10.1. Двигатели буровых установок
Скоростные
характеристики дизелей:1
- В2-450;
Рис.27
Номин. мощность
330 кВт, число цилиндров 12, V
образное, масса (сухого) 1400 кг
Дизели наиболее распространены в приводе буровых установок. В последние годы заметно расширилось использование газотурбинных двигателей. Карбюраторные и паровые двигатели в современных буровых установках не применяются. Распространенность дизелей объясняется их надежностью, экономичностью и компактностью по сравнению с другими тепловыми двигателями.
Энергетические показатели дизеля оцениваются по скоростным, нагрузочным и регуляторным характеристикам, определяемым на основе стендовых испытаний. Скоростная характеристика определяется при постоянной подаче топлива и выражает зависимость крутящего момента М, мощности Ne, часового G удельного ge расхода топлива, температуры Т и коэффициента полезного действия дизеля (рис.27).
Газотурбинные двигатели в отличие от дизеля преобразуют тепловую энергию в механическую не циклически, а непрерывно. На рис.28 показана простейшая схема, поясняющая принцип действия двухвального газотурбинного двигателя, который используется в приводе буровых установок. Атмосферный воздух, проходя через ступени компрессора К, сжимается и под давлением поступает в камеру сгорания КС. В этой камере воздух смешивается с топливом, подаваемым форсунками. В результате сгорания образовавшейся смеси создается газовый поток, который поступает в турбину компрессора ТК и свободную турбину ТС.
Как видно из рис.29 двухвальный газотурбинный двигатель обладает сравнительно высоким запасом крутящего момента. Максимальный момент в 1,5-2 раза превышает момент при номинальном режиме. По сравнению с дизелем газотурбинный двигатель обладает более мягкой характеристикой. Способность его резко снижать частоту вращения при загрузке свободной турбины с последующим быстрым выходом на номинальный режим работы является положительной особенностью, благодаря которой упрощаются пусковые устройства в приводе буровой лебедки, насосов и ротора.
Схема двухвального газотурбинного двигателя |
Характеристика двухвального газотурбинного двигателя |
|
|
Рис. 28 |
Рис. 29 |
Техническая характеристика стационарного газотурбинного двигателя АИ-23Г.
Тип двигателя |
Газотурбинной со свободной силовой турбиной |
Частота вращения ротора, об/мин |
|
Турбокомпрессора |
(9000…14600)±150 |
Свободной турбины |
(8000…11000)±120 |
Топливо для двигателя |
Природный (ГОСТ 5542-78) или попутный нефтяной газ |
Масса двигателя, кг |
1290 |
Удельная масса газотурбинного двигателя составляет примерно 1,22 кг/кВт и почти в 7 раз меньше, чем дизеля, поэтому значительно уменьшаются масса и габариты привода и всей буровой установки. Возможность непосредственного соединения выводного вала газотурбинного двигателя с валом трансмиссии упрощает конструкцию и повышает к.п.д. привода. Отсутствие водяного охлаждения облегчает запуск и эксплуатацию двигателя в зимних условиях. Моторесурс газотурбинных двигателей при эксплуатации в бурении достигает 9500 ч, а расход масел почти в 10 раз меньше, чем у дизелей.
Основные недостатки газотурбинных двигателей - повышенный расход топлива и высокий уровень создаваемого шума. Удельный расход топлива примерно в 2 раза больше, чем у дизелей, поэтому буровые установки с газотурбинными двигателями экономически эффективны при наличии доступных местных ресурсов топлива.
Электродвигатели переменного и постоянного тока специальных модификаций, приспособленные для монтажа и эксплуатации при температуре окружающего воздуха ±40°С и относительной влажности 90% при 20°С.
В числе преимуществ электродвигателей при использовании их в приводе буровых установок следует отметить экономичность и надежность, способность реверсирования и преодоления кратковременных перегрузок, бесшумность работы и сохранение чистоты окружающей среды и рабочих мест. Благодаря возможности торможения электродвигателями значительно облегчаются условия работы ленточного тормоза буровой лебедки, что способствует снижению расхода тормозных колодок. Централизованное электроснабжение устраняет необходимость доставки и хранения топлива и масел и связанных с этим материальных и трудовых затрат.
Тип электродвигателя выбирают с учетом его механических характеристик. Различают естественную и искусственную механические характеристики электродвигателя. Первая соответствует номинальным условиям его питания, нормальной схеме соединений и отсутствию каких-либо добавочных сопротивлений в цепях двигателя. Искусственные характеристики получаются при изменении напряжения на зажимах двигателя, включении добавочных сопротивлений в цепи двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам.
Механические
характеристики электродвигателей
Рис.
30
На графике коэффициент жесткости определяется абсолютным значением котангенса угла наклона механической характеристики к оси абсцисс. Коэффициент жесткости на отдельных участках может быть различным. Абсолютно жесткую характеристику (кривая 1) имеют синхронные двигатели (Δп=0, α=∞). Линейная часть характеристики асинхронного двигателя (кривая 2) и характеристика двигателя пост6янного тока параллельного возбуждения (кривая 3) относятся к жесткой (α=10…40). Характеристика двигателя с большим падением частоты вращения, у которого α<10, относится к мягкой: двигатели последовательного (кривая 5) и смешанного (кривая 4) возбуждения, искусственная характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором, искусственная характеристика двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.
Таблица 9
Техническая характеристика асинхронных двигателей буровых установок
Тип двигателя |
Номинальная мощность, кВт |
Номинальное напряжение, В |
Частота вращения, об/мин |
К.П.Д. % |
|
Момент инерции ротора, кг·м2 |
Масса, кг |
АКБ-114-6 |
320 |
500 |
980 |
92,5 |
2,5 |
2,25 |
2150 |
АКБ-12-39-6 |
320 |
6000 |
985 |
91,5 |
2,3 |
4 |
2810 |
АКБ-13-62-8 |
500 |
6000 |
740 |
93,5 |
2,5 |
10,7 |
4320 |
АКЗ-15-41-8Б2 |
700 |
6000 |
750 |
93,5 |
2,6 |
- |
6150 |
АКЗ-15-41-8Б |
850 |
6000 |
750 |
94,5 |
2,7 |
- |
6800 |
АКСБ-15-44-6 |
630 |
6000 |
750 |
94,7 |
1,8 |
- |
3700 |
АКСБ-15-54-6 |
800 |
6000 |
750 |
94,9 |
1,8 |
- |
4100 |
АКСБ-15-69-6 |
1000 |
6000 |
750 |
95,3 |
1,8 |
- |
4700 |
Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в приводе лебедки, насосов и ротора. Управляют этими двигателями с помощью специальных станций, которые осуществляют плавный пуск двигателя с малым пусковым током.
Техническая характеристика асинхронных двигателей лебедки, насосов и роторов отечественных буровых установках приведены в табл.9.
Электродвигатели серии АКБ, используемые в приводе буровых лебедок, рассчитаны для работы в повторно - кратковременном режиме с числом включений не более 100-120 и числом реверсов 10-20 в 1 ч. Электродвигатели серии АКЗ - закрытого исполнения с принудительной вентиляцией или самовентиляцией - предназначены для тяжелых условий работы с частыми пусками и регулированием частоты вращения путем искусственного воздействия на их электромеханические параметры.
Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором проще и дешевле двигателей с фазным ротором, не требуют сложной пусковой аппаратуры. Привод вспомогательных машин и механизмов буровых установок преимущественно осуществляется асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором.
Синхронные электродвигатели вследствие абсолютной жесткости в приводе буровой лебедки используются с электромагнитными муфтами скольжения, обеспечивающими плавный пуск и относительно небольшое регулирование привода (БУ5000ЭУ). В приводе буровых насосов синхронные электродвигатели используются с фрикционными муфтами (Уралмаш 4Э-76, БУ3000ЭУК, БУ75БрЭ-70). Буровые установки, снабженные синхронными двигателями в приводе лебедки, имеют асинхронные двигатели в приводе насосов. И наоборот, если в приводе лебедки используются асинхронные двигатели, то в приводе насосов - синхронные. Лишь в отдельных случаях лебедка и насосы буровой установки имеют привод от синхронных двигателей (БУ2500БЭ).
Техническая характеристика синхронных электродвигателей отечественных буровых установках приведены в табл.10.
Таблица 10
Техническая характеристика синхронных двигателей буровых установок
Тип двигателя |
Номинальная мощность, кВт |
Номинальное напряжение, В |
Частота вращения, об/мин |
К.П.Д. % |
|
Масса, кг |
СДЗ-12-46-8А |
320 |
6000 |
750 |
94 |
1,8 |
3200 |
СДЗ-13-34-6 |
500 |
6000 |
1000 |
94 |
1,9 |
3570 |
СДБ-13-42-8А |
450 |
6000 |
750 |
93,9 |
1,46 |
4050 |
СДЗБ-13-42-8 |
450 |
6000 |
750 |
94 |
1,9 |
4050 |
СДБ-14-46-8 |
850 |
6000 |
750 |
94 |
2,2 |
6500 |
СДЗ-13-52-8А |
630 |
6000 |
750 |
95 |
1,44 |
5420 |
СДБО-99/49-8А |
630 |
6000 |
750 |
94,5 |
2,2 |
5600 |
Электродвигатели постоянного тока в отличие от асинхронных и синхронных обладают свойством саморегулирования и по естественным механическим характеристикам полнее отвечают требованиям, предъявляемым к основному приводу буровых установок. Вследствие плавного изменения частоты вращения в зависимости от момента, создаваемого рабочей нагрузкой, повышаются производительность и экономичность буровой лебедки, насосов и ротора.
Основные технические данные двигателей постоянного тока, используемых в отечественных буровых установках, приведены в табл.11.
Таблица 11
Техническая характеристика двигателей постоянного тока буровых установок
Тип двигателя |
Мощность (длительная), кВт |
Напряжение, В |
Частота вращения, об/мин |
П-179-9К |
1150 |
660 |
220/440 |
П-153-8К |
370 |
220 |
750/900 |
П-172-12К |
950 |
660 |
400/100 |
МПЭ-800-800 |
800 |
460 |
800/1200 |
ДПЗ-99/74-8КМ2 |
710 |
- |
200/400 |
МПП-1000-1000-МЗ |
800 |
460 |
800 |
ПС-152-5К |
320 |
- |
400/1000 |
П-125-8К |
230 |
|
750/1000 |