книги / Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов. Силовые приводы машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов

способность λп = l,7…2,2. Длительная работа с перегрузкой резко уменьшает долговечность двигателя, поэтому при длительной работе (привод вращателей, насосов) отбираемая от электродвигателей мощность не должна превышать номинальную. При работе электродвигателя в повторно-кратковременном режиме (спуско-подъемные операции) допускается его перегрузка на 30 %.

Буровые установки, работающие на поверхности, оснащают электродвигателями в закрытом исполнении, а оборудование для бурения из подземных горных выработок – электродвигателями во взрывозащищенном исполнении.

Электродвигатели постоянного тока используют в регулируемых приводах. Регулируемый привод буровых установок прежде выполняли по схеме генератор– двигатель. Ее основными недостатками являются большие стоимость, масса и габаритные размеры силового оборудования, в связи с чем эта система не имела широкого применения.

Более совершенна и экономична система регулируемого электропривода постоянного тока с управляемыми тиристорными преобразователями. Тиристорные преобразователи практически безынерционны, отличаются высоким КПД, небольшими размерами и малой удельной массой, не превышающей 1–2 кг на 1 кВт мощности двигателя. Электрическая аппаратура, выполненная на базе тиристоров, обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный и регулирование частоты вращения двигателя.

Применительно к станкам геологоразведочного бурения разработана система двухзонного регулирования электродвигателя. Регулирование частоты ниже номинальной обеспечивается за счет изменения среднего напряжения на якоре. При этом момент двигателя остается постоянным, а мощность уменьшается пропорционально частоте вращения. Увеличение частоты выше номинальной осуществляется путем изменения силы тока в обмотке возбуждения. Этот способ регулирования позволяет более экономично использовать установленную мощность, так как изменение частоты вращения обеспечивается в режиме постоянства мощности двигателя.

Двухзонное регулирование частоты вращения расширяет технологические возможности бурового станка, повышает производительность при выполнении спускоподъемных операций. Стабильность заданной частоты вращения поддерживается системой обратной связи, воздействующей на систему управления двигателем при отклонении частоты от заданной.

Двигатели постоянного тока с тиристорным управлением позволяют плавно регулировать частоту вращения от нуля до максимально допустимой для данного двигателя, что полностью отвечает требованиям технологии бурения и выполнения аварийных работ. Благодаря высокой перегрузочной способности двигателя и возможности плавного пуска исполнительного механизма существенно упрощается трансмиссия бурового станка и отпадает необходимость в главном фрикционе, являющемся одним из наименее долговечных узлов.

К недостаткам двигателей постоянного тока относятся их более высокая стоимость, большая удельная масса, усложнение электрооборудования и большие стоимость и эксплуатационные расходы, меньшая надежность по сравнению с асинхронными двигателями. Несмотря на это, тиристорный регулируемый привод постоянного тока считается одним из наиболее перспективных для станков геологоразведочного бурения по сравнению с другими системами регулируемых электроприводов (вентильный каскад асинхронного двигателя, асинхронный электропривод с частотным управлением и др.).

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) обеспечивают автономность бурового оборудования, что необходимо при проведении работ в малоосвоенных районах, где

11

связь с внешним источником энергии невозможна, или в тех случаях, когда прокладка линий энергоснабжения экономически невыгодна.

Для теплосиловых двигателей буровых установок важное значение имеет легкость запуска, особенно в зимних условиях эксплуатации, а также их приемистость. Применение двигателей с большей приемистостью сокращает время спуско-подъемных операций вследствие уменьшения времени разгона крюка. Более высокую приемистость имеют быстроходные двигатели, но их долговечность ниже, чем у двигателей средних оборотов.

В приводах бурового оборудования используют дизельные и карбюраторные двигатели. Дизельные двигатели экономичны, обладают сравнительно небольшой удельной массой, надежны и долговечны. На установках геологоразведочного бурения обычно используют тракторные дизели. Диапазон регулирования дизельных двигателей R = 1,3…1,8; перегрузочная способность λп = 1,10…1,15.

Карбюраторные двигатели, уступая по экономичности дизелям, имеют меньшую удельную массу. Их применяют в приводах легкого переносного оборудования и при работах в труднодоступных местностях, когда малая удельная масса двигателя имеет первостепенное значение. Карбюраторные двигатели автомобилей также нередко используют для привода смонтированных на них буровых установок. Для карбюраторных двигателей R = 1,4…2,0; λп = 1,1…1,4.

Несмотря на ограниченный диапазон регулирования, использование ДВС обеспечивает большую гибкость привода по сравнению с асинхронными электродвигателями, что облегчает выбор рациональных скоростей движения исполнительных механизмов.

Недостатками привода с ДВС являются сложность механических трансмиссий при наличии нескольких рабочих механизмов, невозможность непосредственного реверсирования, более высокий уровень шума, необходимость систематической доставки топлива и специального обслуживания двигателей. Существенным недостатком ДВС является их низкая перегрузочная способность. Для преодоления динамических нагрузок, возникающих при разгоне бурового инструмента, ликвидации прихватов, спуско-подъемных операциях, двигатели внутреннего сгорания должны иметь мощность в 1,8…2,2 раза большую, чем у асинхронных электродвигателей.

Величина мощности, отбираемой от ДВС, зависит от режима работы исполнительных механизмов. При работе в длительном режиме отбирают до 55–60 %, а в повторно-кратковременном – до 70–80 % номинальной мощности двигателей.

Суммарная мощность No жестко сблокированных двигателей меньше суммы их номинальных мощностей вследствие различия внешних характеристик двигателей

Nо = kzzN, (1.11)

где kz – коэффициент суммирования мощности; z – число двигателей; N – мощность каждого двигателя, кВт.

Для дизелей при z = 2 kz = 0,80…0,95; при z = 3 kz = 0,7…0,9; при z = 4 kz = 0,6…0,8.

Часть недостатков, присущих приводу с ДВС, устраняется при использовании передвижных дизель-генераторных агрегатов. Нередко такие агрегаты являются индивидуальными, так как удаленность от источника энергоснабжения ведет к снижению напряжения в сети и уменьшению крутящего момента, величина которого для асинхронных электродвигателей пропорциональна квадрату напряжения.

Привод с дизель-генераторными агрегатами имеет сравнительно низкий КПД, значительную удельную массу, более сложен в эксплуатации вследствие использования различных видов энергии. Большие масса и размеры силового оборудования затрудняют применение этого привода в удаленных и труднодоступных районах.

Пневматические двигатели лопастного, поршневого и шестеренного типов применяют в приводах оборудования для бурения скважин из подземных горных выработок, при централизованном снабжении сжатым воздухом (давление

12

0,6…0,8 МПа). Использование автономных компрессорных станций для снабжения сжатым воздухом пневмодвигателей буровых установок нерационально вследствие низкого КПД привода.

Преимуществами пневматических двигателей являются возможность плавного регулирования частоты вращения, взрывобезопасность, что позволяет использовать их в таких условиях, где есть опасность взрыва природного газа. Основной недостаток пневмодвигателей – низкий КПД.

Газотурбинные двигатели отличаются небольшой удельной массой и малыми размерами, легко запускаются при низких значениях температуры. Перегрузочная способность и диапазон их регулирования зависят от конструктивной схемы и изменяются в довольно широких пределах. Двухвальные газотурбинные двигатели имеют характеристику, близкую к характеристике двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (λп = 2,5…3,0; R = 2…3).

Недостатками этих двигателей являются более высокий, чем у дизелей, удельный расход топлива, низкий КПД при малых нагрузках, высокий уровень шума. Газотурбинные двигатели применяют в приводах установок для бурения глубоких скважин на нефть и газ.

Из приведенных выше данных следует, что требованиям, предъявляемым к приводу буровых машин, достаточно полно отвечают только двигатели постоянного тока с тиристорным управлением. Широко применяемые в приводах асинхронные электродвигатели и ДВС не обеспечивают регулирование частоты вращения и изменение крутящего момента в пределах, требуемых рабочими механизмами буровых установок. Для получения необходимого диапазона частоты вращения и крутящего момента в состав трансмиссий при использовании этих двигателей включают передачи, позволяющие приблизить характеристики привода к характеристикам исполнительных механизмов. Такими передачами являются механические, гидростатические, гидродинамические в сочетании с механическими [8].

1.4.1.Двигатели внутреннего сгорания

Внашей стране около половины всех буровых установок, используемых при бурении нефтяных и газовых скважин, имеют привод от двигателя внутреннего сгорания. Эти двигатели применяют в тех случаях, когда в районе нет достаточно мощного источника снабжения электроэнергией. В приводах буровых установок в зависимости от глубины бурения применяют групповые приводы: 2–4 ДВС различной мощности (от 430 до 785 кВт) с частотами вращения 1000–1600 об/мин. Характеристика двигателей приведена в табл. 1.1.

Применяемые в буровых установках ДВС работают на тяжелых топливах или газе. Двигатели, работающие на легких топливах (бензине или керосине), в бурении не применяются вследствие их неэкономичности. Соответствие ДВС заданным условиям работы определяется их внешней характеристикой и конструкцией.

Внешней или механической характеристикой ДВС называется изменение мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Для восстановления нарушенного равновесия между моментом сопротивления исполнительного механизма и крутящим моментом двигателя требуется воздействие специальных регуляторов на источник энергии, которые изменяют количество подаваемого горючего и воздуха.

ДВС могут работать при изменении массового соотношения количества воздуха и топлива в сравнительно небольшом диапазоне – от 15:1 (бедная смесь) до 11:1 (богатая смесь). Этим и объясняется тот факт, что крутящий момент, развиваемый этими двигателями, почти постоянен. Если подача топлива ограничена и применяется бедная смесь, то частота вращения уменьшается и двигатель не развивает полной мощности. Такую характеристику называют частичной.

13

Примечание: *V-образное; W-образное; P – линейное (рядное).

Приемистость и приспособляемость ДВС определяются конструкцией системы подвода топлива и воздуха, а также динамическим моментом инерции вращающихся частей поршневой группы. У быстроходных двигателей шатунно-поршневая группа облегчена, поэтому они имеют большую приемистость, чем тихоходные. С увеличением коэффициента собственной приспособляемости двигателя возрастает устойчивость его работы при переменных режимах нагрузки, что особенно важно для двигателей, приводящих в движение буровые лебедки.

Для подъемного комплекса рекомендуется использовать режим, при котором ДВС развивает 80 % номинальной мощности; для привода насосов при длительной работе – 60 %. Работа двигателя при максимальной частоте вращения связана с повышенным расходом топлива, при этом сокращается ресурс двигателя.

К недостаткам ДВС относится невозможность их запуска под нагрузкой. Ввиду этого надо устанавливать в трансмиссиях фрикционные муфты. Кроме того, мощность двигателя зависит от давления, температуры и влажности окружающего воздуха. Практически принимают потерю мощности на 1 % при увеличении высоты над уровнем моря на 100 м и потерю (или увеличение) мощности на 1 % при повышении (или снижении) температуры окружающей среды на каждые 6 °С.

Тепловая энергия, потребляемая одним ДВС на буровых, составляет 40–60 МДж/ч при КПД, равном 0,25–0,3 (в зависимости от конструкции и состояния двигателя), а часовой расход топлива составляет 220–300 г/кВт·ч.

Наиболее широко распространены дизели с наддувом, однако не любой их тип можно использовать в буровой установке. ДВС должен быть приспособлен к работе на переменных режимах и к длительной работе на холостом ходу.

Крутящий момент ДВС изменяется в узких пределах (~10 %), а частота вращения – в широком диапазоне (~1,3–1,8), поэтому в тяжелых буровых установках для привода лебедок применяют двигатель со средствами искусственной приспособляемости с целью трансформации как момента, так и частоты вращения. ДВС используется непосредственно в приводах насосов, тогда диапазон регулирования подачи

R nmax / nmin должен быть менее 1,5.

Характеристика ДВС по диапазону регулирования вполне соответствует требованиям, предъявляемым к приводу буровых механизмов, у которых условия работы непрерывно меняются. Поскольку ДВС нельзя запустить под нагрузкой и они не способны к большим перегрузкам при повышении нагрузок на крюке (даже при сравнительно кратковременных), бурильщик во время подъема колонны обязан

14

переходить на меньшую скорость. При этом увеличивается время подъема труб и не используется мощность установки. Механическое ступенчатое изменение значений скорости подъема вызывает значительную потерю времени на СПО. А ведь каждую очередную свечу можно было бы поднимать из скважины со скоростью, несколько большей скорости подъема предыдущей свечи.

Силовые агрегаты с ДВС

На базе ДВС в России создан ряд силовых агрегатов (табл. 1.2). Силовой агрегат САТ-4М состоит из двигателя В2-450 ТК, турботрансформатора ТТК1, радиатора, рамы, стоек и других устройств. Турботрансформатор крепится к фланцу маховика двигателя при помощи шпилек. Он предназначен для автоматического преобразования крутящего момента и частоты вращения в зависимости от нагрузки. Двигатель вместе с турботрансформатором и радиатором устанавливают на раму с обвязкой всех агрегатов трубопроводами для воды, топлива и смазки. Силовой агрегат устанавливают в собранном виде на вторую раму, которая крепится к центральному блоку основания буровой при монтаже.

Рис. 1.1. Силовой агрегат СА-10

Силовой агрегат СА-10, или АДГ-600 (рис. 1.1) предназначен для привода буровых установок, работающих в районах с умеренным климатом. Он состоит из двигателей 6ЧН 21/21 2 с радиатором 4 и выхлопной трубой 3 и других вспомогательных узлов, системы смазки и охлаждения 1, турботрансформатора ТТК-745, смонтированных на общей жесткой раме 5.

На базе четырех агрегатов СА-10 и цепного редуктора, установленных на общей жесткой раме, создан силовой привод для буровых установок БУ5000ДГУ. Силовой агрегат 1АДГ-1000 предназначен для группового и индивидуального привода буровых установок, работающих в районах умеренного («У») климата. Он состоит из двигателя 8ЧН 26/26, турботрансформатора ТТК-932, водяного и масляного радиаторов и систем обеспечения. Все это оборудование монтируется на жесткой раме и составляет агрегат.

15

Газотурбинный привод

Применение турбинных установок (ГТУ), работающих на жидком топливе, для бурения скважин неэкономично, и они не могут конкурировать с дизельным приводом. Стоимость 1 м проходки по законченным скважинам в аналогичных условиях оказалась на 20–30 % выше по сравнению с дизельным приводом. Удорожание в основном происходит за счет большего расхода жидкого топлива. Применение природного газа вместо жидкого топлива возможно в крайне ограниченных случаях.

Наряду с недостатками, к которым в первую очередь относятся высокий расход топлива и высокая стоимость турбин, ГТУ имеют и ряд преимуществ:

1. Простота устройства и меньшая трудоемкость при массовом производстве, нет возвратно-поступательного движения, а следовательно, и трения, поэтому число сложных и точных в изготовлении деталей в 2–3 раза меньше, чем в поршневых двигателях.

2.Отсутствует система охлаждения в отличие от ДВС, что позволяет осуществлять быстрый запуск при температурах до –50 °С; это очень важно для двигателей привода буровых установок.

3.Меньшие масса и габариты привода по сравнению с дизельным приводом, в связи с чем сокращается масса буровой установки, улучшаются условия ее монтажа и повышается транспортабельность [6].

Мощность турбины и расход топлива пропорциональны частоте вращения вала турбины. Расход топлива более чем в 2 раза превышает расход его для ДВС. Откуда следует, что пока нет газовых турбин, конкурентоспособных с дизельным приводом. По этим причинам производство буровых установок с газотурбинным приводом прекращено.

1.4.2.Электропривод буровых установок

Внастоящее время число буровых установок с электрическим приводом в нашей стране составляет 46–48 % от общего числа установок. Электропривод для бурения скважин на нефть и газ – самый удобный, дешевый и безопасный.

Вбуровых установках, предназначенных для работы в электрифицированных районах, в приводах сначала применяли асинхронные электродвигатели переменного трехфазного тока с фазным или короткозамкнутым ротором, а затем и синхронные. Электродвигатели постоянного тока, обладающие широким диапазоном регулирования,

16

использовали только в установках для бурения скважин глубиной более 6000 м. Питание электродвигателей постоянного тока осуществляется от дизель-генераторных станций постоянного тока. Такие станции весьма громоздки и экономически целесообразны только при бурении глубоких скважин.

Рис. 1.2. Внешняя механическая характеристика электродвигателей

Надо иметь в виду, что чем жестче характеристика двигателя, тем более сложные трансмиссии требуются для ее преобразования.

Рассмотрим механические характеристики электродвигателей. Различают три вида рабочих естественных характеристик (рис. 1.2):

–абсолютно жесткая (линия 1): частота вращения при изменении момента постоянна; такой характеристикой обладают синхронные электродвигатели;

–жесткая (кривая 2): с увеличением момента частота вращения уменьшается назначительно; такой характеристикой обладают асинхронные двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока независимого возбуждения;

–гибкая (кривая 3): при большом изменении момента значительно меняется частота вращения; такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока последовательного возбуждения.

При длительных режимах работы электродвигатели используются в пределах

номинального крутящего момента (точки А и А1); при кратковременных перегрузках двигатели могут развивать большие моменты (точка В).

Частота вращения электродвигателя и развиваемый им момент могут изменяться до определенного предела автоматически, без воздействия каких-либо внешних регуляторов. В этом случае автоматическим регулятором является противоэлектродвижущая сила самого двигателя, которая увеличивается по мере возрастания нагрузки. Такую характеристику называют естественной. Естественные характеристики электродвигателей можно изменять при помощи регулирующих устройств, на которые воздействует оператор. Такие характеристики называют искусственными.

Для асинхронных электродвигателей номинальная частота вращения и диапазон ее регулирования определяются величиной КПД, который зависит от скольжения:

где nс – синхронная частота вращения, об/мин, nс = 60 f / z; f – частота напряжения в питающей сети, для промышленных сетей f = 50 Гц; z – число пар полюсов, шт; nн – номинальная частота вращения, об/мин.

17

Для правильной эксплуатации двигателя силового привода важно знать, как будут изменяться его основные параметры, т.е. крутящий момент М, частота вращения n и мощность N, в зависимости от нагрузки и изменения напряжения и частоты тока в питающей сети. Электродвигатели, применяемые в буровых установках, работают на открытом воздухе и защищены от попадания газа, влаги, пыли и грязи, а иногда требуется взрывобезопасное исполнение.

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором улучшают только пусковые характеристики привода, но не могут работать в приводах главных исполнительных механизмов буровых установок без соответствующих средств искусственной приспособляемости в трансмиссиях.

Большой недостаток синхронных электродвигателей – невозможность работы параллельно двух двигателей на один вал, что не только снижает надежность системы, но и увеличивает динамические нагрузки в трансмиссии, так как динамический момент ротора одного двигателя намного больше момента двух двигателей такой же суммарной мощности. К недостаткам этих двигателей также относится большой динамический момент ротора, что при постоянной частоте вращения вызывает дополнительные динамические нагрузки в трансмиссии и при отсутствии амортизирующих упругих устройств в трансмиссии сильно сокращает срок ее службы. Большая сила пускового тока, требующая мощных промысловых сетей для обеспечения прямого пуска, также является недостатком синхронных двигателей.

Электродвигатели постоянного тока обладают гибкой характеристикой, обеспечивающей глубокое и плавное регулирование частоты вращения и крутящего момента, плавность разгона при пусках и торможения при остановках. Благодаря этим свойствам значительно упрощаются трансмиссии и уменьшаются динамические нагрузки в них. Недостаток этих двигателей – необходимость иметь выпрямители переменного тока при питании их от промышленных сетей или иметь на буровой генераторную станцию постоянного тока.

Частоту вращения двигателей постоянного тока регулируют изменением напряжения в якоре или силы тока возбуждения двигателя. Поскольку для изменения напряжения на зажимах якоря электродвигателя необходимо изменять силу тока возбуждения, управление двигателем постоянного тока осуществляется в цепях возбуждения, т.е. в цепях сравнительно малой мощности, что упрощает пусковую аппаратуру и повышает надежность системы.

Характеристики двигателей постоянного тока зависят от способа возбуждения. Различают три основных способа возбуждения: параллельное, последовательное и комбинированное (смешанное).

На рис. 1.3 приведена механическая характеристика электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

На рис. 1.4 показан электродвигатель постоянного тока с воздушным охлаждением вентилятором (подача воздуха 65 и 80 м3/мин, температура 40 °С). Питание двигателя осуществляется от сети переменного тока через тиристорную станцию управления, напряжение питания 750 В.

Из графика на рис. 1.5 видно, что при изменении частот вращения от 2000 до 800 об/мин в непрерывном режиме крутящий момент М изменяется от 3580 до

1432 кН·м.

При кратковременных перегрузках крутящий момент двигателя может быть в 2–3 раза больше момента при непрерывном режиме.

Мощность электродвигателя лимитируется степенью его нагрева и зависит от длительности работы под нагрузкой и остановок, поэтому один и тот же двигатель постоянного тока в приводе лебедки может нагружаться на 25 % больше, чем в приводе насосов и ротора при полном токе возбуждения. При низких значениях температуры окружающей среды периоды нагружения увеличиваются, а при высоких сокращаются.

18

Рис. 1.3. Внешняя механическая характеристика электродвигателя постоянного тока номинальной мощностью 750 кВт при n=2000 об/мин

Рис. 1.4. Электродвигатель постоянного тока для буровых установок:

1 – корпус; 2 – обмотка возбуждения; 3 – дугообразный кронштейн; 4 и 5 – медный и тефлоновый бандажи якоря; 6 – искрогаситель; 7 – коллектор; 8 – щетки; 9 – щеткодержатель; 10 – корпус вентилятора; 11 – ротор вентилятора;

12 – электродвигатель вентилятора; 13 и 14 – последовательная и шунтовая обмотки возбуждения; 15 – кожух; 16 – соединительная коробка; 17 – брызгоотражатель; 18 – втулка шкива; 19 – вал; 20 – обмотка якоря; 21 – теплоотводящий бандаж; 22 – обмотка статора; 23 – стеклотканый бандаж

19

Рис. 1.5. Схема питания электродвигателей постоянного тока от сетей переменного тока через тиристорные станции:

1 – контактор сети высокого напряжения (6 кВ); 2 – трансформатор 6 кВ/600 В; 3 – тиристорные станции управления; 4 – двигатель постоянного тока; 5 – буровые насосы; 6 – лебедка; 7 – ротор

Рис. 1.6. Групповой силовой дизельный привод буровой установки БУ2500/160 ДГУ

Схема питания электродвигателей постоянного тока от сетей переменного тока через тиристорные станции управления показана на рис. 1.6. В настоящее время опыт

20