Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности

для эксплуатационного и разведочного бурения глубоких и сверхглубоких нефтяных и газовых скважин;

для передвижных и полупередвижных наземных установок (глубина бурения 2000—3500 м);

для всех видов бурения во внешних и внутренних водоемах (морские и озерные баржи, плавучие основания, платформы и пр.);

для бурения на пересеченной местности и в густонаселенных районах.

AS

привода переменно-постоянного тока

101

На американских буровых установках с глубиной бурения 4000 м и более доля электропривода к концу 1975 г. превысила 40 %, а в бурении на море — 82 %. Большая часть таких уста­ новок имеет дизель-электрический привод постоянного тока. Электродвигатели постоянного тока привода основных механиз­ мов питаются обычно от генераторов постоянного тока. В» многих режимах работы буровой установки действуют одновре­ менно несколько главных механизмов, поэтому необходимо на­ личие нескольких генераторов (обычно четыре — шесть) и сило­ вой коммутационной аппаратуры.

На отечественных буровых установках применение регули­ руемого электропривода (дизель-электрического) основных ме­ ханизмов до настоящего времени было весьма ограниченным. В 1960—1963 гг. были построены и прошли испытания экспери­ ментальные дизель-электрические установки «Уралмаш-11ДЭ». С 1965 г. используют дизель-электрические установки «Урал- маш-ЗООДЭ». В этих установках электропривод всех основных механизмов выполнен по системе генератор — двигатель по­ стоянного тока.

Энергетический блок установки «Уралмаш-ЗООДЭ» -содер­ жит три дизель-электрических агрегата постоянного тока, со­ стоящих из дизеля 5Д-100, главного генератора 1350 кВт и вспомогательного генератора 300 кВт. Главный генератор пред­ назначен для питания трех приводных двигателей буровых на­ сосов по 950 кВт или двух приводных двигателей буровой ле­ бедки по 1150 кВт. Вспомогательный генератор питает привод­ ной двигатель ротора 370 кВт во время роторного бурения или буровой лебедки во время вспомогательных операций. В энер­ гетическом блоке также установлены три дизель-электрических: агрегата переменного тока (два мощностью по 400 кВт и один мощностью 100 кВт) для питания электродвигателей вспомога­ тельных механизмов. При спуске бурильных или обсадных труб применено динамическое торможение приводных двигателей: буровой лебедки.

На плавучих буровых установках, буровых суднах и полупо-

генераторы переменного тока Г1—Г5, работающие на общиесекционированные главные шины ГШ 6 кВ. Генераторы Г1—ЛГ имеют тиристорные возбудители ВГ1—ВГ5. Вспомогательные генераторы Гб и Г7, вращаемые дизелями Д6 и Д7, питают шины 0,4 кВ переменного тока, которые через трансформаторы связаны с шинами 6 кВ. Большое число выключателей обеспе­ чивает возможность присоединения любого из генераторов-, к любой системе шин.

Электродвигатели буровой лебедки ДЛ1 и ДЛ2, буровых и- цементировочных насосов ДН1—ДН4 и ДЦН1, ДЦН2 и ротора ДР получают питание от реверсивных и нереверсивных тири­ сторных преобразователей. Таким образом, привод основных:

1021

механизмов буровой установки осуществляется на постоянном токе. Двигатели гребных винтов ДВ1—ДВ4 и винтов динамиче­ ского позиционирования корабля ДВ5—ДВ9 — асинхронные с короткозамкнутым ротором. Пуск этих мощных асинхронных двигателей производят поочередно, присоединяя их к пусковым шинам ПШ, д которым на время пуска подключают один из главных генераторов. Такая схема пуска позволяет избежать влияния пусковых токов на работу остальной системы привода.

Наличие двигателей постоянного и переменного тока при­ мерно одинаковой установленной мощности, но работающих не одновременно, позволяет при такой системе привода умень­ шить установленную мощность генераторов переменного тока.

Управление главными электроприводами осуществляется в цепях управления тиристорных преобразователей; релейно­ контакторная аппаратура используется только для подготовки схемы к работе и обеспечения требуемых защит и блокировок.

10. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ МОРСКИХ

БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Скважины на море бурят с морских эстакад, с установок с самоподъемными опорами, с полупогружных платформ, с за­ топляемых оснований, а также с буровых судов, ведущих бурение на плаву. В случае бурения с морских эстакад при­ меняются серийные буровые установки с электроприводом. Электроснабжение таких установок осуществляется кабель­ ными линиями 35 и 6 кВ, проложенными по эстакадам, а комп­ лект электрооборудования такой же, как и для установок бу­ рения на суше.

При бурении с индивидуальных морских оснований приме­ няют буровые установки с автономным приводом (чаще всего дизельным). Электродвигатели привода вспомогательных меха­ низмов получают питание от дизель-генераторов напряжением 0,4 кВ, расположенных на основании.

Плавучие и полупогружные буровые установки (платформы, баржи, суда), как правило, снабжаются дизель-электрическим приводом переменно-постоянного тока. В зависимости от усло­ вий— глубины бурения и глубины моря — число силовых агре­ гатов, их мощность, число и мощность приводных электродви­ гателей основных и вспомогательных механизмов могут быть различными. Однако техническое решение, согласно которому для привода основных механизмов применяют двигатели по­ стоянного тока, а для привода вспомогательных механизмов — асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, является неизменным как в плавучих буровых установках типа «Бакы»

тока в постоянный вместо коллекторных генераторов постоян­ ного тока повышает надежность привода. Следует учитывать

103

еще ряд преимуществ системы привода переменно-постоянного тока. Свобода в выборе числа и мощности первичных двигате­ лей позволяет унифицировать преобразовательные агрегаты для установок разного назначения и использовать первичные двигатели лучших моделей. Создается возможность полностью унифицировать конструкцию установок, предназначенных для питания от автономных электростанций и от электрических се­ тей при переводе буровых установок с одного вида электро­ снабжения на другой, что очень важно при освоении новых районов бурения.

Буровые установки с самоподъемными опорами — наиболее распространенный вид передвижных буровых установок для бу­ рения во внешних и внутренних водоемах. Для перемещения опор используются приводные узлы с асинхронными короткозамкнутыми двигателями 18,5 кВт, 1740 об/мин фланцевого ис­ полнения. Двигатель рассчитан на работу при повышенной влажности с высоким содержанием солей в атмосфере. Для обогрева в двигатель встроены нагревательные элементы. Элек­ тродвигатель комплектуется электромагнитным дисковым тор­ мозом.

Управление электроприводами перемещения опор осущест­ вляется с центрального пульта. Группы приводов каждой опоры питаются от отдельного фидера.

Электромашинная передача переменно-постоянного тока с тиристорными преобразователями и двигателями постоянного тока для привода основных механизмов впервые в отечествен­ ной практике применена на морской плавучей буровой уста­ новке самоподъемного типа ПБУ-6000/60. Источником питания буровой является дизель-электростанция с четырьмя синхрон­ ными генераторами мощностью по 1000 кВт каждый, работаю­ щими на общие сборные шины напряжением 380 В. Для повы­ шения качества напряжения на сборных шинах переменного тока к ним подключены конденсаторные батареи. (

Электродвигатели постоянного тока питаются от неревер­ сивных тиристорных преобразователей.) Путем переключений на главном распределительном щите к каждому тиристорному преобразователю можно подключать разные электродвигатели основных механизмов. Для обеспечения всех технологических режимов работы буровой установки предусмотрены четыре ти­ ристорных преобразователя, из которых при работе двух дви­ гателей лебедки используются два. Возможность оперативного переключения преобразователей на схему резервного питания обусловливает надежное электроснабжение привода буровой

лебедки.

Принятая система обеспечивает, кроме того, электроснабже­ ние всего электрооборудования переменного тока, присоединяе­ мого к единым сборным шинам переменного напряжения 380 В. Это позволяет выравнивать нагрузку дизелей при повторно­ кратковременном режиме работы буровой лебедки, включать

104

в работу необходимое число дизель-генераторов в зависимости от потребляемой мощности при подъеме бурильной колонны и тем самым обеспечивать самый оптимальный режим эксплуа­ тации дизелей. Все это выгодно отличает систему электрома­ шинкой передачи переменно-постоянного тока от системы гене­ ратор— двигатель постоянного тока.

В приводе подъемной лебедки установлены два электродви­ гателя постоянного тока мощностью по 630 кВт каждый. С уче­ том повторно-кратковременного режима работы лебедки при подъеме коэффициент перегрузки по току в установившемся

одно- и двухдвигательный вариант его работы. Система уп­ равления электроприводом лебедки (рис. 42), построенная по принципу подчиненного регулирования на базе элементов УБСР, предусматривает двухзонное регулирование скорости электродвигателей.

Частота вращения электродвигателей регулируется измене­ нием напряжения раздельно в цепи якоря и цепи возбуждения. Напряжение на якоре при номинальном потоке возбуждения меняют с помощью двухконтурной системы подчиненного регу­ лирования с регуляторами тока РТ и напряжения PH для каждого двигателя. Система регулирования в цепи возбужде­ ния, общая для обоих двигателей, включает в себя контуры токов возбуждения и якоря с использованием регуляторов РТВ и РТЯ. Она поддерживает постоянный ток в якоре при номи­ нальном напряжении на двигателе, благодаря чему полнее ис­ пользуется мощность привода в режиме подъема бурильной колонны как при одновременном действии двух двигателей, так и при включении какого-либо одного из них. Специфика ра­ боты этой схемы заключается в том, что в процессе подъема бурильной колонны и с переходом от однодвигательного вари­ анта к двухдвигательному существенно изменяется электроме­ ханическая постоянная времени привода. Экспериментально ус­ тановлено, что в процессе подъема колонн различного веса электропривод обеспечивает работу буровой лебедки, причем однодвигательный и двухдвигательный варианты привода имеют удовлетворительные характеристики.

Изучение работы лебедки с двумя двигателями в режиме подъема позволило выявить некоторые особенности, связанные с работой узла выравнивания токов якорей двигателей. Си­ стема выравнивания основана на непрерывном измерении тока в якорях обоих двигателей и определении их разности на вы­ ходе датчика выравнивания ДВТ. При рассогласовании сигнал разности токов поступает на вход регулятора напряжения PH каждого двигателя, где алгебраически складывается с сигна­ лом задания скорости. Выравниваются токи на установившейся скорости при любых нагрузках, а в период разгона барабана лебедки регулятор напряжения находится под ограничением.

105

Поэтому сила тока в цепи якоря каждого двигателя определя­ ется уровнем ограничения только своего регулятора напря­ жения.

На самоходных плавучих буровых установках применяют судовые винты с поворотными и фиксированными лопастями. В первом случае регулирование винта обеспечивается измене­ нием угла наклона лопастей, для привода используются асин-

хронные двухскоростные двигатели 270/630 кВт, 585/1185 об/мин, 6 кВ, 60 Гц, а для привода стабилизационных винтов — двигатели 175/405 кВт, 580/1180 об/мин.

Привод винтов с фиксированными лопастями регулируется от электродвигателей постоянного тока, которые питаются от тиристорных преобразователей. Поскольку технологические ме­ ханизмы и судовые винты работают не одновременно, двига­ тели этих приводов могут питаться от тех же тиристорных пре­ образователей.

В силовых агрегатах зарубежных морских буровых устано­ вок применяются синхронные генераторы мощностью 1300— 3125 кВ-А с частотой вращения 900, 1200 или 1800 об/мин со

106

статической или бесщеточной системой возбуждения. Регуля­ торы возбуждения поддерживают напряжение генератора в пре­ делах ±0,5 % от номинального значения при раздельной ра­ боте и ±2,5 % при параллельной работе генератора.

Вопрос унификации электрообрудования главных технологи­ ческих механизмов — важнейшая задача на современном этапе создания МБУ. Основной предпосылкой для такой унификации является применение унифицированного технологического комп­ лекса для бурения скважин глубиной до 6500 м. Централь­ ное место в этой задаче занимает разработка унифицированной схемы силовых цепей главных технологических электроприводов (рис. 43).

Электроприводы главных механизмов каждой МБУ полу­ чают питание от единой электростанции с синхронными гене­ раторами и выполняются по системе тиристорный преобразова­ тель— двигатель постоянного тока (ТП—Д). Технологический комплекс включает 10 электродвигателей главных механизмов. Все электродвигатели разделены на пять групп, причем в каж­ дой группе может одновременно работать только один элек­ тродвигатель.

При разделении электродвигателей по группам учтены тех­ нологические требования по одновременности работы механиз­ мов. Тот или иной электродвигатель в группе может включаться дистанционно с помощью контакторов.

Каждая из пяти групп получает питание от одного или другого силового тиристорного преобразователя, переключение питания необходимо только в случае выхода из строя одного из 777 или одного из главных электродвигателей. Поэтому здесь могут быть использованы силовые переключатели с руч­ ным приводом. Цепи выхода ТП и переключателей В1—В5 со­ единены в кольцевую схему, таким образом каждый ТП явля­ ется условно основным источником питания для одной группы электродвигателей и резервным — для другой. Схема силовых цепей (см. рис. 43) обладает высокой степенью резервирования при минимальном числе силовых переключающих аппаратов и тиристорных преобразователей. При такой схеме переключений все шкафы переключений полностью унифицированы (каждый шкаф содержит два контактора и один переключатель). В даль­ нейшем предполагается вместо переключателей с ручным при­ водом применять специально разработанные переключатели с дистанционным управлением и моторным приводом; каждая пара контакторов также может быть заменена одним переклю­ чателем нового типа; общая структура схемы остается такой же, как и на рис. 43. В связи с достаточно малыми габари­ тами новых переключателей, появляется возможность встроить их в силовые тиристорные преобразователи, как на многих зарубежных МБУ. Кроме того, унификация электрооборудова­ ния главных технологических механизмов для всех типов МБУ позволит разработать унифицированную систему управления,

107

контроля и регулирования электроприводов, а это связано с унификацией комплекта шкафов и комплектных устройств управления. В свою очередь, такая унификация позволит раз­ работать унифицированные чертежи расположения электрообо­ рудования и прокладки кабелей в электротехнических помеще­ ниях и создать единый для всех МБУ электротехнический блок, что в условиях современной технологии блочно-модульного строительства МБУ имеет большое значение.

Унификация электрооборудования МБУ связана с примене­ нием повышенного напряжения (690 В) для электроэнергети­ ческих установок МБУ всех типов. В связи с этим в качестве источников питания будут установлены синхронные генераторы мощностью по 2000 кВт и напряжением 3x50 Гц, 690 В. При­ менение повышенного"'напряжения требует создания нового электрооборудования, новой эффективной технологии его изго­ товления, ремонта и технического обслуживания на МБУ Вме­ сте с тем разработка технологического электрооборудования, применяемого на МБУ, упростится в связи с его частичной симплификацией, т. е. часть электрооборудования не потребует ка­ ких-либо технических усовершенствований.

В морских буровых установках возможно образование взры­ воопасной зоны вокруг наружных установок в нормальных ус­ ловиях эксплуатации буровой установки при циркуляции в си­ стеме промывочной жидкости, содержащей до 10 % добавок нефти. Опасность возникновения взрывоопасных смесей с воз­ духом нефтяных паров существует также в закрытых помеще­ ниях буровых и цементировочных насосов и в помещениях для хранения бурового раствора.

По классификации взрывоопасных смесей пары нефти от­ носятся к категории Па и группе ТЗ, а помещения морских бу­ ровых установок могут быть отнесены:

к категории 1а — зоны расположения желобной системы, приемных емкостей и других открытых установок, ограничен­ ные расстоянием до 3 м во всех направлениях от указанных установок; помещения, где расположены емкости для бурового раствора;

к категории Па — район расположения устья скважины, оп­ ределяемый пространством, ограниченным цилиндром радиусом 15 м от оси скважины, высотой 3 м над полом буровой и до 9 м — под полом буровой; район расположения дегазаторов, пескоотделителей и других закрытых наружных установок, оп­ ределяемый пространством, ограниченным расстоянием до 3 м во всех направлениях от указанных установок; помещения, где располагаются буровые, цементировочные насосы (взрывоопас­ ным пространством является объем всего помещения).

В соответствии с изложенным, электрооборудование, уста­ новленное стационарно, должно быть следующего исполнения: взрывозащищенное с уровнем взрывозащиты не ниже взрывобез­

109