2835.Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных и

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

ПРЯМОЙ ГИДРОПРИВОД БУРОВОГО НАСОСА

А.В. Шипулин

Научный руководитель – канд. техн. наук, профессор Ю.А. Лагунова Уральский государственный горный университет

Посвящена прямому гидроприводу бурового насоса, принцип работы которого заключается в связанном линейном перемещении гидроцилиндров и плунжеров. Рассмотрены основные проблемы реализации этой идеи, а также способы их решения. Приведены прогнозируемые преимущества и недостатки стандартного электромеханического привода.

Ключевые слова: буровой насос, гидропривод, гидроцилиндр, плунжер, промывочная жидкость, буровой шлам.

Впроцессе бурения нефтегазовых скважин возникает потребность в подаче промывочной жидкости для осуществления циркуляции бурового шлама, а также для охлаждения инструмента, создания избыточного давления в скважине и в некоторых случаях для приведения в движение забойных двигателей. Эта операция осуществляется с помощью бурового насоса [2].

Внастоящее время широкое распространение получили конструкции трехплунжерных насосов с электромеханическим приводом, состоящих из следующих элементов [1]:

– электродвигателя;

– кривошипно-шатунного механизма;

– частотного преобразователя.

Также некоторые буровые насосы комплектуются гидромеханическим приводом, где вместо электродвигателя используется радиально-поршневой гидромотор. Такое решение позволяет исключить ременную передачу, повысить надежность и уменьшить габариты [3].

С целью повышения технико-экономических показателей автор статьи предлагает рассмотреть вариант бурового насоса с прямым гидроприводом, преимущества и недостатки которого будут освещены в конце статьи на основании проведенных исследований.

Предложенное решение в корне меняет конструкцию бурового насоса, исключая кривошипно-шатунный механизм. Прототипом такого механизма послужил бетононасос, где передача возвратно-поступательного движения осуществляется напрямую с помощью гидравлических цилиндров.

Однако при кажущейся простоте решения существуют проблемы, решение которых требует тщательного моделирования происходящих процессов, а также проведения испытаний с рабочей моделью.

– скорости перемещения плунжеров достигают 1,2 м/с, что недопустимо для стандартных индустриальных гидроцилиндров;

– частота смены направления потока для осуществления возвратно-поступа- тельного движения до 4 Гц;

531

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

– контроль текущего положения гидроцилиндра для поддержания постоянной разности фаз колебательных движений плунжеров.

Рассмотрим каждую из проблем подробней. Для существующих высоких скоростей перемещения необходимо использовать высокопроизводительные гидроцилиндры со сложным блоком управления и, что немаловажно, высокой стоимостью и длительными сроками поставки. С другой стороны, помимо технических показателей хотелось бы улучшить и экономические, поэтому было принято решение увеличить количество плунжеров до 6, а скорость перемещения уменьшить до 0,6 м/с. Это позволит использовать недорогие стандартные индустриальные гидроцилиндры с короткими сроками поставки, а также уменьшить износ плунжеров за счет сокращения пробега. При оптимизации компоновки было определено, что лучшим исполнением будет оппозитное расположение плунжеров по одному с каждой стороны двухштокового гидроцилиндра, (т.е. на шесть плунжеров три двухштоковых гидроцилиндра). К тому же такое исполнение позволяет использовать более компактный гидропривод с закрытым контуром.

Несмотря на то, что скорость перемещения плунжеров была снижена, частота смены направлений потока остается высокой (2 Гц). На данной стадии проекта смену направления потока планируется осуществлять с помощью перестройки регулировочной шайбы аксиально-поршневого насоса, управляемой пропорциональным гидрораспределителем. Каждый гидроцилиндр управляется своим насосом, а пропорциональное управление позволяет сделать переходные процессы настолько плавными, насколько это возможно. Однако предварительные расчеты показали, что использование насоса большого объема не позволит достичь необходимой частоты перестроений, поэтому в проект закладываются спаренные насосы с меньшей производительностью.

Еще одной проблемой является автоматизация работы привода бурового насоса. Для поддержания необходимой характеристики, а также исключения пульсации необходимо постоянно следить за перемещениями плунжера. Однако использование точного пропорционального регулирования упрощает эту задачу и позволяет контролировать положение плунжера косвенными методами. Например, система управления подает сигнал определенной величины через определенный промежуток времени на электромагниты пропорционального клапана, что говорит нам о фактическом перемещении штока гидроцилиндра, а значит, и плунжера. Несмотря на то, что пропорциональные клапаны достаточно точные, допустимо по истечении некоторого времени появление расхождения значений фактического и теоретического перемещения плунжера. Но в цикле работы бурового насоса это будет некритично, а после простоев перед запуском насос может автоматически отрегулироваться (все плунжеры устанавливаются в крайнее положение, а система управления начинает их перемещение с установленным временным интервалом).

Решив эти проблемы, можно сделать вывод о том, что предложенное решение работоспособно, и при последующих исследованиях можно довести его до

532

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

стадии реализации. Теперь хотелось бы отметить преимущества прямого гидропривода бурового насоса.

Прежде всего стоит обратить внимание на то, что регулирование гидропривода значительно проще и точней, чем электромеханического привода. К тому же это позволяет производить плавный пуск и торможение, тем самым исключая ударные нагрузки и увеличивая срок службы элементов бурового насоса.

Простой контроль рабочих параметров бурового насоса можно осуществлять, контролируя давление и расход в системе. Таким образом, можно вести не только оперативный контроль подачи промывочной жидкости, но и запись всех параметров для последующего анализа.

Отсутствие кающегося узла (шатун-плунжер) значительно снижает вибрацию и, как следствие, повышает надежность и уменьшает шумы механизма.

Также интересной особенностью является то, что можно сохранить частоту движений плунжеров при регулировании и тем самым не позволить усилиться пульсации, что невозможно сделать при приводе с кривошипно-шатунным механизмом, где изменение частоты вращения электродвигателя (изменение производительности) прямо пропорционально изменению частоты движения плунжеров.

Гидропривод удобен также в том, что он обладает малыми массогабаритными показателями, особенно это касается гидропривода с закрытым контуром. Его можно перевозить как автотранспортом, так и на вертолете. А монтаж заключается в простой установке насосного агрегата с буровым насосом на свои места и подключении гидравлических линий с помощью быстроразъемных соединений.

Обслуживаемость такого привода характеризуется тем, что можно хранить запасные модули (мотор-насосные группы и гидроцилиндр с монтажным комплектом) и при необходимости производить блочно-модульную замену. Таким образом, значительно сокращаются простои оборудования, ремонт снятого модуля не требует спешки, соответственно, может быть выполнен более качественно.

Еще одним немаловажным показателем является стоимость оборудования, которая по предварительным расчетам не должна превысить стоимость аналогичного бурового насоса с электромеханическим приводом, а в перспективе должна быть даже меньше.

Однако у предложенного решения существуют и недостатки, которые заключаются в следующем:

–плохая подготовка кадров к обслуживанию гидроприводов, несмотря на то, что такие приводы активно внедряются в современных буровых;

–некий консерватизм, наблюдающийся в нефтегазовой отрасли, зачастую определяет выбор знакомого, но устаревшего оборудования;

–усложнение разводки трубопроводов, вызванное увеличением количества плунжеров.

Но несмотря на это, некоторые компании, занимающиеся производством бурового оборудования, уже проявили интерес к представленному решению.

533

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Список литературы

1.Буровые комплексы: учебное пособие для студентов вузов / К.П. Порожский [и др.]; под общ. ред. К.П. Порожского; Урал. гос. горн. ун-т, ООО «Уралмаш НГО Холдинг». – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2013. – 768 с.

2.Юшков И.А. Буровое оборудование: учебное пособие. – Донецк: Изд-во ДонНТУ, 2009. – 83 с.

3.Oil and Gas Drilling (land based) // Bosch Rexroth AG. – URL: http://www. bosch- rexroth.com/en/xc/industries/machinery-applications-and-engineering/oil-and-gas-drilling- land-based/oil-and-gas-drilling.

534

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОХОДЧЕСКО-ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ «УРАЛ»

НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЗАПИСЕЙ РЕГИСТРАТОРОВ ПАРАМЕТРОВ

Д.И. Шишлянников

Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Н.В. Чекмасов Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Представлены результаты экспериментальных исследований величины и характера изменения нагрузок приводов исполнительных органов комбайнов «Урал-20Р». Разработана методика анализа записей регистраторов параметров

Ключевые слова: комбайн, регистратор параметров, приводы, нагрузки, сервис.

Для предприятий, осуществляющих добычу калийной руды подземным способом, актуальными остаются задачи повышения эффективности использования выемочных машин механизированных комплексов, увеличения их производительности и эксплуатационной надежности, снижения материальных затрат на поддержание работоспособности, обеспечения безопасного ведения работ. Комплексное решение задачи повышения эффективности использования добычных машин возможно посредством разработки и внедрения автоматизированных бортовых систем контроля параметров работы комбайнов, создания научно обоснованных методик анализа регистрируемых данных. Наиболее информативным и просто реализуемым методом контроля режимных параметров работы и повышения безопасности использования добычных машин является контроль нагруженности приводов рабочих органов комбайнов, осуществляемый посредством замеров токов, напряжений, активных и полных мощностей, потребляемых электродвигателями [1].

Сотрудниками кафедры «Горная электромеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета разработан опытный образец программно-регистрирующего комплекса «ВАТУР», обеспечивающего измерение, запись и сохранение основных параметров работы приводов проходческоочистных комбайнов. В состав измерительного комплекса входят: процессорный блок, блоки питания и коммутации, токовые клещи, датчики напряжения и перемещения [2].

Измерения, проведенные на комбайне «Урал-20Р», эксплуатируемом на СКРУ-3, пласт «Красный-II», показали, что в установившемся режиме работы двигатели комбайна недогружены. Средняя мощность, потребляемая комбайном при скорости подачи Vп ≈ 7,3 м/ч (производительность 4,08 т/мин), составила 419,9 кВт при установленной мощности 710 кВт. Загрузка двигателей резцовых дисков составила 106,3 и 114,6 кВт при номинальной мощности 160 кВт, т.е. 66 и 72 % (таблица). Остальные приводы имели еще меньшую загрузку. Это связано с тем, что установленные на последних модификациях комбайнов индикаторы загрузки двигателей настроены на мгновенные (пиковые) нагрузки на дви-

535

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

гатель. В результате индикатор начинает сигнализировать о перегрузке при 60–70%-ной нагрузке.

После анализа полученных результатов проведены повторные измерения на том же комбайне со скоростью подачи, увеличенной до Vп ≈ 12 м/ч (производительность 7 т/мин). Средняя мощность, потребляемая двигателями резцовых дисков за период загрузки бункера-перегружателя, составила 167,3 и 189,5 кВт, т.е. эти двигатели имели перегрузку на 5 и 18 %. Мощность двигателя верхнего отбойного устройства 40,9 кВт (91 % от номинальной), двигателей бермовых фрез – 165 кВт (перегружены на 10 %), двигателя переносного вращения – 43,1 кВт (57,4 % от номинальной загрузки). Таким образом, проведенные измерения показали, что при скорости подачи комбайна Vп ≈ 12 м/ч двигатели переносного движения и отбойного устройства недогружены, в то время как приводы резцовых дисков и бермового органа работают с перегрузкой [2].

Нагруженность приводных двигателей комбайна «Урал-20Р»

Определенное по ваттметрограмме значение времени работы комбайна в установившемся режиме при отбойке одного вагона руды, отнесенное к величине перемещения, позволяет рассчитать значение скорости подачи и техническую производительность добычной машины, определить величину удельных энергозатрат процесса разрушения калийного массива резцами комбайна:

Vп = L / Ту.р,

Qт =VпFγ,

H w = P(60Qт)−1,

где Ту.р – время работы комбайна при отбойке одного вагона руды, мин; L – перемещение комбайна при отбойке одного вагона руды, м; Qт – производительность комбайна при отбойке одного вагона руды, т/мин; F – площадь забоя, обрабатываемая исполнительным органом, м2; γ – плотность руды в массиве, т/м3; P – среднее значение активной мощности, потребляемой двигателями в установившемся режиме работы, кВт; Hw – удельные энергозатраты процесса разрушения калийного массива резцами комбайна, кВт·ч/т.

Удельное энергопотребление комбайна при отбойке руды существенно зависит от скорости подачи комбайна на забой и физико-механических свойств массива. Специалистами ЗАО «ВНИИ Галургия» установлено, что снижение удельных

536

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

энергозатрат при разрушении является достоверным признаком высокой выбросоопасности соляных пород [3].

Наличие продолжительных периодов работы двигателей комбайна в режиме холостого хода объясняется низкой производительностью шахтных самоходных вагонов. Общее время работы приводов в режиме холостого хода определяется по ваттметрограмме и характеризует длительность вспомогательных операций при реализации основных технологических процессов отбойки и транспортирования руды. Отключение двигателей комбайна от сети осуществляется при выполнении технического обслуживания, перемонтажа оборудования, маркшейдерских работ и пр. Данные простои обусловлены технологическими причинами. Время нахождения комбайна в плановых или аварийных ремонтах, а также стоимость выполненных ремонтных работ фиксируются в базах данных сервисных служб предприятия. Календарное время эксплуатации добычной машины может быть рассчитано по формуле

где Тэ.к – календарное время эксплуатации комбайна на руднике, ч; ΣТу.р – суммарное время работы комбайна в установившемся режиме, ч; ΣТв.о – суммарное время реализации вспомогательных операций и переходных процессов при работе комбайна, ч; ΣТп.т – длительность технологических простоев, ч; ΣТр.п – длительность плановых ремонтов, ч; ΣТр.а – длительность ремонтных работ, вызванных аварийными отказами, ч.

Исходя из формулы (1), критерии интегральной оценки эффективности использования оборудования механизированных комплексов, работы инженернотехнических и сервисных служб рудника могут быть определены следующими зависимостями:

kа.п = Σ Тр.а /Σ Тр.п,

где kм.в – коэффициент машинного времени, характеризующий эффективность использования комбайна, kм.в = 0…1; kп.т – коэффициент технологической подготовки, характеризующий уровень реализации процессов добычи и транспортирования руды в очистной камере, kп.т = 0…1; kэ.г – коэффициент эксплуатационной готовности, характеризующий надежность используемого оборудования и уровень работы сервисных служб предприятия, kэ.г = 0…1; kа.п – коэффициент аварийных простоев, характеризующий интенсивность потока внезапных отказов оборудования.

Оценка обоснованности проведения ремонтно-восстановительных работ возможна посредством определения стоимости машино-часа готовности комбайна:

537

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

где qэ.г – стоимость одного машино-часа готовности комбайна, тыс. руб/ч; Qз.р – материальные затраты, связанные с поддержанием исправного состояния машины (зарплата ремонтных рабочих, закупка запасных частей и т.д.) в расчетный период, тыс. руб.

Существенное увеличение стоимости машино-часа готовности отдельного комбайна, по сравнению с остальными используемыми добычными машинами, обусловливает необходимость постановки машины на капитальный ремонт или списания в утиль.

Использование бортовых измерительных систем, непрерывно регистрирующих мощности, потребляемые электродвигателями, перемещение и скорость подачи добычной машины в очистной выработке, позволяет наиболее просто и достоверно осуществлять контроль эксплуатационной нагруженности приводов комбайна, обусловливает возможность оперативного выявления негативных факторов и тенденций, влияющих на интенсивность реализации основных технологических процессов отбойки и транспортирования руды. На основе актуальной информации о величине и характере нагруженности приводов возможно функционирование эффективных систем автоматического управления комбайна и непрерывная реализация контроля выбросоопасности разрабатываемых пластов.

Список литературы

1.Красников Ю.Д., Солод С.В., Хазанов Х.И. Повышение надежности горных выемочных машин. – М.: Недра, 1989. – 215 с.

2.Чекмасов Н.В., Шишлянников Д.И., Трифанов М.Г. Оценка эффективности процесса разрушения калийного массива резцами исполнительных органов комбайна «Урал-20Р» // Известия вузов. Горный журнал. – 2013. – № 6. – С. 103–107.

3.Лаптев Б.В. Предотвращение газодинамических явлений на калийных руд-

никах. – М.: Недра, 1994. – 138 с.

538

Секция 7 АВТОМАТИЗАЦИЯ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА В НЕФТЕГАЗОВОМ КОМПЛЕКСЕ

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМИ ОБЪЕКТАМИ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ С ПОМОЩЬЮ ТЕХНОЛОГИИ СВЯЗИ МАЛОГО РАДИУСА ДЕЙСТВИЯ

И.А. Ахметов

Научный руководитель – Е.С. Анохина Альметьевский государственный нефтяной институт

Проект создан с четкой миссией: донести передовые технологии автоматизации от встроенных промышленных систем до конечного пользователя. Внедрение NFC-технологии поможет сократить расходы и значительно повысит производительность благодаря режиму работы в реальном времени и двустороннему мобильному доступу к технологическим объектам нефтегазовой отрасли.

Ключевые слова: коммуникация ближнего поля, мобильная платформа, передовые технологии, режим работы в реальном времени, двусторонний мобильный доступ.

Целью является внедрение применения в компонентах автоматизации в химических и энергетических отраслях, в частности нефтегазодобывающей промышленности, технологии беспроводной высокочастотной связи малого радиуса действия NFC стандарта ISO 14443, который применяется в мобильных устройствах, для создания унифицированного мобильного терминала как инструмента.

Рассмотрим уровень техники. В автоматизированной системе данные обычно передаются между различными спектрами автоматизированных компонентов. Автоматизированные компоненты могут быть связаны с программируемыми логическими контроллерами, числовыми программными блоками, с полевой шиной децентрализованных компонентов периферийных или полевых устройств. Данные, например, идентификационная информация, которые постоянно хранятся на соответствующем компоненте автоматизации, обычно передаются по электрическим линиям связи – Ethernet, Profibus и т.п. Также устройства визуализации зачастую интегрированы как стационарные терминалы в систему автоматизации.

NFC расшифровывается как Near Field Communication – связи ближнего действия, и относится к технологии беспроводной связи для передачи данных на небольшие расстояния с помощью электромагнитного поля вблизи (взаимоиндук-

539

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ция). NFC-технология основана на комбинации RFID (радиочастотная идентификация) и беспроводной технологии связи. Она работает на частоте 13,56 МГц и обеспечивает скорость передачи данных максимум 424 кбит/с на расстоянии

до 20 см [1].

NFC взаимодействует с существующими RFID- или NFC-метками. Такие метки называют также транспондерами, метками, смарт-тегами, радиочипами. RFID – способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках. Данные передаются между транспондером и считывателем с помощью взаимоиндукции.

Технология NFC нацелена на применение в мобильных устройствах (смартфоны и планшетные ПК). NFC предусматривает возможность:

–эмуляции карт: устройство NFC ведет себя как существующая метка (эмулирует);

–режима считывания: устройство NFC является активным и считывает пассивную RFID-метку;

–режим P2P: два устройства NFC вместе связываются и обмениваются информацией [2].

Существует NFC-модули, выполняющие те же функции, что и в мобильных устройствах, например микросхемы PN532, PN533.

В настоящее время мобильные устройства с NFC типично выполнены с возможностью поддержки множества беспроводных технологий, таких как Wi-Fi, Bluetooth и т.д. Установка таких беспроводных соединений требует некоторых технических знаний, время синхронизации более 5 с. А NFC дает возможность автоматически синхронизировать Bluetooth и Wi-Fi соединения двух устройств

сNFC путем простого приближения за доли секунды.

Каждый компонент автоматизации должен содержать модули связи, для того чтобы соединиться с мобильным терминалом. Как правило, связь устанавливается по принципу обнаружения, т.е. два модуля одинакового типа посылают друг другу запросы для начала обмена тегами, контентом. В промышленной сфере много постоянно активных компонентов связи, которые посылают запросы. Такие связи нежелательны по двум причинам. Во-первых, в связи с высокой плотностью компонентов автоматизации постоянное вещание с различных компонентов является разрушительным. Во-вторых, по соображениям обеспечения доступа они не дают возможность легкого обнаружения необходимых компонентов автоматизации, что снижает эффективность обеспечения HMI [3].

Недостатком существующих систем управления и мониторинга автоматизированных и автоматических объектов является невозможность обеспечения чело- веко-машинного интерфейса (SCADA/HMI) непосредственно у объекта из-за территориальной удаленности объектов производства. В большинстве случаев человеку невозможно представить все компоненты автоматизации и связи между ними без детального изучения объекта. SCADA-системы преимущественно осуществляются централизованно, на удаленных персональных компьютерах. С увеличе-

540