книги / Электрооборудование нефтяной промышленности
..pdfсигнал сравнивается с сигналом задатчика 9. Разностный сиг нал поступает на фазочувствительный усилитель 8 и далее на сумматор 7.
Если бурение ведется при больших значениях удельного момента и двигатель электробура работает с нагрузкой, близ кой к номинальной, то напряжение U3 будет иметь такую фазу,, что сигнал ир будет равен нулю. В этих условиях сигнал от датчика осевой нагрузки не поступает на сумматор, и подача долота осуществляется в функции активной составляющей тока статора.
Если процесс бурения характеризуется небольшим удельным моментом, то значение активной составляющей невелико, и регулятор повысит осевую нагрузку на долото. При повышении активной составляющей тока до уровня его ограничения напря жение на выходе ограничителя 5 и, следовательно, напряжение Ua будет поддерживаться постоянным со знаком, соответствую щим подаче долота. Если осевая нагрузка достигнет установ ленного значения, на выходе фазочувствительного усилителя 8 появится сигнал Up, препятствующий дальнейшему повыше нию осевой нагрузки.
При переходе на бурение с большими значениями удельного момента, регулятор вновь начнет поддерживать заданное зна чение активной составляющей тока статора, а контур осевой нагрузки автоматически отключится.
В буровых установках, оборудованных электромагнитными порошковыми тормозами (ТЭП), последние используются при бурении в качестве пассивных регуляторов подачи долота. Тормозной момент, развиваемый ТЭП, постоянен и не зависит от частоты вращения вала, причем тормозной момент почти однозначно определяется током возбуждения тормоза и на рабочем участке характеристики связан с ним линейной зави симостью.
Если в процессе бурения установить некоторую осевую на грузку на долото и уравновесить момент от усилия на крюке тормозным моментом, то барабан лебедки будет неподвижен. Вследствие углубления долота в породу нагрузка на долото уменьшается, а момент на валу барабана увеличиваясь, ста новится больше тормозного момента, и барабан начинает вра щаться, обеспечивая плавную подачу инструмента. Если пре небречь трением труб о стенки скважины, то нагрузка на доло то всегда будет равна разности между весом инструмента и тормозным усилием ТЭП.
7.3. Электропривод буровой лебедки
Х а р а к т е р и с т и к и и м о щ н о с т ь э л е к т р о п р и в о д а . Помимо главных операций — непосредственно подъема или опускания бурильных труб — при помощи буровой лебедки
220
часто осуществляют свинчивание и развинчивание труб, их пе ренос и установку, подъем и опускание незагруженного элева тора, подачу долота на забой и пр. Так как все эти операции; требуют различной мощности и характеристик электропривода,, в новейших и проектируемых буровых установках для вспомо гательных операций применяются отдельные механизмы с ин дивидуальным электроприводом. Буровую лебедку с ее элект
роприводом используют только для |
подъема и опускания бу |
рильных труб, причем для подъема |
труб служат приводные- |
двигатели, а для торможения при |
опускании — вспомогатель |
ные тормоза или приводные двигатели. |
|
Кинематические схемы привода |
подъемного вала буровой |
лебедки можно классифицировать по числу скоростей подъе ма, числу приводных двигателей, их номинальной частоте вра щения и способу торможения. В традиционной кинематической схеме буровой лебедки предусмотрена обратная скорость (ре верс) с оперативным (при помощи шинно-пневматической муф ты) или неоперативным включением. На многих установках, отбор мощности на ротор осуществляется от коробки передач» лебедки, поэтому реверс необходим. На отечественных буровых, установках с асинхронным электроприводом предусмотрен опе ративный реверс электрическим путем. При синхронном элект роприводе такой возможности нет и реверс осуществляют ме ханическим путем. Однако наличие индивидуального электро привода ротора позволяет отказаться от электрического ре верса привода буровой лебедки.
Подъем бурильных труб состоит из отдельных циклов, чис ло которых равно числу свечей; за время одного цикла проис ходит подъем на высоту одной свечи (25—37м), затем ее от винчивают, переносят и устанавливают, после чего цикл повто ряют. Таким образом, по мере подъема вес колонны буриль ных труб дискретно уменьшается и, следовательно, уменьшает
ся момент |
статического |
сопротивления |
на |
валу приводного |
||
двигателя. |
Диапазон изменения |
момента |
статического |
сопро |
||
тивления |
определяется |
отношением веса |
максимального |
груза |
||
к весу крюка с незагруженным элеватором |
и составляет от |
|||||
14: 1 до 20: 1, причем |
больший |
диапазон |
относится к буро |
|||
вым лебедкам большей |
грузоподъемности. |
Поскольку |
время» |
работы привода лебедки при подъеме бурильных труб переме жается паузами для отвинчивания, переноса и установки труб,, а также спуска крюка с незагруженным элеватором, режим ра боты привода лебедки — повторно-кратковременный с относи тельной продолжительностью включения 25—40%.
При наличии уменьшающегося момента статического сопро тивления на валу двигателя некоторой мощности Р наиболь шая производительность лебедки (без учета времени переход ных процессов) может быть достигнута, если по мере подъема»
труб скорость подъема будет увеличиваться, т. е. будет выпол нено условие
Р = МсЮб/л = const, |
|
(7.6) |
|||
где Мс— момент на валу |
барабана лебедки; азе — частота вра |
||||
щения барабана лебедки; |
л — к. п. д. передач |
от двигателя к |
|||
барабану лебедки. |
|
|
|
|
|
Передаточные числа, число передач и диапазон регулирова |
|||||
ния частоты вращения электродвигателя |
выбираются |
обычно |
|||
таким образом, чтобы общая |
характеристика |
привода |
была |
||
близка к кривой постоянной мощности. |
(скорости подъема гру |
||||
Частоту вращения барабана |
лебедки |
за) для выполнения условия (7.6) можно изменять ступенчато при помощи многоскоростных трансмиссий, либо бесступенчато при помощи турботрансформаторов или электропривода с ши роким диапазоном регулирования частоты вращения. Возможно также уменьшение числа ступеней механической передачи до двух при наличии электропривода с ограниченным диапазоном регулирования частоты вращения.
При бесступенчатом изменении скорости подъема упрощает ся и становится дешевле лебедка, однако ее привод становится сложнее и дороже; при ступенчатом изменении повышаются сложность и стоимость лебедки, но уменьшается сложность и стоимость привода. Технико-экономические расчеты показыва ют, что чем больше глубина бурения, тем эффективнее приме нение регулируемого электропривода.
Число приводных электродвигателей зависит от многих при чин (унификация применяемых электрических машин на уста новке, удобство компоновки на ограниченной площади буровой и др.), поэтому встречаются одно-, двух-, трех- и даже четырех двигательные схемы. Появление трех- и четырехдвигательных схем объясняется стремлением к унификации применяемого на установках большой мощности электрооборудования. В отече ственной и зарубежной практике широкое применение нашел двухдвигательный привод. Такой привод обеспечивает работу с пониженной производительностью в случае выхода из строя одного из двигателей, а также позволяет отключить один из двигателей при снижении нагрузки, что дает экономию элект рической энергии. Однако два двигателя половинной мощности в 1,2 раза тяжелее и дороже, чем один двигатель большой мощности; равномерно распределить нагрузку ^ между двумя двигателями, работающими на один вал, чрезвычайно трудно; попытка внедрить при двухдвигательном приводе реле экономи ческого режима для отключения одного из двигателей при недогрузке не увенчалась успехом. В настоящее время буровые установки комплектуются регуляторами подачи долота или аварийными приводами лебедки, обеспечивающими подъем ин-
222
Рис. 7.14. Механические |
характеристики а 5 |
привода лебедки: |
|
1 — теоретическая; 2 — при |
четырехскоростной |
коробке передач и жесткой механической ха рактеристике двигателя; 3 — при четырехско ростной коробке передач и мягкой механиче ской характеристике двигателя
струмента из необсаженного участка скважины со скоростью до 100 м/ч. Это полностью исключает необходимость разделе ния мощности привода лебедки для безаварийной работы. По этому основанием для применения многодвигательного электро привода у современных буровых лебедок могут служить только конструктивные причины (необходимость транспортировки са молетом или вертолетом мелких блоков, исключение парал лельной работы генераторов переменного тока, слишком боль шая масса одного двигателя). Однако для большей части бу ровых установок с электроприводом не существует конструк тивных ограничений, исключающих однодвигательный вариант. Реализация основных преимуществ однодвигательного элект ропривода перед двухдвигательным (меньшие капитальные за траты, масса оборудования и занимаемая площадь, более вы сокий к. п. д. и отсутствие необходимости в выравнивании на грузки) обеспечивает значительный экономический эффект.
Характеристика электропривода с четырехскоростной лебед кой (рис. 7.14) имеет вид ломаной линии, ступени которой соответствуют скоростям лебедки. Если механическая харак теристика двигателя жесткая, то ступени практически парал лельны оси абсцисс; при мягкой механической характеристике скорость подъема повышается, приближаясь к скорости, соот ветствующей теоретической характеристике (Р = const).
В выпускавшихся ранее буровых установках электропривод лебедки осуществлялся асинхронными двигателями с фазным ротором. Применение асинхронных короткозамкнутых и син хронных двигателей для привода лебедок было ограничено тем, что эти двигатели не допускали высокой частоты включений, необходимой для выполнения не только главных, но и вспомо гательных операций при спуске и подъеме труб, а системы их управления не позволяли получать простыми и надежными сред-
223;
<ствами плавный разгон, реверсирование и снижение частоты вра щения привода. Применение механизмов для вспомогательных операций при спуске и подъеме инструмента значительно упро щает требования, предъявляемые к приводу лебедки (сокраще ние частоты включений, устранение необходимости в снижении частоты вращения и реверсировании двигателей). Поэтому в буровых установках для привода лебедки оказалось возмож ным использовать в сочетании с электромагнитными муфтами синхронные двигатели, работающие в режиме постоянного вра щения.
Двигатель лебедки должен обладать достаточно большим максимальным моментом для получения больших ускорений при разгоне труб на высших скоростях лебедки, а также для освобождения бурильной колонны в случае прихвата ее поро дой. Кратность максимального момента Х = 2,5-н2,8 можно счи тать достаточной.
Двигатели лебедки мощностью до 200—250 кВт целесооб разно выбирать на напряжение 380, 500 или 660 В, так как для управления цепями статора этих двигателей можно при менить контакторную аппаратуру низкого напряжения. При мощности двигателей более 250 кВт целесообразно выбирать их на напряжение 6 кВ, что позволяет устранить промежуточ ную трансформацию напряжения. В дальнейшем можно ожи дать повышения рабочего напряжения двигателей буровой установки до 10 кВ.
В результате технико-экономического сравнения вариантов электропривода буровой лебедки может оказаться, что наибо лее целесообразным является электропривод постоянного тока. Этот электропривод можно сделать безредукторным. Примене ние безредукторного привода позволяет существенно упростить конструкцию лебедки и устранить ряд звеньев (цепные переда чи, подшипники, шинно-пневматические муфты), более всего подверженных износу. Связь приводного двигателя непосредст венно с барабаном лебедки позволяет использовать двигатель и в качестве электротормоза. Электропривод постоянного тока для лебедок всех буровых установок может быть перспектив ным, если будут созданы надежные и дешевые мощные тирис торные выпрямители, предназначенные для работы в условиях бурения.
Точно определить мощность РАЛ двигателей лебедки трудно, поскольку эти двигатели при спуско-подъемных операциях ра ботают в повторно-кратковременном режиме с переменной про должительностью цикла и переменным моментом статического сопротивления на валу. Поэтому сначала по основным пара метрам буровой лебедки, пользуясь приближенными формула ми, ориентировочно определяют Рдл, а затем, выбрав двигатель и рассчитав его действительную нагрузочную диаграмму с уче
224
том выполнения вспомогательных операций, выполняют прове рочный расчет мощности методом эквивалентного тока или момента.
Наиболее простой для предварительного определения по требной мощности (в кВт) двигателя является формула
Рдл = Q"v" ° |
, |
(7.7) |
Т]пуЛ |
|
|
где QH— номинальная грузоподъемность на крюке, кН; икр.0 = |
||
= 0,4—0,5 м/с — установившаяся |
скорость подъема |
крюка с |
номинальной нагрузкой, соответствующая оптимальному значе нию мощности; т]пу — 0 , 7 0 , 8 — к. п.д. подъемной установки от вала двигателя до крюка при номинальной грузоподъемности; А,= 1,2-М,3 — коэффициент возможной перегрузки двигателей.
При двухдвигательном приводе лебедки каждый двигатель берется половинной мощности с обязательной проверкой воз можности подъема одним двигателем инструмента максималь ного веса на первой передаче лебедки.
Выбрав предварительно двигатель по известной мощности [см. формулу (7.7)] и частоте вращения, определяемой по за данной скорости подъема и передаточному числу трансмиссии, можно построить действительную нагрузочную диаграмму дви гателя и вычислить его эквивалентный момент при работе на всех передачах лебедки по формуле
М, |
2п2— |
Зп + 1 |
= k ^ /~ [ МШ2 + Мз2( |
6______ |
U-f" ^вм “Ь ОС^вр
t i + 2 М 2вм^вм |
(7.8) |
где k = \ ,\ 2 — коэффициент, учитывающий изменение скорости подъема инструмента вследствие изменения диаметра навивки каната на барабан лебедки; М\, М2 — моменты на валу двига теля при соответственно наибольшей и наименьшей нагрузках на крюке во время подъема на данной передаче лебедки; М3 —
момент на валу двигателя, создаваемый силой |
тяжести одной |
||||||
свечи; |
п — число свечей поднимаемых |
на данной |
передаче ле |
||||
бедки; |
Мвм — момент |
во |
время |
машинных |
вспомогательных |
||
операций; ti — время |
рабочего периода за цикл подъема одной |
||||||
свечи; |
tBM и tBр — времена |
машинных |
и ручных |
вспомогатель |
|||
ных операций за цикл подъема |
одной |
свечи; а = 0,5 — коэффи |
циент, учитывающий ухудшение условий охлаждения двигателя при его неподвижном состоянии.
Если буровая |
установка оборудована механизмами для вы |
|
полнения вспомогательных операций, то формула |
(7.8) упро |
|
щается и принимает вид |
|
|
М, |
ky^ AfiM2 + M32 ( 2л2 — Зп + |
(7.9) |
|
U+ atD |
|
15—234 |
|
|
225
где tB— время вспомогательных операций за цикл подъема одной свечи.
Если двигатель имеет принудительное охлаждение и вра щается все время цикла, а включение нагрузки осуществляется муфтами, то в формулах (7.8) и (7.9) коэффициент а принима ют равным 1. Эквивалентный момент должен быть меньше номинального момента двигателя, выбранного предварительно. В противоположном случае можно выбрать двигатель следую щего габарита или увеличить передаточное число трансмиссии* вновь построить нагрузочную диаграмму и повторить расчет эквивалентного момента.
Если для привода лебедки применен двигатель постоянного тока с регулированием частоты вращения изменением магнит ного потока, а также если продолжительность периодов пуска двигателя переменного тока составляет существенную часть времени цикла, двигатель следует проверять по методу экви валентного тока, который, хотя и более сложен, однако дает более точные результаты, чем метод эквивалентного момента.
Критерием для определения целесообразной мощности дви гателей лебедки могут служить также затраты на подъемные операции за цикл бурения скважины. При увеличении мощнос ти привода лебедки сокращается машинное время подъема инструмента, вследствие чего уменьшается условная годовая потребность в буровых установках для выполнения заданного объема буровых работ. Одновременно возрастают отчисления за амортизацию электрооборудования и стоимость израсходо ванной электроэнергии. Поэтому суммарные расходы на подъ ем инструмента имеют минимум при некоторой мощности дви гателя, которая и является рациональной.
Для торможения барабана лебедки при спуске инструмента в современных буровых установках применяют электромагнит ные тормоза, которые характеризуются развиваемым тормоз ным моментом и способностью рассеивать энергию торможе ния.
Максимальные установившиеся скорости спуска инструмен та отечественных буровых установок обычно соответствуют частоте вращения барабана лебедки 500 об/мин. Что касается частот вращения, соответствующих плавной безударной посад ке инструмента на ротор, то они составляют 50 об/мин. В про цессе спуска инструмента нередко возникает необходимость экстренного торможения в любой момент спуска. Путь экстрен ного торможения обычно задается н электромагнитные тормоза должны обеспечить надежное торможение на этом участке. Высокая кратность максимального момента электромагнитных тормозов при форсировке возбуждения позволяет экстренно тормозить буровую колонну до полной остановки при порошко вых тормозах и до ползучих скоростей при индукционных.
ш
Д в и г а т е л и и с т а н ц и и у п р а в л е н и я . В буровых установках БУ-75БрЭ, «Уралмаш-4Э» и «Уралмаш-40000БЭ» для привода буровой лебедки и ротора используют асинхрон ные двигатели с фазным ротором. Эти двигатели являются мо дификацией двигателей единой серии А и рассчитаны для эксплуатации в неотапливаемых помещениях с нормальной сре
дой при температуре окружающего |
воздуха ± 4 0 °С с относи |
тельной влажностью 90% при 20 °С |
(исполнение У2). |
Исполнение двигателей брызгозащищенное с влагостойкой изоляцией, горизонтальное с самовентиляцией; вал на щитовых подшипниках качения с одним свободным концом под полумуфту. Двигатели приспособлены для монтажа и транспорти ровки в полевых условиях. Обмотки статора и ротора соедине ны в звезду.
Технические данные асинхронных двигателей привода лебед ки приведены в табл. 7.5.
Комплектные устройства ШДГ-6701 и ШДГ-6702, применяе мые для управления приводными двигателями лебедки и рото ра, конструктивно выполнены в виде металлического шкафа с дверцами с четырех сторон и имеют исполнение У2. В этих устройствах применен реостатный пуск двигателей, для умень
шения числа |
контакторных ступеней — схема дроссельного пус |
||||||
ка. Устройства имеют ряд недостатков, |
поэтому |
для |
их заме- |
||||
Т а б л и ц а |
7.5 |
|
|
|
|
|
|
Техн ически е |
дан н ы е аси н хрон н ы х д ви гател ей п р и во д а лебед ок |
|
|||||
|
|
|
|
При номинальной нагрузке |
|||
|
|
Ноыи- |
Номи- |
|
сила |
|
|
Тип двигателя |
нальная |
нальное |
частота |
к. п. д.. |
|
||
мощность, |
напряже- |
тока |
|
||||
|
|
кВт |
ыие, кВ |
вращения, |
статора, |
% |
С05 ф |
|
|
|
|
об/мин |
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АКБ-114-6 |
|
320 |
0,5 |
980 |
455 |
92,5 |
0,88 |
АКБ-12-39-6 |
|
320 |
5 |
985 |
37,5 |
91,5 |
0,88 |
АКБ-13-62-8 |
|
550 |
S |
740 |
59,0 |
93,5 |
0,87 |
АКСБ-15-44-6 |
630 |
S |
985 |
75,3 |
94,7 |
0,85 |
|
|
|
|
|
Данные ротора |
|
|
|
Тип двигателя |
м |
напряже- |
момент |
Масса, кг |
|||
К----- — |
|||||||
|
|
|
ние, |
ток, А |
инерции, |
|
|
|
|
|
В |
|
кг •Ы 1 |
|
|
АКБ-114-6 |
|
2,5 |
608 |
328 |
22,5 |
2150 |
|
АКБ-12-39-6 |
|
2,3 |
560 |
350 |
40 |
|
2810 |
АКБ-13-62-8 |
|
2,5 |
870 |
350 |
107,5 |
4320 |
|
АКСБ-15-44-6 |
1,8 |
450 |
950 |
90 |
|
3700 |
а5* |
227 |
Рис. 7.15. |
С тр у к ту р н ая |
сх ем а к ом |
||
п л ектн ого |
у стр о й ства |
у п р авл ен и я |
||
асинхронны м |
д ви гател ем |
б у р овой |
||
лебедки с |
ти ри сторн ы м |
р егу л я то |
||
ром скол ьж ен и я: |
|
|
||
МЛ — двигатель |
лебедки; |
КМ1, КМ2 — |
||
высоковольтные |
контакторы; |
UZ — ти |
||
ристорный |
выпрямитель; |
VT1—VT3— |
||
шунтирующие тиристоры; |
R1—R3 — пу |
сковые резисторы; СИФУ — система
импульсно-фазового управления вы прямителем; СУШ — система управле
ния шунтирующими тиристорами
ны начат выпуск комплектных устройств ШДГ-6703, спроекти рованных в исполнениях У2 и ХЛ2.
Комплектное устройство ШДГ-6703 предназначено для уп равления асинхронными электродвигателями с фазным ротором тина АКБ мощностью 320—550 кВт н тнпа АКСБ мощностью 630 кВт в приводе буровой лебедки буровых установок БУ'ЗОООЗУ, БУ-4000ЭУ, БУ-5000 и их модификации, находя щихся в настоящее время в эксплуатации.
Асинхронный привод с новым комплектным устройством представляет собой асинхронный двигатель с фазным ротором и тиристорным преобразователем в роторной цепи двигателя. Комплектное устройство позволяет обеспечить: регулируемый пуск двигателя с плавным нарастанием момента при нагрузке в диапазоне от нуля до максимального момента и длительную работу па пониженной скорости при нагрузке равной половине поминального момента; работу двигателя в стопорном режиме с моментом равным (1,5—1„6) Мтчж в повторно-кратковремен ном режиме. Структурная схема комплектного устройства приведана на рис, 7АБ.
Основу комплектного устройства составляет трехфазный уп равляемый выпрямитель Ьжь собранный по мостовой схеме. Пи тание выпрямителя осуществляется от ротора асинхронного двигателя ММ„ нагрузкой служат пусковые резисторы Ш ь R2 и Щ.. Суммарное сопротивление пусковых резисторов выбрано из условия обеспечения стопорного момента двигателя» равного
Ш
(1,5— 1,6) Мной при полностью открытом выпрямителе. Плав ность пуска обеспечивается путем управления тиристорами вы прямителя UZ. Схема управления обеспечивает возможность регулирования управляющих импульсов и их синхронизацию с напряжением ротора.
Плавное открытие выпрямителя UZ выводит двигатель на некоторую промежуточную скорость, определяемую суммарным сопротивлением резисторов. Для дальнейшего разгона в схеме пусковых резисторов введены три шунтирующих тиристора VT1, VT2 иУТЗ, которые включаются по сигналу, соответствую щему полному открытию тиристорного выпрямителя UZ.
Переход на новое значение пускового сопротивления не да ет существенных бросков тока ротора и момента двигателя, так как управляющие импульсы вследствие действия обратной
связи по напряжению закрывают |
тиристорный выпрямитель. |
|||
Последний шунтирующий тиристор VT3 окончательно шунтиру |
||||
ет резистор и |
выводит двигатель на характеристику |
близкую |
||
к естественной. |
по окончании пуска |
резистор (R1—R3) пол |
||
Поскольку |
||||
ностью шунтирован, то в установившемся |
режиме скольжение |
|||
двигателя равно 2 вместо 7—10%. |
при |
дроссельном |
пуске. |
Таким образом, схема с тиристорным регулятором скольжения позволяет не только повысить производительность электропри вода буровой лебедки и исключить из роторной цепи двигателя силовые контакторы, но и дает существенную экономию элект роэнергии вследствие уменьшения сопротивления роторной це пи двигателя. В схеме предусмотрены обратные связи, способ ствующие получению стабильных характеристик привода, а также защиты и блокировки, обычно применяемые в приводе лебедки.
Конструктивно комплектное устройство ШДГ-6703 состоит из двух шкафов, один из которых собственно выпрямитель, дру
гой— шкаф с резисторами |
(габариты — 800X800X2200). |
Э л е к т р о п р и в о д с э л е к т р о м а г н и т н ы м и м у ф |
|
т а м и и т о р м о з а м и . В |
электроприводах механизмов, требу |
ющих плавного регулирования частоты вращения в относитель но небольшом диапазоне (1,5—2), находят применение элект ромагнитные муфты скольжения. Для расширения диапазона регулирования частоты вращения применяется система автома тического регулирования тока возбуждения муфты с обратны ми связями. Они нашли применение и в буровых установках.
В зависимости от характера связи между входным и выход ным элементами электромагнитные муфты разделяются на муфты механической связи (фрикционные), муфты электроме ханической связи (ферропорошковые) с электромагнитным уп равлением и муфты со связью через магнитное поле (муфты скольжения).
229