книги / Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности
..pdfПо значению Рэ, найденному по формуле (8.10) или (8.13), подбирается двигатель с номинальной мощностью Рп так, чтобы Ри^Рэ- При разработке новых серий электроприводов станков-
качалок или |
при выполнении специальных |
исследований, |
||
когда |
необходимо получить более точные данные для |
вы |
||
бора |
двигателя, |
строят нагрузочные диаграммы |
P = f(t). |
По |
строение последних, а также исследование переходных процессов электроприводов основываются на составлении и ре шении уравнений движения электропривода. Имея нагрузоч
ную |
диаграмму, методом |
эквивалентного тока или мощно |
сти |
находят необходимую |
номинальную мощность электродви |
гателя. |
|
Выбранный по условиям нагрева двигатель не во всех слу чаях будет удовлетворять требованиям работы в приводе стан ка-качалки. Он должен удовлетворять условиям пуска станкакачалки и условиям преодоления пиков нагрузочного момента при работе установки. При пуске станка-качалки двигатель должен развивать момент, обеспечивающий преодоление ста тического момента сопротивления системы и некоторый избыточ ный момент, необходимый для ее разгона до установившейся скорости. Статический момент сопротивления системы при пуске превышает соответствующий момент при установившемся ре жиме из-за увеличенных сил трения, обусловленных заеданием движущихся частей, выжиманием смазки, наличием песчаных пробок.
Протекание пускового процесса зависит также от начального положения кривошипа станка и от того, как изменяется на грузка непосредственно после начала пуска.
Следует также учитывать, что в случае снижения напряже ния в питающей сети во время пуска двигателя соответственно уменьшается начальный пусковой момент двигателя.
Расчеты и практика показывают, что при MJ Mn= 2 успешно запускаются все типы станков-качалок, причем время разгона для малых и средних станков составляет 0,5—5 с, а для неко торых типов тяжелых станков возрастает до 4—10 с. Двигатели с кратностью пускового момента 1,8—2 следует считать при годными для привода станков-качалок.
Что касается кратности максимального момента /Сет. шах = =Л4СТ. тах/Мн, то необходимое значение ее составляет 1,8—1,9 при хорошем уравновешивании станка-качалки. Вероятность пе регрузок двигателя возрастает в случае использования насосов малых диаметров при больших числах качаний и длинах хода, большой глубине подвески насоса. Поэтому большие значения
/Сет. max ОТНОСЯТСЯ К ЭТИМ УСЛОВИЯМ.
Обычно величина /Сет. шах станков-качалок составляет ную работу электропривода ных снижениях напряжения
у асинхронных двигателей привода 2,1—2,8, что обеспечивает надеж
сперегрузками и при значитель
впитающей сети.
301
§ 46. Электродвигатели для станков-качалок
Наиболее распространенными для привода станков-качалок в последние годы являются короткозамкнутые асинхронные дви гатели в закрытом обдуваемом исполнении единой серии АОП2 с повышенным моментом, у которых Л4П/МП= 1,8-ь2 при крат ности пускового тока, равной 5,5—7. Так как двигатели с син хронной частотой вращения 1500 об/мин имеют более высокие КПД и cos ср и меньшую массу, чем двигатели с меньшей син хронной частотой вращения, им отдают предпочтение. Лишь при малых числах качаний (менее восьми) станка-качалки,
Рис. 8.3. Общий вид (разрез) электродвигателя АОП2
когда при минимальном диаметре сменного шкива двигателя и нормальном редукторе не обеспечивается нужное число кача ний, применяют двигатели на 1 000 об/мин.
На рис. 8.3 показан общий вид (разрез) двигателя АОП2 (табл. 8.2). Начат выпуск электродвигателей единой серии 4А, которые в диапазоне мощности от 1,1 до 11 кВт и для мощно стей 15; 18,5; 20 и 30 кВт при частоте вращения 1500 об/мин имеют кратность пускового момента Мп/Мн= 2.
Эти двигатели имеют меньшие по сравнению с двигателями АОП2 габаритные размеры, и в них применена более тепло стойкая изоляция. Двигатели серии 4А начинают применять для новых установок станков-качалок.
Вычисленные по формуле (8.3) коэффициенты мощности, со ответствующие номинальным значениям cos фэ двигателей АОП2, для практических условий эксплуатации станков-качалок лежат в пределах 0,55—0,84 в зависимости от значения Кз и номи нальной мощности применяемых двигателей. Для повышения cos ф на подстанциях, питающих глубиннонасосные скважины,
302
были разработаны приводы с синхронными двигателями для станков-качалок. Развитие полупроводниковой техники позво лило применить в этом случае маломощные синхронные двига тели с питанием обмотки возбуждения от сети переменного тока через компактные полупроводниковые выпрямители.
В Физико-энергетическом институте Академии наук Латвий ской ССР были разработаны бесконтактные синхронные двига тели. Двигатели типа СДБ-81-4 и СДБПК-81-4 мощностью 20 кВт прошли успешно опытную эксплуатацию на нефтепромысле объединения Азнефть для привода станков-качалок. Намечен серийный выпуск подобных двигателей для нефтяной промыш
ленности на 380 В, |
1500 об/мин. |
|
|
|
||
|
Синхронные двигатели для станков-качалок |
|
|
|||
Тип |
Мощность, |
КПД |
Тип |
Мощность, |
КПД |
|
|
кВт |
кВт |
||||
|
|
|
|
|
||
СДБ-31-4Н |
|
1,5 |
0,78 |
СДБ-71-4Н |
11,0 |
0,89 |
СДБ-41-4Н |
|
3,0 |
0,87 |
СДБ-81-4Н |
20,0 |
0,91 |
СДБ-51-4Н |
|
5,5 |
0,88 |
|
|
|
Пусковой момент этих двигателей лежит в пределах (1,2— 1,8)Л4Ш пусковой ток /п= (3,5—5ЯП), входной момент Мвх— (0,25—0,35)Л4Н максимальный момент Мст. тах^ 1,7М„.
Несмотря на небольшую величину Мвх, двигатели СДБ при вода станка-качалки надежно втягиваются в синхронизм в пе риоды минимума нагрузки (ход плунжера вниз).
Бесконтактные синхронные электродвигатели серии СДБ (рис. 8.4, а) имеют внешний магнитопровод (станина, подшип никовые щиты, ротор с когтеобразными полюсами) и обмотки
Таблица 8.2
Основные технические данные двигателей АОП2 на 380 В мощностью 4—55 кВт для станков-качалок
Тип двигателя
Параметры
Номинальная
АОП2-41-4 |
АОП2-42-4 |
АОП2-51-4 |
АОП2-52-4 |
АОП2-61-4 |
АОП2-62-4 |
АОП2-71-4 |
АОП2-72-4 |
АОП2-81-4 |
АОП2-82-4 |
4 ,0 |
5,5 |
7,5 |
10 |
13 |
17 |
22 |
30 |
46 |
55 |
мощность Рн, кВт |
1440 |
1450 |
1460 |
1465 |
1440 |
1440 |
1440 |
1450 |
1470 |
1470 |
Частота вращения, |
||||||||||
об/мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кпд, % |
85 |
87 |
88 |
88 |
88 |
88 |
89,5 |
90 |
91 |
92 |
COS Ф |
0,81 |
0,82 |
0,83 |
0,83 |
0,84 |
0,84 |
0.85 |
0,85 |
0,89 |
0,89 |
м п/ м н |
1,8 |
1,8 |
1,8 |
1,8 |
1,8 |
1,8 |
1,8 |
1,8 |
1,8 |
1,8 |
|
2,2 |
2,2 |
2,2 |
2,2 |
2,2 |
2,2 |
2,2 |
2,2 |
2,2 |
2,2 |
/п //н |
7 |
7 |
7,5 |
7,5 |
7,5 |
7,5 |
7,5 |
7,5 |
7,5 |
7,5 |
Масса, кг |
55.5 |
66,5 |
93 |
107 |
134 |
152 |
208 |
235 |
335 |
415 |
303
мени по мере использования, насоса производительность сква жины начинает уменьшаться, все больше отклоняясь от опти мальной. Длительная работа скважины в оптимальном режиме может быть обеспечена, если по мере износа насоса будет со ответственно увеличиваться число качаний станка-качалки.
В настоящее время скважину останавливают и насос извле кают из нее для, ремонта при уменьшении коэффициента подачи насоса в 2 раза против начального значения. При регулируемом электроприводе возможно увеличение межремонтного периода работы насоса и сокращение времени простоев скважины, обу словленных необходимостью смены насоса.
В-третьих, имеются такие скважины, на которых необходимо постепенно увеличивать число качаний после пуска скважины вследствие большого содержания песка в откачиваемой жидкости.
Применяемая в настоящее время для изменения числа кача ний смена шкивов не дает возможности плавно изменять число качаний, вызывает простои скважины на время перестановки шкивов и может приводить к нежелательным изменениям ре жима скважины. Поэтому актуальной является разработка но вого регулируемого электропривода станков-качалок.
Для регулирования частоты вращения двигателей может быть предложено несколько решений: использование асинхронных ка скадов, двигателей постоянного тока, питаемых от регулируемых выпрямителей, многоскоростных асинхронных или синхронных двигателей с коробками передач и др. Возможно применение синхронных двигателей с плавным регулированием их скорости за счет изменения частоты, достигаемого применением полупро водникового преобразователя частоты.
Исследования в области создания регулируемых приводов по стоянного тока с двигателями, питаемыми через управляемые выпрямители, а также частотно регулируемых приводов пере менного тока для станков-качалок ведутся в АЗИННЕФТЕХИМ им. Азизбекова. Институтом Азнииэти разработан короткоцик ловый электропривод станков-качалок на основе двухскорост ного асинхронного двигателя на 750 и 1500 об/мин.
Этот привод может работать в следующих режимах: длитель ном на низшей скорости; циклическом с чередованием двух ско ростей; длительном на высшей скорости.
Среднее число качаний п за время, цикла Т определяется продолжительностью t\ работы электродвигателя на низшей t\ и высшей t2 частотах вращения, чему соответствуют П{ и п2— низшее и высшее число качаний:
п = Я^* + У«- |
(8.14) |
Т |
|
Число п может изменяться от П\ до п2, с изменением t\ и t2. Общая продолжительность цикла равна 10 мин.
305
§ 47. Схемы питания, самозапуск электродвигателей станков-качалок и аппаратура управления
Остановка большей части глубиннонасосных установок в слу чае прекращения подачи электроэнергии связана только с поте рей нефти, определяемой прекращением ее откачки из скважины, и не вызывает серьезных осложнений при дальнейшей эксплуа тации. Такие установки относятся ко 2-й категории надежности электроснабжения.
Глубиннонасосные установки в нефтеносных районах со сложными условиями эксплуатации, где остановка насоса при-
Рнс. 8.5. Схемы питания глубнннонасосных установок: схема питания при на пряжении распределительной сети 6 (а) и 0,38 (б) кВ
водит к осложнениям при последующем пуске скважин (напри мер, вследствие образования песчаных пробок), относятся, к пер вой категории.
Глубиннонасосные установки питаются при напряжении 0,38 кВ от устанавливаемых на скважинах комплектных транс форматорных подстанций (КТП) 6/0,4 кВ, которые в свою оче редь питаются от воздушных линий (рис. 8.5, а ).
На некоторых промыслах сохранились схемы с подведением к двигателям станков-качалок напряжения 380 В непосредст венно от промысловых понижающих подстанций 6/0,4 кВ также при помощи воздушных линий (рис. 8.5,6).
Вкачестве КТП использовались главным образом подстан ции, основное назначение которых — питание сельскохозяйствен ных н бытовых потребителей.
Внастоящее время имеются специальные подстанции для пи
тания станков-качалок типа КТПСК мощностью от 25 до 250 кВ-А, рассчитанные на работу при температурах от —40° С до +40® С
Имеются три модификации КТПСК: первая — для одиноч ных скважин, вторая и третья — для кустов скважин (рис. 8.6).
В соответствии с мощностью (4—55 кВт) и напряжением (380 В) асинхронных электродвигателей станков-качалок для них применяется относительно несложная пусковая и защитная аппаратура.
Условия, действия ее зависят от способа самозапуска двига телей— индивидуального или группового (магистрального). При индивидуальном самозапуске после исчезновения или глубокого снижения напряжения двигатель автоматически отключается от питающей сети и после восстановления нормального напряже-
307
ния вновь автоматически подключается с заданной выдержкой времени. При этом для включения разных групп двигателей, питаемых от одного источника, задаются разные выдержки вре мени. Это предотвращает наложение пусковых токов боль шого числа одновременно пускаемых двигателей, что приводило бы к понижению напряжения и уменьшению пусковых момен тов двигателей, при котором они не могли бы разогнаться.
Обычно двигатели с индивидуальным самозапуском, питае мые от одной подстанции 6/0,38 кВ или от одной линии 6 кВ,
|
разбиваются |
на |
несколько |
||||
|
групп: в первой группе вы |
||||||
|
держка |
времени |
отсутствует, |
||||
|
т. е. они запускаются непос |
||||||
|
редственно |
после восстановле |
|||||
|
ния напряжения; во второй, в |
||||||
|
третьей группах и т. д. двига |
||||||
|
тели включаются с выдержкой |
||||||
|
времени, |
возрастающей при пе |
|||||
|
реходе от группы к группе. На |
||||||
|
ибольшая |
выдержка |
времени |
||||
|
зависит от типа реле времени, |
||||||
|
установленного в пусковой |
ап |
|||||
|
паратуре, и составляет 14 или |
||||||
|
20 с. |
групповом |
самозапус- |
||||
Рис. 8.7. Схема аппарата управления |
При |
||||||
ке в случае |
исчезновения |
или |
|||||
двигателем станка-качалки при груп |
глубокого |
снижения |
напряже |
||||
повом самозапуске |
|||||||
|
ния в сети каждый отдельный |
||||||
|
двигатель |
станка-качалки |
не |
отключается от питающей его линии. Отключаются сами ма гистрали на питающей подстанции. Самозапуск осуществляется включением магистралей в определенной последовательности с разными выдержками времени. При включении магистрали начинается пуск всех подключенных к ней двигателей.
При групповом самозапуске для электродвигателя станка-ка чалки в качестве пускового и защитного может быть применено устройство (рис. 8.7), содержащее автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем максимального тока и трех полюсный контактор КЛ с биметаллическими тепловыми реле РТ В этом случае выключатель защищает двигатель от корот ких замыканий, а тепловые реле — от перегрузок. Исчезновение напряжения приводят к отключению двигателя от источника питания, а при появлении напряжения двигатель немедленно присоединяется к источнику контактами контактора, катушка которого остается подключенной к питающим проводам. Опера тивное отключение может быть осуществлено автоматическим выключателе^ и ключом К в цепи катушки контактора. Если самозапуск двигателя должен быть исключен, то в качестве
308
пускового и защитного устройства может быть применен аппа рат, содержащий установочный автомат и магнитный пускатель.
Промышленность СССР выпускает специальные блоки уп равления электроприводами станков-качалок серии БГШ (рис. 8.8, а), заменяющие ранее выпускавшиеся блоки БУ-ЗМ,
|
|
|
а — с |
самозапуском, управлением |
|
|
|
|
местным и с диспетчерского пунк |
||
|
|
|
та; б —с автоматическим |
управле |
|
! 1 |
рРВв ^ ~ |
УВ |
нием в |
зависимости от |
давления |
в выкидном коллекторе скважины; |
|||||
|
Chi |
|
в — с |
автоматическим |
управле |
|
|
нием в |
режиме периодической экс |
||
|
нл |
|
плуатации |
|
4М, 5М. Блоки БГШ могут быть также использованы при груп повом самозапуске и при отсутствии самозапуска вообще. По номинальной силе тока в главной цепи (выключателя А1) раз личают блоки на 15, 20, 40 и 100 А.
Конструктивно блок выполнен в виде металлического шкафа водо- и пылезащищенного исполнения, предназначенного для ра боты на открытом воздухе. В шкафу смонтирована вся аппара тура блока. Снаружи закреплен привод с рукояткой для вклю чения автоматического выключателя А1. На боковую стенку шкафа выведена рукоятка управления универсального кулачко вого переключателя УП; здесь же расположен штепсельный разъем ШР, предназначенный для подключения переносного электрифицированного инструмента и рукоятка пакетного выключателя В1. Автоматический выключатель А1 с электромаг нитным расцепителем служит для защиты двигателя от токов короткого замыкания иОтключения блока и двигателя от сети
309
при осмотрах и ремонтах. Автоматический выключатель А2 за щищает от токов к. з, переносный электрифицированный ин струмент. Управление двигателем осуществляется при помощи переключателя УП, имеющего одно фиксированное (нулевое) положение рукоятки с самовозвратом в это положение.
Для пуска двигателя вручную на месте, установки блока после включения выключателя А1 рукоятка переключателя УП переводится в крайнее правое положение, что приводит к замы канию его контактов 1— 1 и 2—2.
Катушка контактора КЛ возбуждается без выдержки вре мени, главные контакты КЛ подключают двигатель к сети.
При отпускании рукоятки переключатель возвращается в по ходное положение, контакты 1— 1 размыкаются, а контакты 2—2 замкнуты и двигатель остается в работе.
В случае исчезновения или резкого снижения напряжения во время работы двигателя он отключается от сети, так как пре кращается питание катушки КЛ. Последующее восстановление напряжения приводит к возбуждению катушки реле времени РВ. Через установленное время замыкается контакт РВ и по лучает питание катушка КЛ. Двигатель станка-качалки под ключается к сети, осуществляется его самозапуск. Катушка реле РВ обесточивается размыкающим вспомогательным контак том КЛ. Контакт РВ размыкается, но катушка КЛ остается под током, так как цепь этого контакта зашунтирована замы кающим контактом КЛ.
Для отключения электродвигателя без последующего самозапуска рукоятку переключателя переводят в левое положение. Оба его контакта размыкаются, обесточивается катушка КЛ и двигатель отключается от сети.
При дистанционном управлении с диспетчерского пункта переключатель УП также переводится в левое положение, а уп равление электродвигателем производится при помощи контакта ДУ аппарата, находящегося на диспетчерском пункте. Самоза пуск исключается.
При аварийном состоянии скважины (обрыв штанг, штока, заклинивание плунжера и т. д.) замыкается контакт инерцион ного магнитного выключателя ИМВ. Возбуждается и самоблокнруется своим замыкающим контактом реле Р2.
Размыкающий контакт Р2 обесточивает катушку контактора КЛ, что приводит к отключению двигателя.
После ликвидации аварии реле Р2 приводится в исходное положение путем отключения автоматического выключателя Л/. Замыкается контакт реле Р2 в цепи катушки КЛ и возмо жен пуск двигателя.
Реле РЗ осуществляет защиту от обрыва фаз. В случае ис чезновения напряжения между фазами оно размыкает свой контакт РЗ в цепи реле PI н обесточивает последнее. Контакт РК размыкаясь, лишает питания катушку контактора КЛ.