книги из ГПНТБ / Блантер С.Г. Электрооборудование для нефтяной промышленности учебник

эквивалентный момент при работе на всех передачах лебедки по формуле

где Мх и М2 — моменты на валу двигателя при наибольшей и наи­ меньшей нагрузках на крюке во время подъема на данной передаче лебедки; Ма — момент на валу двигателя, создаваемый силой тя­ жести одной свечи; Мв_ м — момент во время машинных вспомога­ тельных операций; tt — время рабочего периода за цикл подъема одной свечи; tB м и tB р — время машинных и ручных вспомогатель­ ных операций за цикл подъема одной свечи; а = 0,5 — коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения двигателя при его неподвижном состоянии; п — число свечей, поднимаемых на данной передаче лебедки; к — 1,12 — коэффициент, учитывающий измене­ ние скорости подъема инструмента вследствие изменения диаметра навивки каната на барабан лебедки.

Если буровая установка оборудована механизмами для выполне­ ния вспомогательных операций, то формула (6.4) упрощается и при­ нимает вид

где tB — время вспомогательных операций за цикл подъема одной свечи.

Если двигатель имеет принудительное охлаждение или вращается все время цикла, а включение нагрузки осуществляется муфтами, то в формулах (6.4) и (6.5) а принимается равным единице. Эквива­ лентный момент должен быть меньше номинального момента двига­ теля, выбранного предварительно. В противоположном случае нужно выбрать двигатель следующего габарита, вновь построить нагрузочную диаграмму и повторить расчет эквивалентного мо­ мента.

Если для привода лебедки применен двигатель постоянного тока с регулированием частоты вращения изменением магнитного потока или если продолжительность периодов пуска двигателя переменного тока составляет существенную часть времени цикла, проверку дви­ гателя следует производить по методу эквивалентного тока [фор­ мула (3.73)], который хотя и более сложен, однако дает более точные результаты, чем метод эквивалентного момента.

Критерием для определения целесообразной мощности двигателей лебедки могут служить также затраты на подъемные операции за цикл бурения скважины. При увеличении мощности привода ле­ бедки сокращается машинное время подъема инструмента, вслед­ ствие чего уменьшается условная годовая потребность в буровых

установках для выполнения заданного объема буровых работ. Одно­ временно возрастают отчисления за амортизацию электрооборудова­ ния и стоимость израсходованной электроэнергии. Поэтому суммар­ ные расходы на подъем инструмента имеют минимум при некоторой мощности двигателя, которая и является рациональной.

Для торможения барабана лебедки при спуске инструмента в со­ временных буровых установках широко применяют гидродинамиче­ ские тормоза.

Однако, как это видно на рис. 6.10 (кривая 4), момент, развивае­ мый гидродинамическим тормозом, резко уменьшается при умень­ шении частоты вращения барабана лебедки. Поэтому для плавной безударной посадки инструмента на ротор требуется применение

развиваемый электромагнитным тормозом, в широких пределах ре­ гулируется изменением тока возбуждения, что дает возможность легко автоматизировать процесс спуска инструмента. Поэтому в но­ вых буровых установках предусмотрено применение электромагнит­ ных тормозов. Обычно электромагнитные тормоза характеризуются развиваемым тормозным моментом и способностью рассеивать энер­ гию торможения. Величины тормозных моментов при скорости спуска инструмента не более 1 м/с приведены в табл. 6.1. Они рассчитаны исходя из условия торможения колонны номинального веса за 2—Зс.

Максимальные установившиеся скорости спуска инструмента отечественных буровых установок обычно соответствуют частоте вра­ щения барабана лебедки 500 об/мин. Что касается частот вращения, соответствующих плавной безударной посадке инструмента на ротор, то они составляют 50 об/мин.

В процессе спуска инструмента нередко возникает необходимость экстренного торможения в любой момент спуска. Путь экстренного торможения обычно задается, и электромагнитные тормоза должны обеспечить надежное торможение на этом участке. Высокая кратность

максимального момента электромагнитных тормозов при форсировке возбуждения позволяет производить экстренное торможение до полной остановки при порошковых тормозах и до ползучих скоро­ стей при индукционных.

Таким образом, для буровых установок можно принять следу­ ющую последовательность расчета и выбора электромагнитных тор­ мозов:

1)устанавливают необходимый номинальный тормозной момент (для индукционных тормозов при частоте вращения 50 об/мин);

2)определяют максимальный тормозной момент, обеспечива­

ющий экстренное торможение инструмента на заданном пути;

3)определяют среднюю мощность тепловых потерь при спуске всей колонны бурильных труб;

4)по полученным данным выбирают электромагнитный тормоз.

Электродвигатели и станции управления

В серийных электрифицированных буровых установках для при­ вода буровой лебедки и ротора применяются асинхронные двигатели с фазным ротором. Эти двигатели являются модификацией единой серии и рассчитаны для эксплуатации в неотапливаемых помеще­ ниях с нормальной средой при температуре окружающего воздуха ±40° С и с относительной влажностью 90% при 20° С.

Исполнение двигателей брызгозащищенное с влагостойкой изо­ ляцией, горизонтальное с самовентиляцией; вал на щитовых под­ шипниках качения с одним свободным концом под полумуфту. Дви­ гатели приспособлены для монтажа и транспортировки в полевых условиях. Обмотки статора и ротора соединены в «звезду». Электро­ двигатель АКБ-13-62-8 показан на рис. 6.11. Технические данные двигателей привода лебедки приведены в табл. 6.4.

Для управления приводными двигателями лебедки и ротора при­ меняются буровые магнитные станции типа СБ-58-6Э, СБ-58-4Э, СБ-58-75 и СБ-64-500. Эти станции предназначены для эксплуатации в закрытых неотапливаемых помещениях временного типа. Станции типа СБ конструктивно выполнены в виде металлического ящика с дверцами с четырех сторон. Каркас станций монтируется на салаз­ ках, что позволяет транспортировать станции волоком в пределах буровой установки.

Во всех станциях типа СБ для уменьшения числа контакторных ступеней применена схема дроссельного пуска (см. § 21 гл\ 3). Прин­ ципиальные схемы управления двигателями с помощью станций типа СБ мало различаются, поэтому рассмотрим схему управления двигателем буровой лебедки установки БУ-125 БЭ со станцией СБ-64-500 (рис. 6.12).

Для включения двигателя АД лебедки (второй двигатель нахо­ дится в резерве) предварительно включают двигатель насоса, пода­ ющего смазку в редуктор (контакт 12П закрывается). При всех остальных защитах и блокировках, находящихся во включенном

времени включается контактор ЗУ и выводит третью ступень ЗСП рео­ стата.

Предусмотрена возможность длительного включения второй сту­ пени ускорения для работы на низкой частоте вращения, при этом КК остается в первом или во втором положении и

цепь 2У разомкнута.

снижается от некоторого максимального значения практически до ну­ ля. Благодаря этому явлению ток в роторе и статоре и момент дви­ гателя незначительно уменьшаются с увеличением частоты вращения за период разгона, что позволяет обеспечить плавный и достаточно интенсивный разгон лебедки. Тем не менее при переходе с одной ступени ускорения на другую имеет место скачкообразное измене­ ние момента.

В схеме управления двигателями лебедки предусматриваются следующие защиты и блокировки:

нулевая блокировка, препятствующая произвольному пуску двига­ телей после срабатывания защиты (осуществляется контакторомКН); защита от перегрузок и двухфазных включений (осуществляется токовыми реле 1РТ ж 2РТ с ограниченно зависимой выдержкой вре­

мени, воздействующими на катушку реле РП); блокировка, предотвращающая работу двигателей лебедки при

неработающем маслонасосе (осуществляется блок-контактом 12П магнитного пускателя двигателя маслонасоса);

блокировка, исключающая возможность повреждения стрелы АСП-3 талевым блоком подъемной системы (контакты путевого командоаппарата 2КА и реле блокировки стрелы РБС включены в цепь защиты лебедки — реле РЗЛ; 2КА размыкается на высоте 20 м, РБС отключается при подходе стрелы АСП к центратору, поэтому, если стрела находится у центратора, талевый блок остановится, не доходя до его уровня);

блокировка от одновременного подключения двигателей лебедки и регулятора подачи к барабану лебедки (осуществляется конечным выключателем 2ВКП кулачковой муфты регулятора подачи, кон­ такт которого включен в цепь реле РЗЛ);

защита от удара талевым блоком по кронблоку (осуществляется размыкающим контактом ЗКА путевого командоаппарата, включен­ ным в цепь катушки реле РЗЛ).

Для контроля за работой двигателя в режиме подъема инстру­ мента и бурения ротором в схеме предусмотрен амперметр А, кон­ тролирующий ток статора приводного двигателя лебедки. Экстрен­ ная остановка двигателя осуществляется кнопкой «Стоп» в цепи катушки РЗЛ.

Электропривод с электромагнитными муфтами и тормозами

Применение электромагнитных муфт, устраняя скачкообразное изменение момента в процессе разгона, обеспечивает плавный и ин­ тенсивный разгон привода, значительно упрощает систему привода и открывает широкие возможности внедрения в электропривод ле­ бедки синхронных и асинхронных с короткозамкнутым ротором дви­ гателей. Относительная простота конструкции этих двигателей, повышенные надежность и энергетические показатели, особенно син­ хронных, обеспечат заметное повышение технико-экономических по­ казателей электропривода лебедок. Электропривод лебедки с электро-

магнитными муфтами позволяет значительно повысить надежность электрооборудования, улучшить условия его эксплуатации, обеспе­ чить максимальное использование установленной мощности'привод­ ных двигателей и соответственно увеличить производительность, уменьшить износ механического оборудования, а также снизить толчки тока и, следовательно, падение напряжения в питающих ли­ ниях. Последнее особенно важно для мощных приводов лебедки буровых установок тяжелого типа.

Кроме того, электромагнитные муфты позволяют в наибольшей степени осуществить унификацию буровых установок с дизельным и электрическим приводами, относительно просто решить вопросы автоматизации управления приводом лебедки с возможностью фор­ сирования переходных процессов, что обеспечивает повышение про­ изводительности подъемных операций.

В электроприводе лебедки э л е к т р о м а г н и т н ы е м у ф ­ ты у с т а н а в л и в а ю т м е ж д у п р и в о д н ы м и д в и ­

Пуск привода лебедки осуществляется включением электро­ магнитной муфты путем подачи тока в обмотку возбуждения. Система управления может быть выполнена автоматической или полуавтома­ тической с возможностью оперативного вмешательства бурильщика. Формирование необходимых динамических характеристик может быть получено регулированием тока возбуждения.

Привод с электромагнитными муфтами обеспечивает непрерывный переход от натяжки талевой системы к подъему инструмента, оста­ новку колонны бурильных труб на заданной высоте, полную за­ грузку приводных двигателей и равномерное распределение нагрузки между ними.

В качестве вспомогательных тормозов буровых лебедок приме­ няются гидравлические и электромагнитные тормоза. Иногда для торможения могут быть использованы приводные двигатели лебедки.

Наиболее целесообразно в качестве вспомогательного тормоза буровой лебедки применять электромагнитный тормоз.

В электромагнитных индукционных и порошковых тормозах вся энергия торможения превращается в тепло, для отвода которого предусматривается водяное или реже воздушное охлаждение. От­ носительно простая конструкция, отсутствие фазной обмотки, плав­ ность, удобство и легкость управления тормозным моментом позво­ ляют считать электромагнитные тормоза наиболее перспективными тормозными устройствами для буровых лебедок.

Электромагнитные тормоза обычно сочленяются с валом барабана лебедки с помощью кулачковых муфт. Систему водяного охлаждения устанавливают рядом или выносят за пределы буровой площадки. Станцию управления электромагнитным тормозом можно располо­ жить в любом удобном месте на буровой или за ее пределами. Управление тормозом производится с пульта бурильщика и при

необходимости может быть связано с рукояткой механического тормоза.

Управление процессом торможения при спуске инструмента осу­ ществляется изменением тока возбуждения электромагнитного тор­ моза. Система управления так же, как и в электромагнитных муф­ тах, может быть выполнена автоматической или полуавтоматической с возможностью оперативного вмешательства бурильщика.

Основное преимущество электромагнитных тормозов — возмож­ ность плавного регулирования в широких пределах тормозного мо­ мента, а также относительная простота и легкость автоматизации процесса торможения. Электромагнитные порошковые тормоза могут быть использованы в качестве пассивных автоматических регулято­ ров подачи долота.

Технические данные отечественных электромагнитных муфт и тор­

Примером буровой установки с электромагнитной муфтой и тор­ мозом может быть буровая установка БУ-80БрЭ. В этой установке привод буровой лебедки осуществляется синхронным двигателем типа СДЗБ-13-42-8 (450 кВт, 6 кВ, 750 об/мин). Вал этого двигателя сочленен с трансмиссией, от которой движение передается к ротору, посредством электромагнитной муфты скольжения типа ЭМС-750. Ток возбуждения синхронного двигателя и электромагнитной муфты скольжения регулируется автоматически с помощью раздельных регуляторов.

В качестве вспомогательного тормоза лебедки служит электро­ магнитный порошковый тормоз типа ТЭП-4500. Этот же тормоз ис­ пользуется в качестве автоматического регулятора подачи долота.

В схеме управления электромагнитными порошковыми тормозами ТЭП-4500 и ТЭП-7500 обмотки возбуждения тормоза (эти тормоза

являются двухобмоточными) получают питание от магнитного уси­ лителя через трехфазный выпрямительный мост. Магнитный усили­ тель имеет две последовательно соединенные обмотки смещения (за­ пирающие магнитный усилитель), обмотку жесткой обратной связи по частоте вращения барабана лебедки и задающую обмотку. Связь по частоте вращения барабана лебедки (скорости спуска инстру­ мента) снимается с тахогенератора, пристроенного к тормозу. Упра­ вление торможением осуществляется с помощью командоконтроллера.

Схемой управления предусматривается возможность использо­ вания порошкового тормоза для автоматического регулирования подачи инструмента во время бурения, а также режим форсировки перед посадкой инструмента на клинья.

§ 40. ЭЛЕКТРОПРИВОД БУРОВЫХ НАСОСОВ

Характеристика и мощность

Буровой насос создает циркуляцию бурового раствора, очища­ ющего забой и при турбинном способе бурения передающего энер­ гию турбине. В бурении в основном применяются поршневые насосы, имеющие сменные цилиндровые втулки, позволяющие в определен­ ных пределах изменять производительность насоса при постоянном числе ходов поршней в минуту. При неизменных глубине бурения, конструкции скважины и бурильной колонны и качестве бурового раствора момент на приводном валу бурового насоса связан парабо­ лической зависимостью с угловой скоростью этого вала. Постоянная параболы зависит от конструктивных данных насоса, диаметра при­ меняемой втулки, параметров бурового инструмента и качества про­ качиваемой жидкости.

В начале бурения скважины давление, создаваемое насосом, не­ велико. Однако по мере углубления скважины вследствие увеличе­ ния гидравлического сопротивления увеличивается и давление на выходе насоса, величина которого ограничена прочностью деталей насоса. Поэтому, начиная с определенной глубины скважины, про­ изводительность насоса приходится ограничивать. Ограничение производительности насоса необходимо также и по технологическим причинам. Частично эта задача решается при нерегулируемом элек­ троприводе сменой цилиндровых втулок насоса, что дает ступенча­ тое изменение производительности насоса. Однако недоиспользование мощности двигателя при таком регулировании весьма сущест­ венно. Наилучшее использование мощности и работа на оптималь­ ных технологических реяшмах возможны только при плавном ре­ гулировании производительности насоса.

Более полное использование мощности насосов при регулиру­ емом приводе практически выражается в том, что при той же макси­ мальной величине допустимого давления, в системе производитель­ ность насосов в абсолютном большинстве рейсов может быть выше,