Источники электроэнергии и особенности её распределения на предприятиях нефтяной и газовой промышленности

При переходе на бурение с большими значениями удельного момента регулятор вновь начнет поддерживать заданное значение активной составляющей тока статора, а контур осевой нагрузки автоматически отключится.

В буровых установках, оборудованных электромагнитными порошковыми тормозами (ТЭГ), последние используются во время бурения в качестве пассивных регуляторов подачи долота. Тормозной момент, развиваемый ТЭП, постоянен и не зависит от частоты вращения вала, причем значение тормозного момента почти однозначно определяется током возбуждения тормоза и на рабочем участке характеристики связано с ним линейной зависимостью.

Если в процессе бурения  установить некоторую осевую нагрузку на долото и уравновесить момент от усилия на крюке тормозным моментом, барабан лебедки будет неподвижен.

Несколько уменьшив ток  возбуждения тормоза, достигают  медленного вращения барабана лебедки. Вследствие углубления долота в породу нагрузка на долото уменьшается, а момент на валу барабана, увеличиваясь, становится больше тормозного момента, и барабан начинает вращаться, обеспечивая плавную подачу инструмента. Если пренебречь трением труб о стенки скважины, то нагрузка на долото всегда будет равна разности между весом инструмента и тормозным усилием ТЭП.

 

 

 

 

 

 

Электропривод буровой лебедки

Характеристика  и мощность электропривода

Помимо главных операций — непосредственно подъема или  опускания бурильных труб — при  помощи лебедки часто свинчивают и развинчивают трубы, переносят их и устанавливают, поднимают и опускают незагруженный элеватор, подают долото на забой и пр. Так как все эти операции требуют различной мощности и характеристик электропривода, в новейших и проектируемых буровых установках для вспомогательных операций применяются отдельные механизмы с индивидуальным электроприводом. Лебедка с ее электроприводом используется только для подъема и опускания бурильных труб, причем для подъема труб служат приводные двигатели, а для торможения при опускании — вспомогательные тормоза или приводные двигатели.

Подъем бурильных труб состоит из отдельных циклов, число которых равно числу свечей: за время одного цикла производится подъем на высоту одной свечи (25—27 м), затем ее отвинчивают, переносят и устанавливают, после чего цикл повторяется. Таким образом, по мере подъема вес колонны бурильных труб дискретно уменьшается и, следовательно, уменьшается момент статического сопротивления на валу приводного двигателя. Диапазон изменения момента статического сопротивления определяется отношением веса максимального груза к весу крюка с незагруженным элеватором и составляет 14 : 1 — 20 : 1, причем больший диапазон относится к лебедкам большей грузоподъемности. Поскольку время работы привода лебедки при подъеме бурильных труб перемежается паузами для отвинчивания, переноса и установки труб, а также для спуска крюка с незагруженным элеватором, режим работы привода лебедки — повторно-кратковременный, с относительной продолжительностью включения 25—40%.

Двигатель лебедки должен обладать достаточно большим максимальным моментом для получения больших ускорений при разгоне труб на высших скоростях лебедки, а также для освобождения бурильной колонны в случае прихвата ее породой. Кратность максимального момента Я = 2,5ч-2,8 можно считать достаточной.

Электропривод лебедки  при отсутствии механизма аварийного подъема должен быть двухдвигательным, что способствует повышению его надежности. В установках, комплектуемых регуляторами подачи долота, способными обеспечить аварийный подъем инструмента максимального веса, наряду с двухдвигательными применяются и однодвигательные электроприводы.

Двигатели лебедки мощностью  до 200—250 кВт целесообразно выбирать на напряжение 380, 500 или 660 В, так как для управления цепями статора этих двигателей можно применить контакторную аппаратуру низкого напряжения. При мощности двигателей более 250 кВт целесообразно выбирать их на напряжение 6 000 В, что позволяет устранить промежуточную трансформацию напряжения.

В результате технико-экономического сравнения вариантов электропривода буровой лебедки может оказаться, что наиболее целесообразным является электропривод постоянного тока. Этот электропривод выгоднее всего делать безредукторным. Применение безредукторного привода позволяет существенно упростить конструкцию лебедки и устранить ряд звеньев (цепные передачи, подшипники, шинно-пневматические муфты), более всего подверженных износу. Связь приводного двигателя непосредственно с барабаном лебедки позволяет использовать двигатель и в качестве электротормоза. Электропривод постоянного тока для лебедок всех буровых установок может оказаться перспективным после создания надежных и дешевых мощных тиристорных выпрямителей.

Точно определить мощность Р_д.п двигателей лебедки трудно, поскольку эти двигатели при спуско-подъемных операциях работают в повторно-кратковременном режиме с переменными продолжительностью цикла и моментом статического сопротивления на валу. Поэтому сначала по основным параметрам бун ровой лебедки, пользуясь приближенными формулами, ориентировочно определяют Р_д.п, а затем, выбрав двигатель и рас- считав его действительную нагрузочную диаграмму с учетом выполнения вспомогательных операций, выполняют проверочный расчет мощности методом эквивалентного тока или момента.

При двухдвигательном приводе  лебедки каждый двигатель берется  половинной мощности с обязательной проверкой возможности подъема одним двигателем инструмента максимального веса на первой передаче лебедки.

Выбрав предварительно двигатель по известной мощности и частоте вращения, определяемой по заданной скорости подъема и передаточному числу трансмиссии, можно построить действительную нагрузочную диаграмму двигателя и вычислить его эквивалентный момент при работе на всех передачах лебедки по формуле. Эквивалентный момент должен быть меньше номинального момента двигателя, выбранного предварительно. В противоположном случае нужно выбрать двигатель следующего габарита или увеличить передаточное число трансмиссии, вновь построить нагрузочную диаграмму и повторить расчет эквивалентного момента.

Если для привода  лебедки применен двигатель постоянного тока с регулированием частоты вращения изменением магнитного потока, а продолжительность периодов пуска двигателя переменного тока составляет существенную часть времени цикла, двигатель следует проверять по методу эквивалентного тока, 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 лебедки сокращается машинное время подъема инструмента, вследствие чего уменьшается условная годовая потребность в буровых установках для выполнения заданного объема буровых работ. Одновременно возрастают отчисления за амортизацию  электрооборудования  и  стоимость  израсходованной электроэнергии. Поэтому суммарные расходы на подъем инструмента имеют минимум при некоторой мощности двигателя, которая и является рациональной.

Для торможения барабана лебедки при спуске инструмента  в современных буровых установках применяют электромагнитные тормоза, которые характеризуются развиваемым тормозным моментом и способностью рассеивать энергию торможения.

Максимальные установившиеся скорости спуска инструмента отечественных буровых установок обычно соответствуют частоте вращения 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 осуществлять экстренное торможение до полной остановки при порошковых тормозах и до «ползучих» скоростей при индукционных.

Для буровых установок  можно принять следующий порядок  расчета и выбора электромагнитных тормозов:

на основании известного веса инструмента определяют необходимый номинальный тормозной момент (для индукционных тормозов при частоте вращения 50 мин^-1);

определяют максимальный тормозной момент, обеспечивающий экстренное торможение инструмента на заданном пути;

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

по полученным данным выбирают электромагнитный тормоз.

Двигатели и  станции управления

В буровых установках БУ-75БрЭ, «Уралмаш-4Э» и «Урал-маш-4000БЭ»  для привода буровой лебедки и ротора применяют асинхронные двигатели с фазным ротором. Эти двигатели являются модификацией двигателей единой серии А, они рассчитаны на эксплуатацию в неотапливаемых помещениях с нормальной средой при температуре окружающего воздуха ±40° С и с относительной влажностью 90% при 20°С 

Исполнение двигателей брызгозащищенное с влагостойкой изоляцией, горизонтальное с самовентиляцией; вал на щитовых подшипниках качения  с одним свободным концом под  полумуфту. Двигатели приспособлены для монтажа и транспортировки в полевых условиях.

Рис. 41. Схема управления электроприводом буровой лебедки со станцией СБ-64-500 (ШГШ-6704-58Б1)

Буровые магнитные станции  типа СБ, применяемые для управления приводными двигателями лебедки и ротора, конструктивно выполнены в виде   металлического   шкафа   с   дверцами с четырех сторон и имеют исполнение У2. Каркас станций монтируется на салазках, что поззоляет транспортировать станции волоком в пределах буровой установки.

Во всех станциях типа СБ для уменьшения числа контакторпых ступеней применена схема дроссельного пуска.  Принципиальные схемы управления двигателями при помощи станций типа СБ мало различаются. Рассмотрим схему управления двигателем буровой лебедки установки со станцией СБ-64-500 (ШГШ-6704-58Б1) (рис. 41).

Управление электроприводом  лебедки осуществляется командоконтроллером КК с пульта бурильщика.

Для включения двигателя АД лебедки (второй двигатель находится в резерве) предварительно включают двигатель насоса, подающего смазку в редуктор (контакт ПМ закрывается). При всех остальных защитах и блокировках, находящихся во включенном положении, втягивается якорь контактора КН (при нулевом положении командоконтроллера КК).

Контактор КН включается и шунтирует своим замыкающим вспомогательным контактом контакт 1 командоконтроллера КК.

 

 

Электропривод с электромагнитными муфтами и тормозами

 

Применение электромагнитных муфт, устраняя скачкообразное изменение момента в процессе разгона, обеспечивает плавный и интенсивный разгон привода, значительно упрощает систему привода и открывает широкие возможности внедрения в электропривод лебедки синхронных и асинхронных с короткозамкнутым ротором двигателей. Относительная простота конструкции этих двигателей (особенно синхронных), их повышенные надежность и энергетические показатели приводят к заметному повышению технико-экономических показателей электропривода лебедок. Электропривод лебедки с электромагнитными муфтами позволяет значительно повысить надежность электрооборудования, улучшить условия его эксплуатации, максимально использовать установленную мощность приводных двигателей и соответственно увеличить производительность, уменьшить износ механического оборудования, а также уменьшить силу тока и, следовательно, потерю напряжения в питающих линиях. 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 ре шить вопросы автоматизации управления приводом лебедки с возможностью форсирования переходных процессов, что обеспечивает повышение производительности подъемных операций.

В электроприводе лебедки  электромагнитные муфты устанавливаются между приводными двигателями и трансмиссией. При производстве спуско-подъемных операций приводной двигатель работает в режиме постоянного вращения на естественной характеристике.

Привод лебедки пускают  включением электромагнитной муфты  путем подачи тока в обмотку возбуждения. Система управления может быть выполнена автоматической или полуавтоматической 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, остановку колонны бурильных труб на заданной высоте, полную загрузку приводных двигателей и равномерное распределение нагрузки между ними.

В качестве вспомогательных тормозов буровых лебедок нашли применение гидравлические и электрические тормоза. Иногда для торможения могут быть использованы приводные двигатели лебедки. Для буровой лебедки наиболее рационально в качестве вспомогательного применять электромагнитный тормоз.

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

Электромагнитные тормоза  обычно сочленяются с валом барабана лебедки с помощью шинно-пневматических муфт. Система водяного охлаждения устанавливается рядом или выносится за пределы буровой площадки. Станция управления электромагнитным тормозом может быть расположена в любом удобном месте на буровой или за ее пределами. Управление тормозом осуществляется с пульта бурильщика и при необходимости может быть связано с рукояткой механического тормоза.

При спуске инструмента  процессом торможения управляют  изменением силы тока возбуждения электромагнитного  тормоза. Система управления так же, как и в электромагнитных муфтах, может быть выполнена автоматической или полуавтоматической с возможностью оперативного вмешательства бурильщика.