Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности

ничиванне тормоза и стабилизацию тока возбуждения (при ра­ боте тормоза в качестве регулятора подачи инструмента во время бурения). Торможением управляют с помощью командоконтроллера В2 (рис. 31).

Управление возбуждением электромагнитного порошкового тормоза осуществляется от тиристорного однополупериодного

Рис. 31. Схема управления электромагнитным порошковым тормозом ТЭП-4500

трод. Тиристор открыт в течение каждой положительной полу­ волны напряжения сети. Ток замыкается через катушки об­ мотки возбуждения ОВ1 и ОВ2 порошкового тормоза. В отри­ цательную полуволну напряжения сети главный тиристор Т4 закрыт. Ток, протекающий в нагрузке, замыкается через вспо­ могательный тиристор ТЗ, используемый как обратный диод.

Выпрямленное напряжение подается на тиристор Т4 через диоды ДЗ и Д4. При таком включении в непроводящий полупериод обратное напряжение целиком прикладывается к диодам ДЗ и Д4, а не к тиристору Т4.

Ток в нагрузке регулируется с помощью вспомогательного тиристора Т2, включенного параллельно управляющему элек­ троду главного тиристора Т4, который перестает открываться.

81

Узел стабилизации скорости спуска обеспечивает не дискрет­ ный характер выбора скоростей, а плавный (практически лю­ бая скорость в интервале 0,5ч-2,5 м/с).

Тормоз размагничивается при подаче в обмотку возбужде­ ния тока обратной полярности, выпрямленного диодами Д1 и Д2. Ток размагничивания подается в обмотку возбуждения тор­

этого тока, чтобы не происходило обратного перемагничивания тормоза. Диоды ДЗ и Д4 служат для питания тиристора Т4 выпрямленным двухпульсным напряжением.

Тиристор Т4 обеспечивает регулирование тока в обмотке возбуждения тормоза. Тиристор Т2 вспомогательный. Он вклю­ чается при наличии сигнала и определенном токе в обмотке возбуждения и шунтирует управляющий электрод тиристора Т4. Таким образом, тиристор Т2 управляет тиристором Т4 в цепи отрицательной обратной связи по току нагрузки. Тиристор 77 используется для управления тиристором Т2 в режиме спуска колонны и открывается сигналом от тахогенератора.

Диод Д5, включенный последовательно с обмоткой тахоге­ нератора, служит для того, чтобы сигнал от тахогенератора не подавался на управляющий электрод тиристора при подъеме колонны. Тиристор ТЗ использован в схеме в качестве обрат­ ного диода. Он обеспечивает замыкание тока нагрузки в отри­ цательную полуволну напряжения сети и размыкание разряд­ ной цепи при включении тиристора Т4. При размагничивании магнитной системы тормоза цепь управления тиристора ТЗ раз­ рывается, обеспечивая отключение разрядной цепи.

Резистор R7 служит для ограничения тока управления ти­ ристора Т4. Он же ограничивает ток при полном закрытии ти­ ристора Т4, т. е. ток через тиристор Т2.

Резистор R9 предназначен для надежного запирания тири­ стора Т4 при открывании тиристора Т2.

Резистор R11 шунтирует переменный резистор R10, пропу­ ская через себя основную часть разрядного тока, и служит для обеспечения обратной связи по току нагрузки и для снижения суммарного разрядного сопротивления с целью предупрежде­ ния перенапряжений и снижения постоянной времени разряд­ ной цепи.

Переменный резистор R10, установленный на пульте буриль­ щика, служит для создания обратной связи по току возбужде­ ния. С его помощью создается требуемая величина обратной связи. Резистор R8 ограничивает ток в цепи обратной связи по скорости по условиям допустимого тока тахогенератора ТГ Резистор R1 служит для нормальной работы схемы в режиме спуска колонны независимо от положения подвижного контакта переменного резистора R10. Резисторы R2 и R5 шунтируют

83

соответственно переходы тиристоров Т2 и 77 для обеспечения

подъеме колонны . С табилитрон СТ2 используется ка к порого ­

тиристора 77.

8. ЭЛЕКТРОПРИВОД БУРОВЫХ НАСОСОВ

Х арактеристики и мощ ность

позволяю щ ие в определенных пределах изменять подачу н а ­ соса при постоянном числе ходов порш ней в м инуту. П р и не­ изменных глубине бурения, конструкц ии сква ж ин ы и бурильной колонны н качестве бурового раствора момент на приводном валу бурового насоса связан параболической зависимостью с частотой вращ ения этого вала. П остоянная параболы зависит от ко нструктивны х данны х насоса, диаметра применяемой втулки, параметров бурового инструм ента и качества п ро качи ­ ваемой ж идкости .

ствие увеличения гидравлического сопротивления труб, увели ­ чивается н давление р на выходе насоса, которое ограничено

£4

1. При нерегулируемом приводе — путем применения цилин­ дровых втулок разного диаметра. Этот режим работы характе­ ризуется кривой зависимости производительности Q насоса от давления на выходе р и диаметра втулки D (рис. 32).

Точки 2, 4, 6, 8, 10 на графике определяют предельное дав­ ление, допустимое из условия прочности деталей насоса при

шится подача насоса и про­ порционально квадрату подачи снизится давление насосов. При

замене втулки в точке 2 давление снизится скачком до давле­ ния, соответствующего точке 3.

Если начать бурение с втулкой диаметром Z)4, то по мере углубления скважины давление в точке 4 достигнет р4, т. е. предельной величины, при которой необходимо заменить втулку диаметром /)4 на втулку диаметром Z)3 и т. д. Следовательно, в случае нерегулируемого привода насосов и периодической за­ мены втулок процесс будет протекать по отрезкам вертикаль­ ных прямых 1—2, 3—4, 5—6, 7—8 и 9—10. Увеличивая число типоразмеров втулок, можно только приблизиться к кривой

чале бурения втулки малого диаметра при частоте вращения приводного вала, большей номинальной, а затем по мере повы­ шения давления путем снижения частоты вращения привода сохранить равенство pQ = const. Однако увеличение частоты вращения приводного вала насоса не всегда приводит к уве­ личению его подачи, так как при этом уменьшается коэффици­

85

ент подачи насоса. П рактически невозможно обеспечить ра ­ боту насосной установки в реж им е постоянной мощ ности по­ средством изменения угловой скорости привода в ш ироком диа ­ пазоне без принятия специальны х мер. Д л я получения наиболь­ шей гидравлической мощ ности потока н уж н о всегда стремиться

щ аю щ его момента для привода насоса, регулировать подачу на­

ния сква ж и н ы начинает работать с постепенно ум еньш аю щ ейся частотой вращ ения при ном инальном моменте на валу. В след­ ствие этого подача насоса будет ум еньш аться, а давление ос­ танется неизменным, равны м допустим ом у для данной втул ки . Т а ко й реж им продолж ается до точки 3'. Д альнейш ее сниж ение скорости, т. е. подачи насосов, нерационально, и в точке 3* це­

повторяется. Следовательно, подача насоса и давление при ре­ гулируем ом приводе изменяю тся по гр аф ику 1— 2 — 3*— 4 — У —

§—Т —$—¥ — №.

Н а рис. 33 показан граф ик изменения давления при бурении

условной скважины, причем обозначения сохранены те же, что и на рис. 32. При регулируемом приводе втулки заменяют на глубинах Lo, L4, L6 и L8, при нерегулируемом приводе — на глу­ бинах Lb L3, L5 и L7. Ч исло сменных втулок в обоих случаях одинаково. Из рис. 33 следует, что в регулируемом приводе мощность установки используется полнее, чем в нерегули­ руемом.

Более полное использование мощности насосов при регули­ руемом приводе практически выражается в том, что при том

Рис. 33. Изменение давления на выходе бурового насоса и скорости при­ вода при регулируемом и нерегулируемом приводах:

же максимальном допустимом давлении в нагнетательной си­ стеме 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 вследствие применения более высокой нагрузки на долото. Од­ новременно возрастает проходка на долото, поскольку умень­ шается степень повторного разрушения породы. В результате увеличения проходки на долото сокращается число спускоподъемов, а следовательно, и время, идущее на спуско-подъем­ ные, вспомогательные и подготовительно-заключительные опе­ рации. При турбинном бурении, кроме того, механическая ско­ рость растет вследствие увеличения частоты вращения долота и средней мощности, подводимой к долоту.

Регулирование подачи насоса необходимо в осложненных условиях бурения, а также при восстановлении циркуляции.

87

Таким образом, для бурового насоса было бы целесообразно применить регулируемый электропривод, причем регулирова­ ние необходимо производить при постоянном моменте, опреде­ ляемом 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 применяют нерегулируемый элек­ тропривод переменного тока. \В качестве приводных двигате­ лей используются синхронные двигатели, являющиеся одновре­ менно источниками реактивной энергии. Изменение подачи насосов осуществляется сменой цилиндровых втулок, а умень­ шение подачи на время восстановления циркуляции — открыва­ нием задвижки на выходе из насоса.

В случае применения для привода насоса специального асинхронного двигателя с фазным ротором возможно регули­ рование его частоты вращения вниз от номинальной. Так как отношение диаметров соседних типоразмеров втулок составляет 0,85—0,9, между двумя заменами втулок целесообразно регу­ лировать частоту вращения приводного двигателя насоса на 20—30 % вниз от номинальной. Такое регулирование частоты вращения может быть получено при помощи резистора в цепи ротора асинхронного двигателя, однако оно сопровождается существенными потерями энергии. Действительно, при регули­ ровании угловой скорости привода механизма, у которого мо­ мент сопротивления квадратично зависит от угловой скорости, мощность, забираемая из сети

где Мп— номинальный момент двигателя; со, соп и соо — угловые скорости вала двигателя, текущая и номинальная, и скорость вращающегося магнитного поля.

Пренебрегая потерями в цепи статора двигателя, получим, что потери в цепи ротора

Максимум потерь достигается при со = 2/з(о0 и составляет примерно 15 % от номинальной мощности двигателя. Чтобы исключить эти потери, в новых буровых установках предусмот­ рено регулирование подачи насосов путем регулирования ча­ стоты вращения асинхронного двигателя по схеме электриче­ ского каскада (см. рис. 5, в). Вентильно-машинный каскад,

88

применяемый в установке «Уралмаш-5000Э», состоит из асин­ хронного двигателя с фазным ротором АДН, трехфазного вы­ прямительного моста ВК, преобразующего энергию скольжения двигателя в энергию постоянного тока, и источника э.д. с., в ка­ честве которого используется генератор постоянного тока ГН (П127-8к, 250 кВт, 330 В, 750 об/мин) с приводным синхрон­ ным двигателем ОДА. Ток ротора асинхронного двигателя АДН выпрямляется выпрямителем ВК и поступает в цепь якоря ма­ шины постоянного тока ГН. Эта машина работает в двигатель­ ном режиме, а СДА — в генераторном, вследствие чего энергия скольжения возвращается в сеть.

Регулируя э. д. с. ГН, можно регулировать частоту враще­ ния АДН: чем больше сила тока возбуждения ГН, тем меньше частота вращения АДН. Обмотка возбуждения ГН получает питание от реверсивного тиристорного возбудителя, управляе­ мого сельсинным командоаппаратом. В схеме управления пре­ дусмотрены обратные связи, способствующие стабилизации характеристик двигателя. Рассмотренная схема позволяет сни­ жать скорость АДН на 40 % от номинальной. Для пуска дви­ гателя АДН используется масляный реостат РМ.

В буровых установках глубокого бурения подача насоса ре­ гулируется в широких пределах при помощи привода постоян­ ного тока по системе тиристорный преобразователь—двигатель.

Мощность приводного двигателя насоса может быть опреде­ лена по формуле

диаметрам цилиндра и штока, ходу поршня и числу ходов

ф п = 0 ,9 ; т]н = 0,8; Г1п.н = 0 ,9 6 ; а = 1 ,0 5 -г -1,1.

Поскольку режим работы насоса продолжительный, двига­ тель насоса выбирают так, чтобы его номинальная мощность была несколько больше или равна мощности, вычисленной по

формуле (2.19).

Номинальное напряжение обмотки статора двигателя дол­ жно быть равно напряжению питающей сети (6 или 10 кВ). Номинальная частота вращения двигателя определяется кине­ матикой насоса и клиноременной передачи; для существующих поршневых насосов она составляет 750 об/мин.

89

Двигатели и станции управления

В серийных электрифицированных буровых установках для привода насосов применяются синхронные двигатели (табл. 13), рассчитанные для эксплуатации в неотапливаемых помещениях при температуре окружающего воздуха ±40 °С и относитель­ ной влажности 90% при 20 °С (исполнение У2). Исполнение двигателей — брызгозащищенное с влагостойкой изоляцией, го­ ризонтальное с самовентиляцией; вал на щитовых подшипни-

Таблица 13

Технические данные синхронных и асинхронных двигателей привода насосов

ках — со свободным концом под шкив для клиноременной пере­ дачи. На верху корпуса двигателя смонтирован возбудитель, связанный клиноременной передачей с валом двигателя. Номи­ нальное напряжение двигателей 6000 В, номинальная частота вращения 750 об/мин.

Обмотка статора двигателя соединена в звезду, ротор с явно выраженными полюсами, пусковая обмотка в виде латунных стержней, расположенных в башмаках полюсов. Двигатель снабжен грелкой для обогрева обмотки при перерывах в работе в зимнее время.

Поскольку условия пуска двигателя бурового насоса явля­ ются сравнительно легкими (момент статического сопротивле­ ния на валу двигателя составляет примерно 20 % номинального момента двигателя, время разгона 3—4 с, мощность сетей, как

90