Электрооборудование нефтяной промышленности

сигнал 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

труб скорость подъема будет увеличиваться, т. е. будет выпол­ нено условие

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

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

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

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 —

циент, учитывающий ухудшение условий охлаждения двигателя при его неподвижном состоянии.

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

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

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

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

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