染的一个方面也越来越受到重视,噪声已经成为HSE管理体系中的一个重要指标[1-5]

在石油钻井现场,大量电机设备的不间断运行会产生强烈的噪声,给周围居民和钻井工人带来很严重的伤害。因此,开展石油钻机配套电机的噪声原因分析和采取措施降低噪声污染显得尤为重要。笔者针对油田现场变频电机的降噪措施展开测试和探讨[6-10]

1 变频电机噪声原因分析

变频电机运转产生的噪声由多种噪声同时叠加而成。不同的噪声来自不同的电机机械零部件和电气元件,按照噪声的产生原因主要分为空气动力噪声、机械噪声和电磁噪声3个方面[1-3]

1.1 空气动力噪声

空气动力噪声由变频电机风扇或辅助风机散热引起,与风扇的大小及辅助风机的功率有关。

变频电机转动时,气流通过其内部某些凸起部位使气流压力局部迅速变化并随时间急剧脉动,再加上通风气流与电机风路管道的摩擦,便形成了空气动力噪声。其主要包括3个方面:①旋转噪声。风扇高速旋转时,空气分子受到风叶周期性力的作用,产生压力脉动,从而产生旋转噪声。②涡流噪声。在变频电机旋转过程中,转子表面上的突出部分会阻挡气流通过。由于黏滞力的作用,气流分裂成一系列的小涡流,这种涡流之间的分裂使空气发生扰动,形成稀疏与压缩过程,从而产生噪声。③笛声。气流遇障碍物发生干扰时会产生单一频率的笛声,变频电机内的笛声主要由径向风道引起,随转动部件和固定部件之间气隙的减小而增强。

1.2 机械噪声

机械噪声由变频电机运转部分的摩擦、撞击不平衡以及结构共振形成。在变频电机的总体噪声中,机械噪声约占5%,主要原因有加工精度、加工工艺和装配质量等,主要来源如下:①轴承润滑不够,转动摩擦会产生机械噪声;②转轴弯曲或转子不平稳引起转子振动,同时带动机座振动产生机械噪声;③定、转子铁芯松动,定、转子间气隙不均匀导致相互摩擦而产生机械噪声;④相间绝缘纸或槽楔突出于槽口外,与转子相互摩擦也会产生机械噪声;⑤变频电机各个相关部件固定不牢,运转过程中发生振动也会产生机械噪声。

另外,电机缺相、绕组绝缘老化以及电机安装不牢固等也是机械噪声产生的原因。

1.3 电磁噪声

电磁噪声是变频电机空隙中的磁场脉动引起定子、转子和变频电机结构的振动所产生的一种低频噪声,其数值大小取决于电磁负荷与变频电机设计参数。其中中速和低速电机的噪声尤为突出,电磁噪声约占电机噪声总量的20%,主要来源有:变频电机定、转子槽的配合不当,机定、转子长度不一致,定、转子偏心或气隙过小以及变频器频率设置过低。

2 降低空气动力学噪声的措施

降低电机空气动力学噪声主要从抑制声源及消声2方面采取措施,主要如下[1-5]

(1) 合理计算确定通风量。风量对电机空气动力学噪声影响较大,过度地放大通风量比例必然带来更大的噪声。

(2) 确定合适的风扇类型及尺寸。从降低噪声的角度出发,轴流式优于离心式;离心式中又以后倾式最优,在可逆转的离心式风扇中,选用盆式风扇更有利,并且风扇要用圆角过渡。

(3) 根据空气动力学原理合理设计风路。电机的进出风口、风罩、散热片、基座、接线盒座及风扇叶片等都要严格地按照空气动力学原理设计,并确保风路通畅;障碍物表面尽量设计成流线形;避免在风路中出现容易产生振动的零件。

(4) 在电机内部加装消声器或隔声装置。将噪声通过消声器或隔声罩进行降噪处理, 并且增大转子与定子之间的气隙。

另外, 减小电机表面积、降低转子表面圆周速度和减小电机转子表面粗糙度, 也可以降低空气动力噪声。

3 降低机械噪声的措施[1-10] 3.1 降低转子机械不平衡引起的噪声

电机转子的不平衡量应尽可能减到最小,否则平衡精度就低。可以从以下几个方面开展工作。

(1) 转子各个部位引起的不平衡量不同,旋转时,为了减小离心力,需选择2个较正面,针对不平衡增加适当的配重,以获得较好的平衡效果。

(2) 转子的结构设计必须保证满足合理的对称性和同轴度,同时还应确保绕组支撑部分的同轴度及非加工面光滑平整。

(3) 每个绕组的质量应相同,浸漆均匀。

(4) 尽可能减少硅钢片不均匀引起的不平衡,组装时严格遵守工艺规程。

另外,轴料本身的平直度,提高轴、集电环、绕组和转子等的同轴度也可以有效降低转子机械不平衡引起的噪声。

3.2 降低轴承引起的噪声

电机轴承随电机转子旋转,滚珠、内外圈表面不光滑、间隙,或润滑较差均会产生噪声,可以采取以下措施降噪:①选用密封轴承,防止杂物进入;②对轴承施加适当的压力;③尽可能选用低噪声轴承。

3.3 降低共振引起的噪声

因加工工艺和安装不良等因素, 定、转子部件固有频率和转速频率接近或一致时也会因共振产生机械噪声,所以在设计、加工和制造时要熟悉各个构件的固有频率,尽量不要与转速频率一致,这样对振动噪声会有很好的削弱效果。另外,通过一些措施减小振动幅值也是有效的办法。

4 降低电磁噪声的措施 4.1 对绞车电机和钻井泵电机重新辨识优化 4.1.1 绞车噪声测试及电机优化处理后的测试

7 000 m变频钻机 (简称70DB) 绞车设备一般由2台800 kW交流变频异步电机驱动控制,对辨识前的绞车电机进行噪音测试。

对绞车A电机和绞车B电机分别进行单独测试,对上提和下放工况分别进行启停 (即启动→加速→匀速→减速→停机) 噪声测试,现场测得数据如表 1所示。

表 1 绞车电机辨识优化前噪声    dB Table 1 Noise of drawworks electric motor before identification optimization    dB
绞车A 绞车B
上提 (启-停) 下放 (启-停) 上提 (启-停) 下放 (启-停)
91.5~96.2 94.2~96.4 91.5~94.5 94.0~97.5
91.2~95.9 94.6~96.2 91.3~95.2 93.5~97.2
92.0~96.3 95.2~97.1 92.5~96.4 95.2~98.0

表 1中的噪声为在当前运行工况下测得的最小值和最大值。

分别对绞车A及绞车B进行了2次静态辨识和2次动态辨识,重复上述工况进行测试,测试数据如表 2所示。表中的噪声为在当前运行工况下测得的最小值和最大值。

表 2 绞车电机辨识优化后噪声    dB Table 2 Noise of drawworks electric motor after identification optimization    dB
绞车A 绞车B
上提 (启-停) 下放 (启-停) 上提 (启-停) 下放 (启-停)
90.0~93.9 94.1~96.5 92.2~96.3 94.2~97.5
90.3~94.2 94.5~96.8 92.6~95.9 95.1~97.3
91.2~95.4 94.8~97.5 93.5~96.2 95.9~98.1

综上所述可知,优化前数据与优化后数据基本一致,因此通过对绞车电机进行重新辨识优化不能降低电机噪声。

4.1.2 钻井泵噪声测试及电机优化处理后的测试

7 000 m变频钻机钻井泵设备一般由1台1 200 kW交流变频异步电机驱动控制,对辨识前的钻井泵电机进行噪声测试,测试结果如表 3所示。

表 3 钻井泵电机辨识优化前噪声 Table 3 Noise of drilling pump motor before identification optimization
泵冲/min-1 20 30 40 50 60
泵1噪声/dB 92.8 94.7 96.5 96.6 96.6
泵2噪声/dB 93.1 95.2 96.8 97.2 97.3

分别对钻井泵1及钻井泵2进行2次静态辨识和2次动态辨识,测试数据如表 4所示。

表 4 钻井泵电机辨识优化后噪声 Table 4 Noise of drilling pump motor after identification optimization
泵冲/min-1 20 30 40 50 60
泵1噪声/dB 93.2 95.2 96.1 97.1 97.3
泵2噪声/dB 93.5 94.9 97.0 97.6 98.1

通过分析可知,优化前数据与优化后数据基本一致,因此对钻井泵电机进行重新辨识优化不能降低电机噪声。

4.2 改变开关频率等优化措施降低噪声 4.2.1 优化绞车参数并现场测试

通过更改变频器参数和修改开关频率,重新对绞车电机进行噪声测试,具体步骤如下:

(1) 将绞车A载波频率由1.25 kHz改为2.50 kHz,绞车B电机载波频率依旧保持为1.25 kHz不变。

(2) 单独启动绞车A电机,针对上提和下放工况,分别进行启停 (即启动→加速→匀速→减速→停机) 噪声测试。

(3) 单独启动绞车B电机,针对上提和下放工况,分别进行启停 (即启动→加速→匀速→减速→停机) 噪声测试。

测得数据如表 5所示。

表 5 绞车电机更改开关频率后噪声    dB Table 5 Noise of drawwork motor after change of switch frequency    dB
绞车A 绞车B
上提 (启-停) 下放 (启-停) 上提 (启-停) 下放 (启-停)
83.2~85.3 84.1~85.2 94.8~98.1 93.8~97.5
83.4~84.5 84.2~86.1 93.8~96.2 96.1~97.8
81.8~83.7 83.4~85.5 92.7~94.5 94.3~96.9

表 5中的噪声为在当前运行工况下测得的最小值和最大值。分析表中数据可知,噪声下降了9~12 dB,降噪效果较为明显,电机啸叫声基本消除。

4.2.2 优化钻井泵参数并现场测试

将钻井泵1电机载波频率由1.25 kHz改为2.50 kHz。单独启动钻井泵1电机,进行噪声测试;单独启动钻井泵2电机,进行噪声测试。测得数据如表 6所示。

表 6 钻井泵电机更改开关频率后噪声 Table 6 Noise of drilling pump motor after change of switch frequency
泵冲/min-1 20 30 40 50 60
泵1噪声/dB 81.4 82.2 83.8 84.1 84.3
泵2噪声/dB 93.4 94.7 96.9 97.3 97.5

分析数据可知,噪声下降了12 dB以上,电机降噪效果较为明显,钻井泵电机啸叫声消除。

4.2.3 提高开关频率带来的问题和安全隐患

(1) 载波频率升高会增大开关损耗,使变频器允许的输出电流减小,变频器的总体输出功率降低,绞车钩载的最大处理能力降低,钻井泵的最大泵冲下降。

(2) 载波频率越高,高频电压通过静电感应和电磁辐射等对电子设备的干扰也越严重。尤其是当前采用PLC通信方式,容易造成通信故障和中断,带来安全隐患。

(3) 载波频率越大,变频器的损耗越大,会产生更多的热量,造成变频器发热,温度得不到很好的控制,从而使变频器的总体输出功率降低。

5 结束语

石油钻井现场变频电机的不间断运行会产生强烈的噪声,给周围居民和钻井工人带来很严重的噪声伤害。为此,笔者介绍了变频电机噪声产生的主要原因 (空气动力噪声、机械噪声和电磁噪声),对每一种噪声提出了较详细的抑制措施和控制办法。针对油田现有70DB钻机配套电机开展了有针对性的现场噪声测试和降噪措施实施。测试结果表明:对变频电机重新辨识优化降噪效果不明显,通过改变电机配套变频器的开关频率降噪效果明显,电机啸叫声消失,但是变频器的总体输出功率有所降低。因此,要从降低空气动力噪声和机械噪声这2个方面来抑制变频电机的噪声;根据具体情况,改变开关频率也是一个降噪的方法。

参考文献
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文章信息

张鹏飞, 常飞, 程一峰, 樊勇利, 田德宝
Zhang Pengfei, Chang Fei, Cheng Yifeng, Fan Yongli, Tian Debao
石油变频钻机电机噪声分析及降噪方法探讨
Discussion on Noise Reduction Method of Frequency Conversion Drilling Rig Motor
石油机械, 2017, 45(4): 40-43
China Petroleum Machinery, 2017, 45(4): 40-43.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2017.04.009

文章历史

收稿日期: 2016-11-09

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