книги / Электрооборудование нефтяной промышленности
..pdfВ приводе буровых установок электромагнитные муфты при меняются в качестве электротормоза буровой лебедки, для опе ративного соединения приводного вала лебедки с двигателем, сочленения двигателей (в первую очередь внутреннего сгора
ния) с групповой |
трансмиссией, в качестве пусковой муфты |
в |
|
приводе лебедки |
от постоянно вращающихся |
двигателей |
|
(синхронных или |
асинхронных с короткозамкнутым |
ротором), |
|
для оперативного |
соединения бурового насоса с приводом, |
ог |
раничения момента, передаваемого на ротор, регулирования частоты вращения ротора, регулирования подачи бурового на соса, для автоматизации подачи долота в процессе бурения.
Электромагнитные муфты в электроприводе буровой лебед ки, устраняя скачкообразное изменение момента, обеспечивают плавный и интенсивный разгон привода, значительно упроща ют систему привода и открывают широкие возможности внедре ния в электропривод лебедки синхронных и асинхронных с ко роткозамкнутым ротором двигателей. Относительная простота конструкции этих двигателей (особенно синхронных), их повы шенные надежность и энергетические показатели приведут к заметному повышению технико-экономических показателей электропривода лебедок. Электропривод лебедки с электромаг нитными муфтами позволяет значительно повысить надежность электрооборудования, улучшить условия его эксплуатации, максимально использовать установленную мощность приводных двигателей и соответственно увеличить производительность, уменьшить износ механического оборудования, а также сни зить толчки тока и, следовательно, потерю напряжения в пи тающих линиях. Последнее особенно важно для мощных при водов лебедки буровых установок тяжелого типа. Кроме того, электромагнитные муфты позволяют в наибольшей степени осу ществить унификацию буровых установок с дизельным и элект рическим приводами, относительно просто решить вопросы ав томатизации управления приводом лебедки с возможностью форсирования переходных процессов, что обеспечивает повы шение производительности подъемных операций.
В электроприводе лебедки электромагнитные муфты уста навливаются между приводными двигателями и трансмиссией. Вовремя спуско-подъемных операций приводной двигатель ра ботает в режиме постоянного вращения на естественной харак теристике.
Привод лебедки пускают включением электромагнитной муфты путем подачи тока в обмотку возбуждения. Система уп равления может быть выполнена автоматической или полуавто матической с возможностью оперативного вмешательства бу рильщика. Формирование необходимых динамических характе
ристик может быть получено регулированием тока возбужде ния.
230
Привод с электромагнитными муфтами обеспечивает непре рывный переход от натяжения талевой системы к подъему инструмента, остановку колонны бурильных труб на заданной высоте, полную загрузку приводных двигателей и равномерное распределение нагрузки между ними.
В качестве вспомогательных тормозов буровых лебедок на шли применение гидравлические и электрические тормоза. Ино гда для торможения могут быть использованы приводные дви гатели лебедки. В качестве вспомогательного тормоза буровой лебедки целесообразно применять электромагнитный тормоз.
В электромагнитных индукционных и порошковых тормозах вся энергия торможения превращается в тепло, для отвода ко торого предусмотрено водяное или реже воздушное охлажде ние. Относительно простая конструкция, отсутствие фазной об мотки, плавность торможения, удобство и легкость управления тормозным моментом делают электромагнитные тормоза наи более перспективными тормозными устройствами для буровых лебедок.
Электромагнитные тормоза обычно сочленяются с валом ба рабана лебедки с помощью шинно-пневматических муфт. Сис тема водяного охлаждения устанавливается рядом или выно сится за пределы буровой площадки. Станция управления элек тромагнитным тормозом может быть расположена в любом удобном месте на буровой установке или за ее пределами. Уп равляют тормозом с пульта бурильщика и при необходимости его можно связать с рукояткой механического тормоза.
Управление процессом торможения при спуске инструмента осуществляется изменением силы тока возбуждения электро магнитного тормоза. Система управления так же, как и в электромагнитных муфтах, может быть выполнена автоматиче ской или полуавтоматической с возможностью оперативного вмешательства бурильщика.
Основное преимущество электромагнитных тормозов заклю чается в возможности плавного регулирования в широких пре делах тормозного момента, а также в относительной простоте
илегкости автоматизации процесса торможения.
Вбуровых установках «Уралмаш-125Э», «Уралмаш-160Э», БУ-80БрЭ, БУ-2500БрЭ электропривод лебедки осуществляется от синхронных электродвигателей с электромагнитными муф тами. Примером буровой установки с электромагнитной муф
той и тормозом может быть буровая установка БУ-2500БрЭ. В этой установке привод буровой лебедки осуществляется син
хронным двигателем типа СДЗБ-42-8 (450 |
кВт, 6 |
кВ, |
|
750 об/мин). Синхронные двигатели для |
привода |
буровой |
ле |
бедки аналогичны двигателям привода буровых |
насосов. |
Их |
|
описание и технические характеристики |
приведены далее. Вал |
||
этого двигателя сочленен с трансмиссией, |
от которой движение |
231
передается к ротору посредством электромагнитной муфты скольжения типа ЭМС-750 (либо ИЭМ-800). Токи возбуждения синхронного двигателя и электромагнитной муфты скольжения регулируются автоматически с помощью раздельных регулято ров.
7.4. Электропривод буровых насосов
Х а р а к т е р и с т и к и и м о щ н о с т ь . Буровой насос слу жит для создания циркуляции промывочной жидкости, очища ющей забой и передающей энергию турбине при турбинном способе бурения. В бурении в основном применяют поршневые насосы со сменными цилиндровыми втулками, позволяющие в определенных пределах изменять подачу насоса при постоян ном числе ходов поршней в минуту. При неизменных глубине бурения, конструкции скважины и бурильной колонны и каче стве бурового раствора момент на приводном валу бурового насоса связан параболической зависимостью с частотой враще ния этого вала. Постоянная параболы зависит от конструктив ных данных насоса, диаметра применяемой втулки, параметров бурового инструмента, конструкции скважины и качества про качиваемой жидкости.
В начале_бу^е_1щя_скважины^давление, создаваемое _насосом, невелико. Однако по мере углубления скважины вследствшГувеличения гидравлического сопротивления труб увеличива ется сдавление на выходе насоса, которое ограничено проч ностью деталей насоса. Поэтому, начиная с определенной глу бины скважины, подачу насоса приходится ограничивать^ Оп тимальный режим работы насосной установки характеризуется постоянством развиваемой насосами мощности, равной номи нальной pQ = const.
Приблизиться' к режиму постоянства мощности можно дву мя способами. При нерегулируемом приводе — путем примене ния цилиндровых втулок разного диаметра. Этот режим рабо ты характеризуется зависимостью подачи Q насоса от давле ния р на выходе и диаметра втулки D (рис. 7.16).
Точки 2, 4, 6, 8, 10 на графике определяют предельное дав ление, допустимое из условия прочности деталей насоса при различных диаметрах втулок, и соответствуют наиболее пол ному использованию мощности привода.
Предположим, что бурение начинают в точке 1 при давле нии на нагнетательном патрубке р<ръ втулкой диаметром D5. Продолжать работу с втулкой диаметром D5 выше точки 2 нельзя, так как давление поднимается выше ps (что недопусти
мо) |
и, кроме того будет перегружен привод. Поэтому |
в точке |
2 необходимо заменить втулку диаметром Ds втулкой |
диамет |
|
ром |
£)4. Тогда уменьшится подача насоса и пропорционально |
232
квадрату подачи снизится давление насосов. При замене втул
ки в точке 2 давление снизится скачком до давления, |
соответ |
|
ствующего точке 3. |
|
по |
Если продолжать бурение с втулкой диаметром D4, то |
||
мере углубления скважины давление в точке 4 достигнет |
р4, |
|
т. е. предельной величины, при которой необходимо |
заменить |
|
втулку диаметром Z)4 втулкой диаметром D3 и т. д. |
Следова |
тельно, в случае нерегулируемого привода насосов и периодиче ской замены втулок процесс будет протекать по отрезкам вер тикальных прямых 1—2, 3—4, 5—6, 7—8 и 9—10. Увеличивая
число типоразмеров втулок, |
можно только приблизиться к кри |
вой pQ = const, но мощность |
привода будет использована не |
полностью. |
постоянства мощности при регули |
Приблизиться к режиму |
руемом приводе можно путем использованиям начале бурения втулки малого диаметра при частоте вращения приводного ва- 'да больше номинальной, а затем по мере повышения давления путем снижения частоты вращения привода сохранить равенст во pQ = const. Однако увеличение частоты вращения приводного вала насоса не всегда приводит к увеличению его подачи, так как при этом уменьшается коэффициент подачи насоса. Прак тически невозможно обеспечить работу насосной установки в режиме постоянной мощности, изменяя угловую скорость при вода в широком диапазоне без принятия специальных мер. Для получения наибольшей гидравлической мощности потока нужно всегда стремиться прокачивать через трубы максималь ное количество жидкости, которое позволяет номинальная мощ-
233
Йость приводных д&игателей и механическая прочность насоса. Усилие, действующее на шток бурового насоса, прямо про порционально произведению давления на площадь сечения втулки. Давление на выходе насосов повышается по мере уг лубления скважины и увеличения количества прокачиваемой жидкости. Поэтому, чтобы не превысить при заданном диамет ре втулки допустимого усилия на шток, нужно работать с постоянным давлением, равным предельно допустимому. Так как усилие на шток определяет значение необходимого враща ющего момента для привода насоса, регулировать подачу на
сосной установки следует при постоянном моменте.
Режим работы регулируемого привода буровых насосов с постоянным моментом на валу можно проследить по графику
на рне. 7Л6. Как в первом случае |
предположим, |
что бурение |
|
началось в точке / при давлении |
на выходе |
насоса р, диамет |
|
ре В% н номинальной скорости привода. По |
мере |
углубления |
скважины давление повышается и достигает в точке 2 значения Продолжать работу с втулкой диаметром Ds и номиналь ной скоростью привода нельзя, так как при этом давление под
нимается выше р$. |
|
приводе |
по |
Как указывалось ранее, при нерегулируемом |
|||
достижении давления |
(точка 2) производили замену втулок. |
||
При регулируемом же приводе менять втулку в |
точке 2 |
нет |
необходимости, так как с этого момента привод по мере уг лубления скважины начинает работать с постепенно уменьша ющейся частотой вращения при номинальном моменте на валу. Вследствие этого подача насоса будет уменьшаться, а давле ние останется неизменным, равным допустимому для данной втулки. Такой режим продолжается до точки З'. Дальнейшее
снижение частоты вращения двигателя, т. е. подачи |
насосов, |
||
нерационально, и в точке 3* целесообразно заменить |
втулку |
||
диаметром |
втулкой диаметром D«. |
можно увеличить угловую |
|
Установив втулку диаметром |
скорость привода до номинальной. По мере углубления сква жины давление будет повышаться и в точке 4 достигнет зна чения р*, которое для втулки диаметром В * является предель ным. В точке 4 привод работает с номинальной скоростью, од нако по мере углубления скважины угловую скорость привода уменьшают до достижения точки У, после чего втулку заменя ют.. В дальнейшем пропесс повторяется. Следовательно, подача насоса и давление при регулируемом приводе изменяются шо трафику 1—Я—Т —4-—$*— —¥ —Ш. Таким образом, мощность установки используется полнее, чем в нерегулируе мом.
Более полное использование мощности насосов при регули руемом приводе практически выражается в том, что при том же максимальном допустимом давлении в натпегательпой сис
Ш
теме подача насосов в большинстве рейсов может быть выше, чем при нерегулируемом приводе. Благодаря этому при всех видах бурения улучшается очистка забоя, что ведет непосред ственно к увеличению механической скорости бурения, а также создается возможность дальнейшего увеличения скорости бу рения вследствие применения более высокой нагрузки на до лото. Одновременно увеличивается проходка на долото, по скольку уменьшается степень повторного разрушения породы. В результате увеличения проходки на долото сокращается вре мя спуско-подъема и ряда вспомогательных и подготовительно заключительных операций. При турбинном бурении, кроме то го, механическая скорость растет вследствие увеличения час тоты вращения долота и средней мощности, подводимой к до лоту.
Регулирование подачи насоса необходимо в осложненных условиях бурения, а также при восстановлении циркуляции. Таким образом, для бурового насоса было бы целесообразно применить регулируемый электропривод, причем регулирование необходимо производить при постоянном моменте, определяе мом допустимым усилием на шток насоса или допустимым давлением в гидравлической системе буровой установки.
Поскольку достаточно простой, надежный и экономичный, мощный регулируемый электропривод переменного тока отсут ствует, для буровых насосов в большинстве случаев применя ют нерегулируемый электропривод переменного тока. В качест ве приводных двигателей используют синхронные двигатели, являющиеся одновременно источниками реактивной энергии. Подачу насосов изменяют сменой цилиндровых втулок, а уменьшают подачи на время восстановления циркуляции — от крыванием задвижки на сливе из насоса.
В случае применения для привода насоса асинхронного двигателя с фазным ротором возможно регулирование его час тоты вращения вниз от номинальной. Так как отношение диа метров соседних типоразмеров втулок составляет 0,85—0,9, ме жду двумя заменами втулок целесообразно регулировать часто ту вращения приводного двигателя насоса на 20—30% вниз от номинальной. Такое регулирование частоты вращения может быть получено при помощи резистора в цепи ротора асинхрон ного двигателя, однако в этом случае регулирование сопровож дается существенными потерями энергии.
Действительно, при регулировании угловой скорости приво да механизма, у которого момент сопротивления прямо про порционален квадрату угловой скорости, мощность, забираемая из сети
(7.10)
235
а мощность на валу двигателя |
|
|
(О |
а |
(7.11) |
Р 2 — Мном |
О), |
|
(йноы |
|
|
где Мном — номинальный момент |
двигателя; со, соНом |
и й)0 — |
угловые скорости: вала двигателя (текущая, номинальная) и вращающегося магнитного поля.
Пренебрегая потерями в цепи статора двигателя, получаем, что потери в цепи ротора
|
ДЯ2эл — Р \ — Р 2 |
= М ном |
(— |
] (©о — (й) • |
||
|
|
|
|
\Ином / |
(7.12) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Максимум |
потерь имеет |
место |
при |
а> = 2/з<»о и составляет |
||
Примерно 15% |
от номинальной мощности двигателя. Поэтому в |
|||||
новых |
буровых установках |
предусмотрено |
регулирование по |
|||
дачи |
насосов |
путем регулирования частоты |
вращения асинх |
ронного двигателя по схеме асинхронного вентильного каскада (ем. рис. 7.4). Каскад состоит из асинхронного двигателя с фазным ротором МН, трехфазного выпрямительного моста, пре образующего энергию скольжения двигателя в энергию посто янного тока, и источника э. д. с., в качестве которого использу ется тиристорный инвертор, соединенный через трансформатор TV2 (нлн TV3) с сетью. Мощность скольжения [см. формулу (7.12)] не теряется в цепи ротора, а возвращается в сеть. Рас смотренная схема позволяет снижать скорость МН на 50% от номинальной.
В буровых установках глубокого бурения подача насоса регулируется в широких пределах при помощи привода посто янного тока по системе тиристорный преобразователь — двига тель (см. рне. 7.5, 7.6).
Мощность приводного двигателя насоса может быть опре делена по формуле
|
|
р __ фпфтРО |
|
|
|
(7.13) |
|
|
Т|иЧпн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
— коэффициент |
подачи; |
QT — максимальная |
теоретиче |
||
ская подача, рассчитанная по диаметрам |
цилиндра |
и штока, |
||||
ходу поршня н числу |
ходов поршня 1 с, |
в м3/с; |
р — полное |
|||
давление нагнетания |
при максимальной |
производительности, |
||||
Па; |
а — коэффициент, учитывающий возможность |
длительной |
||||
перегрузки насоса; цн — полный |
к. п. д. |
насоса; |
rjnH— к. п. д. |
|||
передачи между двигателем и насосом. |
|
|
|
Значение полного давления нагнетания определяется в со ответствии с формулами из курса бурения; значения коэффи циентов: fm =0,9; цн=0,8; ц„н=0,96; а=1,05-ь1,1.
Поскольку режим работы насоса продолжительный, двига тель насоса выбирают таким образом, чтобы его номинальная мощность была несколько больше или равна мощности, вычис ленной по формуле (7.13). Номинальное напряжение обмоток двигателя должно быть равно напряжению питающей сети (6 или 10 кВ). Номинальная частота вращения двигателя опреде ляется кинематикой насоса и клиноременной передачи. Для су ществующих поршневых насосов она составляет 750 об/мин.
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 серийных электрифицированных буровых установках для привода насо сов применяются синхронные двигатели (табл. 7.6), рассчитан
ные для эксплуатации в неотапливаемых помещениях |
с нор |
|
мальной средой при температуре окружающего воздуха |
± 4 0 °С |
|
и относительной влажностью 90% при 20 °С |
(исполнение У2). |
|
Исполнение двигателей — брызгозащищенное |
с влагостойкой |
изоляцией, горизонтальное, с самовентиляцией; вал на щитовых подшипниках со свободным концом под шкив для клиноремен ной передачи. На верху корпуса двигателя смонтирован воз будитель, связанный клиноременной передачей с валом двига теля. Номинальное напряжение двигателей 6 кВ, номинальная частота вращения 750 об/мин.
Обмотка статора двигателя соединена в звезду, ротор с явновыраженными полюсами, пусковая обмотка в виде латунных стержней, расположенных в башмаках полюсов. Двигатель снабжен грелкой для обогрева обмотки при перерывах в ра боте в зимнее время.
Принципиальная схема управления синхронным двигателем насоса буровой установки «Уралмаш-4000 БЭ» показана на рис. 7.17. Поскольку условия пуска двигателя бурового насоса сравнительно легкие (момент статического сопротивления на
Т а б л и ц а 7.6 Технические данные синхронных двигателей привода насосов
Тип двигателя
СДЗ-12-46-8А СДБ-13-42-8А СДЗБ-13-42-8 СДЗ-13-52-8А СДБО-99/49-8А СДБО-99/42-8
к |
При номиналь |
||
о |
ной нагрузке |
||
В |
силатока статора,А |
|
|
Номинальная пость,кВт |
X |
и |
|
|
|
Б |
е- |
|
|
|
сл |
|
|
|
О |
320 |
36,7 |
94 |
0,9 |
450 |
46,2 |
93 |
1 |
450 |
51,5 |
94 |
0,9 |
630 |
63,5 |
95 |
1 |
630 |
71 |
94,5 |
0,9 |
500 |
57 |
94 |
0,9 |
] Кратность по отноше нию к номинальному
пускового тока |
начального пускового момента |
входного момента |
максималь ного мо мента |
Масса, кг |
®г |
1,3 |
1,2 |
1,8 |
3200 |
5,5 |
||||
6 |
1,8 |
0 ,6 |
1,46 |
4050 |
5,4 |
1,8 |
0 ,6 |
1,9 |
4050 |
6 |
1,8 |
0 ,6 |
1,44 |
5420 |
6 ,8 |
1,8 |
0 ,6 |
2,2 |
5600 |
6 |
1,7 |
0 ,6 |
2 |
4500 |
237
|
К трансформатору |
|
|
~ 6000 В |
напряжения 6000/WOb |
~ 220 В |
|
Й ячейке J f 2 |
|||
|
Таблицы |
зам ы кани я |
контакт ов |
||
|
SA 7 |
|
|
S A 2 |
J f |
Лево О |
Право |
J f |
Лево 0 Право |
конт. |
кант. |
|||
1 -1 |
|
X |
1 -1 |
X |
2 - Z |
X |
X |
2 - 2 |
X |
3 - 3 |
|
X |
|
|
Рис. 7.17. Схема управления синхронным двигателем бурового насоса
валу двигателя составляет примерно 20% от номинального мо
мента двигателя, время |
разгона — 3—4 с, мощность |
сетей, |
как |
|
правило, достаточная), |
в схеме предусмотрен его |
прямой |
пуск |
|
с наглухо подключенным возбудителем. |
|
|
|
|
Управление пуском и остановкой двигателя МН |
насоса — |
|||
дистанционное посредством переключателя SA1 |
со |
станции |
управления ПГА 7002-01А1, установленной в насосном блоке; отключение возможно также и с пульта бурильщика переклю чателем SA2. Поворот рукоятки SA1 в правое положение вызы вает (при наличии напряжения 6 кВ, контролируемого реле KV1, и замкнутой цепи катушки реле KV2) включение реле КТ и контактора КМ2. Контактор КМ2 замыкает цепь обмотки возбуждения LG возбудителя G на его якорь и включает свою катушку на самопитание, а реле КТ замыкает цепь катушки контактора высокого напряжения КМ1. Этот контактор своими главными контактами подает питание на обмотку статора двигаеля МН, а блок-контактом включает свою катушку на само питание. Начинается асинхронный пуск синхронного двигате ля МН\ напряжение возбудителя G по мере разгона двигателя
238
нарастает и, следовательно, нарастает его ток возбуждения; при достижении подсинхронной частоты вращения ротор дви гателя под действием входного момента втягивается в синхро низм. Ток возбуждения двигателя регулируется реостатом RP, установленным на пульте.
Для повышения устойчивости двигателя насоса при сниже ниях напряжения предусмотрено форсирование возбуждения двигателя. Контроль за напряжением осуществляется с помо щью реле KV3, которое при снижении напряжения на 15% и более отпускает якорь и закрывает свой контакт в цепи катуш ки контактора форсирования КМЗ. Последний своим замыка ющим контактом закорачивает часть реостата RP: напряжение возбудителя поднимается, возрастает ток в обмотке возбужде ния LMH двигателя, а следовательно, увеличивается и его максимальный момент.
Форсирование возбуждения синхронных двигателей целесо образно еще и потому, что оно способствует повышению устой чивости всей энергосистемы, так как при аварийных режимах перевозбужденные синхронные двигатели, работая как генера торы реактивной мощности, стремятся поддерживать напряже ние в сети. После восстановления напряжения сети до номи нального значения реле KV3 вновь включается и форсировка автоматически снимается.
Для остановки двигателя необходимо повернуть рукоятку SA1 в левое положение или рукоятку 5Л2влюбое положение. Это приводит к одновременному разрыву цепей катушек контактора КМ2 и реле КТ. Контактор КМ2 разрывает цепь обмотки возбуж дения возбудителя LG, обеспечивая гашение поля двигателя МН. Реле КТ с выдержкой времени около 1,5 с разрывает цепь катуш ки контактора КМ1 и отключает обмотку статора двигателя МН от сети.
Такая последовательность операции при отключении двига теля снижает перенапряжения в обмотке статора и на кон тактах контактора КМ1 при его отключении.
Защита двигателя от перегрузок и от асинхронного режима осуществляется при помощи реле КА1 и КА2, которые с вы держкой времени открывают свои контакты в цепи катушки ре ле KV2, отключающего контактор КМ1. Реле KV1 (его катуш ка на схеме не показана) своим размыкающим контактом KV1 осуществляет блокировку, при помощи которой цепь уп равления двигателем МН отключается, если отсутствует напря жение 6 кВ цепи питания двигателя.
Для контроля за работой привода насоса в схеме предус мотрены приборы измерения напряжения и силы тока в цепях статора и обмотки возбуждения (вольтметры PV1 и PV2, ам перметры РА1 и РА2). Чтобы исключить перемагничивание
239