Электрооборудование нефтяной промышленности

В 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

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

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

232

квадрату подачи снизится давление насосов. При замене втул­

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

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

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

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

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

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

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

237

Рис. 7.17. Схема управления синхронным двигателем бурового насоса

валу двигателя составляет примерно 20% от номинального мо­

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