Электрооборудование нефтяной промышленности

6

Р:<л 5.13. Замкнутая схема автоматического управления электроприводом

Для пояснения принципа действия замкнутой системы рас­ смотрим электропривод по системе ТП — Д (рис. 5.13, а). Управ­ ление СИФУ тиристорного преобразователя ТП осуществля­ ется через усилитель У, на вход которого подается управляю­ щий сигнал Uy, представляющий собой разность напряжений заданной частоты вращения и тахогенератора: UY= U 3a&— U0с.

В рассматриваемой схеме обратная связь по частоте враще­ ния двигателя осуществляется с помощью тахогенератора BG, который служит датчиком фактического значения частоты вра­ щения двигателя. При этом сигнал тахогенератора Uoc (напря­ жение, снимаемое с потенциометра R) поступает на вход уси­ лителя, т. е. образуется обратная связь.

Если потенциометр тахогенератора находится в нижнем по­ ложении, иОс=0 и система управления электроприводом ра­ зомкнута. Наклон механической характеристики (рис. 5.13,6 прямая 1) в этом случае зависит от внутренних сопротивлений якоря двигателя и ТП (/?д+ # т п ).

Если переместить движок потенциометра, например, в сред­ нее положение, то на вход усилителя У поступит сигнал обрат­ ной связи. При увеличении нагрузки, например до Mi, частота вращения двигателя снизится, что приведет к уменьшению на­ пряжения t/0c- Входное напряжение усилителя Uy увеличится. При этом возрастут напряжение на выходе ТП и частота вра­ щения двигателя. При нагрузке Mi двигатель работает в точке а на механической характеристике, соответствующей напряже­ нию ТП t/ т т (прямая 2).

Если нагрузка на валу возрастет еще больше (М2), частота вращения двигателя снизится, а напряжение ТП достигнет С/тпэ и двигатель будет работать в точке б на прямой 3.

Соединив точки а и б прямой, получим механическую харак­ теристику замкнутой системы (прямая 4), наклон которой мень­ ше, чем наклон характеристики электропривода разомкнутой системы (прямая 1).

Таким образом, в замкнутых системах автоматического уп­ равления электроприводом по сравнению с разомкнутыми мож­ но увеличить жесткость механической характеристики, точность

160

поддержания частоты вращения двигателя и диапазон регули­ рования. Наклон механической характеристики в замкнутой си­

вать частоту вращения двигателя с точностью долей процента, при этом могут быть также сформированы обратные связи по моменту нагрузки и напряжению двигателя и различным тех­ нологическим параметрам.

Замкнутые системы автоматизированного электропривода применяют в электроприводе регулятора подачи долота, элект­ роприводах буровых установок.

Роль замкнутых систем автоматизированного электроприво­ да будет все более возрастать в связи с увеличением глубин бурения и степени автоматизации технологических установок нефтяной промышленности.

5.7. Унифицированные блочные системы автоматического управления электроприводами

Развитие электроники привело к дальнейшему совершенст­ вованию замкнутых систем автоматического управления и соз­ данию систем подчиненного (каскадного) регулирования.

Упрощенная схема (без регуляторов мощности и тока воз­ буждения) управления электроприводом буровой лебедки по системе подчиненного регулирования показана на рис. 5.14. В системе управления предусмотрены два контура регулирова­ ния со своими регуляторами: тока РТ и частоты вращения дви­ гателя PC. Выходное напряжение второго регулятора £/зт слу­ жит заданным значением для внутреннего контура.

Сигнал отрицательной обратной связи по току UT поступает на вход регулятора тока РТ от датчика тока ДТ, а обратной связи по скорости Uс— на вход регулятора частоты вращения

Рис. 5.14. Схема управления электроприводом по системе подчиненного регу­ лирования

PC от тахогенератора BG. Сигнал заданной скорости £/зс по­ ступает на вход регулятора скорости от сельсинного командоаппарата СК через фазочувствительный выпрямитель ФЧВ. Выходное напряжение регулятора PC ограничивается предель­ ным значением £/зтм. Поскольку U3T задается выходным значе­ нием напряжения PC, ток двигателя не может превысить мак­ симального значения / м.

В качестве контурных регуляторов используются операцион­ ные усилители (ОУ), на вход и в цепь обратной связи которых включаются резисторы и конденсаторы.

Подчиненное регулирование основывается на том, что внеш­ ний (охватывающий) контур (в нашем примере контур регули­ рования частоты вращения) вырабатывает сигнал задания U3T для внутреннего (охватываемого) контура (в нашем примере контур регулирования тока). При этом внутренний контур слу­ жит звеном внешнего контура и подчинен ему.

По сравнению с обычными замкнутыми системами управле­ ния системы подчиненного регулирования имеют следующие преимущества:

возможность построения самых разнообразных схем управ­ ления по агрегатному принципу, т. е. на основе небольшого чис­ ла стандартных элементов (ячеек, блоков и т. д.);

малая мощность управления регуляторов, применение комп­ лектных высоконадежных элементов, выпускаемых на основе современной технологии;

простота осуществления связи электропривода с бесконтакт­ ными логическими и вычислительными устройствами для управ­

теля достигается включением стабилитронов в цепь обратной связи PC);

возможность реализации оптимальных законов управления каждой регулируемой величины в отдельности и электроприво­ дом в целом;

упрощается схемотехника за счет применения однотипных ОУ, что упрощает эксплуатацию и обнаружение неисправ­ ностей;

высокая эксплуатационная надежность и простота обслужи­ вания;

значительное снижение стоимости и сокращение сроков про­

162

ектирования, монтажа и ввода в эксплуатацию электрообору­ дования.

Таким образом, унифицированная система управления элек­ троприводом включает в себя совокупность элементов для уп­ равления электроприводами различных технологических устано­

тов, построения всех элементов на основе небольшого числа модулей.

Отечественная промышленность выпускает функциональные элементы аналоговой УБСР-АИ и дискретной УБСР-Д блочных систем регуляторов.

Рассмотрим функциональные элементы, входящие в анало­ говую ветвь УБСР-АИ блочной системы регуляторов и получив­ шую применение в электроприводах технологических установок нефтяной промышленности.

Операционные усилители выполняются на базе интегральных микросхем. ОУ используются в качестве контурных регуляторов и основных элементов большинства функциональных блоков УБСР-АИ.

Датчики напряжения формируют сигналы обратной связи по напряжению на якоре двигателя.

Датчики тока служат для формирования сигнала обратной связи по току. Они работают по принципу усилителя напряже­ ния, снимаемого с шунта и пропорционального току якоря дви­ гателя.

Датчики э.д.с. Напряжение, пропорциональное э.д. с. дви­ гателя, получают косвенным методом. В большинстве случаев применяют способ вычитания падения напряжения в якорной цепи из напряжения на зажимах якоря двигателя. Этот способ реализуется с помощью датчиков напряжения, тока и ОУ.

Датчики магнитного потока. Напряжение, пропорциональное магнитному потоку, получают из напряжения, пропорциональ­ ного току возбуждения двигателя, путем его последующего не­ линейного преобразования. Характеристика нелинейного преоб­ разователя представляет собой ломаную линию, аппроксимиру­ ющую кривую намагничивания двигателя.

В качестве датчиков частоты вращения двигателя применя­ ют тахогенераторы.

Датчики положения (пути). В зависимости от характера вы­ полняемых функций применяют различные датчики положения. Так, для управления линейными и угловыми перемещениями механизмов с ограничениями конечных положений используются сельсины, фотореле, путевые выключатели и др.

Бесконтактные командеаппараты предназначены для зада­ ния скорости, ускорения, а также направления вращения дви­ гателя. Командоаппараты выполняются на базе бесконтактных сельсинов, напряжение и фаза которых зависят от угла и на­ правления поворота ротора сельсина.

Фазочувствительные выпрямители служат для преобразова­ ния переменного напряжения на выходе бесконтактного командоаппарата в пропорциональное ему постоянное напряжение, полярность которого зависит от направления перемещения ру­ коятки командоаппарата.

Задатчики интенсивности преобразуют ступенчатое напряже­ ние постоянного тока на выходе фазочувствительного выпрями­ теля в линейно изменяющееся во времени напряжение.

Вспомогательные элементы УБСР-АИ включают в себя бло­ ки ограничения (для ограничения напряжения ОУ), связи (для формирования входных цепей и цепей обратной связи ОУ, сое­ динения между ОУ), логики (для автоматических включений, отключений и переключений); множительно-делительные уст­ ройства (для умножения переменных во времени напряжений, снимаемых с датчиков; устройства сравнения (компараторы) однополярных и разнополярных напряжений постоянного тока; согласующие усилители для связи с исполнительными устройст­ вами, рассчитанными на напряжение 24 В и др.

На основе элементов УБСР-АИ отечественная промышлен­ ность выпускает комплектные устройства управления электро­ приводами.

К о н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Какой электропривод называется автоматизированным?

2.Какие электрические схемы называют принципиальными и функциональ­

ными?

3.Какие требования предъявляются к электрическим схемам?

4.Какие виды защит используются в схемах управления электродвигате­

лями?

5.Какие способы автоматизации пуска реверса и торможения двигателей вы знаете?

8.Каковы преимущества и недостатки трехфазной мостовой схемы по сравнению с трехфазной нулевой?

9.Как изменяется выпрямленное напряжение в тиристорных преобразо­ вателях?

10. Как получить реверсирование тока в тиристорных преобразователях?

11.С какой целью используются замкнутые системы автоматического уп­ равления электроприводами?

12.В чем состоит принцип подчиненного (каскадного) управления элект­ роприводами?

13.Какие ветви унифицированной блочной системы регуляторов вы зна­

ете?

14.Назовите функциональные элементы, входящие в УБСР-АИ.

164

Г л а в а 6

ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ ВО ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОНАХ

6.1.Классификация взрывоопасных смесей и зон

внефтяной промышленности

Большое число помещений, в которых размещаются техноло­ гические установки нефтяной промышленности, а также неко­ торые установки, монтируемые на открытом воздухе, могут со­ держать взрывоопасные зоны, т. е. зоны, характеризующиеся наличием горючих газов и паров, которые могут создавать с воздухом, кислородом и другими газами-окислителями взрыво­ опасные смеси. К таким помещениям и установкам относятся, например, нефтенасосные и газовые компрессорные станции, фонтанные скважины, трапы, замерные емкости, резервуарные парки, элекрообезвоживающие и обессоливающие установки.

Во взрывоопасных зонах установок должно применяться специальное взрывозащищенное электрооборудование (машины, аппараты управления) и специальные виды прокладки проводов и кабелей. Взрывозащищенным называется электрооборудова­ ние, в котором предусмотрены конструктивные меры по устра­ нению или затруднению возможности воспламенения окружаю­ щей взрывоопасной среды.

Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), взрывоопасные смеси паров легковоспламеняющихся жидкостей или горючих газов с воздухом классифицируются по категори­ ям и группам (табл. 6.1).

Таблица 6.1.

Распределение взрывоопасных смесей по категориям и группам для некоторых горючих веществ

165

Пары легковоспламеняющихся жидкостей относятся к взры­ воопасным, если температура вспышки паров этих жидкостей не превышает 61 °С, а давление паров при температуре 20 °С составляет не менее 100 кПа. Горючие газы относятся к взры­ воопасным при любых температурах окружающей среды.

Взрывоопасные смеси разбивают на категории исходя из следующего принципа. Если заполнить взрывоопасной смесью оболочку, части которой сочленяются между собой при помощи плоских фланцев, а между ними имеется зазор, и эту оболочку поместить в камеру, тоже заполненную взрывоопасной смесью, то при воспламенении смеси в оболочке пламя через фланцевые зазоры оболочки может поджечь смесь в окружающей камере. При определенном составе смеси можно подобрать такой раз­ мер безопасного экспериментального максимального зазора (БЭМЗ) в оболочке, при котором воспламенение смеси вне обо­ лочки невозможно при любой концентрации смеси в воздухе. Размер БЭМЗ зависит от состава смеси: для медленногорящих смесей он больше, чем для быстрогорящих.

В зависимости от размера БЭМЗ взрывоопасные смеси га­ зов и паров подразделяются на следующие категории:

Взрывоопасные паро- и газовоздушные смеси разбивают на группы, исходя из температуры их самовоспламенения, т. е. тем­ пературы, до которой должна быть равномерно нагрета смесь, чтобы она воспламенилась без воздействия на нее извне откры­ того пламени:

Согласно ПУЭ взрывоопасные зоны помещений и наружных установок делятся на шесть классов. Взрывоопасные зоны неф­ тяной промышленности характеризуются в основном четырьмя классами: В-I, B-Ia, В-16 и В-1г, поэтому далее рассматривают­ ся особенности электрооборудования для этих классов зон.

При определении взрывоопасных зон принимается, что взры­ воопасная зона в помещении занимает Еесь объем помещения, если объем взрывоопасной смеси превышает 5% свободного объема помещения. Взрывоопасной считается также зона в помещении в пределах до 5 м по горизонтали и вертикали от технологического аппарата, из которого возможно выделение горючих газов или паров легковоспламеняющихся жидкостей,

166

если объем взрывоопасной смеси равен или менее 5% свобод­ ного объема помещения. Помещение за пределами взрывоопас­ ной зоны считается невзрывоопасным, если нет других факторов, создающих в нем взрывоопасность.

Взоны класса В -I входят помещения, в которых взрыво­ опасные смеси могут образоваться при нормальных недлитель­ ных режимах работы, например при загрузке или разгрузке технологических аппаратов, при хранении или переливании лег­ ковоспламеняющихся жидкостей, находящихся в открытых со­ судах.

К классу В-Ia относятся помещения, в которых образование взрывоопасных смесей возможно лишь при авариях и неисправ­ ностях.

Вкласс В-16 входят те же помещения, что и в класс В-1а,

но имеющие такие особенности:

горючие газы в этих зонах обладают высоким нижним кон­ центрационным пределом воспламенения (15% и более) и рез­ ким запахом при предельно допустимых по санитарным нормам концентрациях;

образование в помещениях в аварийных случаях общей взрывоопасной концентрации по условиям технологического процесса исключается, возможна лишь местная взрывоопасная концентрация;

горючие газы и легковоспламеняющиеся жидкости имеются в помещениях в небольших количествах, не создающих общей взрывоопасной концентрации, и во время работы с ними не при­ меняется открытое пламя; если работы на этих установках вы­ полняют в вытяжных шкафах или под вытяжными зонами, эти установки относятся к невзрывоопасным.

В зону класса В-1г входят пространства у наружных устано­ вок, содержащих взрывоопасные газы, пары и легковоспламе­ няющиеся жидкости (например, газгольдеры, емкости, сливно­ наливные эстакады и т. п.), где появление взрывоопасных сме­ сей возможно только в результате аварии или неисправности. Для наружных установок взрывоопасными считаются зоны в пределах:

до 20 м по горизонтали и вертикали от места открытого слива и налива — для эстакад с открытым сливом и наливом легковоспламеняющихся жидкостей;

до 3 м по горизонтали и вертикали от взрывоопасного тех­ нологического оборудования и 5 м по вертикали и горизонтали от дыхательных и предохранительных клапанов — для осталь­ ных установок;

до 8 м по горизонтали и вертикали от резервуаров с легко­ воспламеняющимися жидкостями или горючими газами; при наличии обвалования — в пределах всей площади внутри обва­ лования.

167

Наружные открытые эстакады с трубопроводами для горю­ чих газов и легковоспламеняющихся жидкостей относятся к невзрыюопаеным, за исключением зон в пределах до 3 м по го­ ризонтали н вертикали от запорной арматуры и фланцевых со­ единений трубопроводов.

К зонам класса В-I относятся газонаполнительные станции. Помещении насосных сырой, горячей и товарной нефти, дожим­ ных насосных станций, насосных нестабильного бензина, ком­ прессорные залы газовых компрессорных, а также закрытые газораспределительные пункты и манифольдные относятся к помещениям с зонами класса В-Ia. К помещениям с зонами класса В-16 относятся кустовые насосные по закачке сточных ®ОД (после установок комплексной подготовки нефти), помеще­ ния для анализа нефтепродуктов химлабораторий, канализаци­ онные насосные для перекачки сточных вод. Устья нефтяных скважин в пределах взрывоопасной зоны, резервуарные парки сырой н товарной нефти, открытые манифольдные, буровые установки в случае возможности иефтегазопроявленнй относятся к наружным установкам с зонами класса В-1г.

Зоны производственных помещений, не содержащих пожаровдвд взрывоопасного технологического оборудования и материа- ш , но граничащих с взрывоопасными помещениями, относятся к классам,, указанным далее; размер зоны— до 5 м по горнзонтадн ш вертикали от проема двери.

Д ш н эдн нтвдедмйц ¥фвдичодю <£«здоооижиммш зовами

0№шветий1 ш да» вйфвдйвдашяяш ведашявВД1!га<юм№» Файяор**6*ш«ивашия

фФЗД&зшяея т уф &ш т взршвзавдит, грушиам ш тгешшерапщ^

ш^сошш&еш! ошщшшт дадаш шршшшалшцшпш

шшш шш мй шздеж-

ности против взрыва (знак уровня 2), взрывобезопасное элек­ трооборудование (знак уровня 1) и особовзрывобезопасное электрооборудование (знак уровня 0).

Электрооборудование повышенной надежности против взрыва — это взрывозащищенное электрооборудование, в котором взрывозащита обеспечивается только в признанном нормальном режиме работы. Взрывобезопасное электрооборудование — это взрывозащищенное электрооборудование, в котором взрывоза­ щита обеспечивается при нормальном режиме работы и при признанных вероятных повреждениях, определяемых условиями эксплуатации, кроме повреждений средств взрывозащиты. Если же во взрывозащищенном электрооборудовании по отношению к взрывобезопасному электрооборудованию приняты дополни­ тельные средства взрывозащиты, то такое электрооборудование относится к уровню «особовзрывобезопасное электрооборудо­ вание».

Взрывозащищенное электрооборудование в зависимости от области его применения подразделяется на две группы. К груп­ пе I относится рудничное электрооборудование, предназначен­ ное для подземных выработок шахт и рудников, к группе II — взрывозащищенное электрооборудование для внутренней и на­ ружной установок. Электрооборудование группы II, имеющее взрывонепроницаемую оболочку и (или) искробезопасную элек­ трическую цепь, подразделяется на три подгруппы, соответст­ вующие категориям взрывоопасных смесей:

Знак II применяется для электрооборудования, не подразде­ ляющегося на подгруппы.

Электрооборудование группы II в зависимости от значения предельной, безопасной в отношении взрыва температуры по­ верхностей подразделяется на шесть температурных классов, соответствующих группам взрывоопасных смесей (табл. 6.2).

В маркировку по взрывозащите электрооборудования в ука­ занной последовательности входят знаки: уровня взрывозащиты электрооборудования (2, 1, 0); Ех, указывающий на соответст­ вие электрооборудования стандартам на взрывозащищенное электрооборудование; вида взрывозащиты (d, р, i, q, о, s, е); группы или подгруппы электрооборудования (II, ПА, НВ, ПС); температурного класса электрооборудования (Tl, Т2, ТЗ, Т4, Т5, Тб).

В маркировку по взрывозащите могут входить дополнитель­ ные знаки и надписи в соответствии со стандартами на электро-

169