Электрооборудование нефтяной промышленности
..pdfПривод винтов с фиксированными лопастями выполняется регулируемым от электродвигателей постоянного тока, которые питаются от тиристорных преобразователей. Поскольку техно* логические механизмы и судовые винты работают не одно временно, питание двигателей этих приводов можно осущест влять от тех же тиристорных преобразователей.
В силовых агрегатах зарубежных морских буровых устано вок применяют синхронные генераторы мощностью 1300— 3125 кВ-А с частотой вращения 900, 1200 или 1800 об/мин со статической или с бесщеточной системами возбуждения. Регу ляторы возбуждения поддерживают напряжение генератора в пределах ±0,5% от номинального значения при раздельной работе и ±2,5% — при параллельной работе генераторов.
Унификация электрооборудования главных технологических механизмов — важнейшая задача на современном этапе созда ния морских буровых установок. Основной предпосылкой для такой унификации, как уже говорилось, является применение унифицированного технологического комплекса для бурения скважин глубиной до 6500 м. Центральное место в этой зада че занимает разработка унифицированной схемы силовых це пей главных технологических электроприводов (рис. 7.21).
Г Р Щ
Рис. 7.21. Принципиальная схема силовых цепей главных электроприводов морской буровой установки:
ГРЩ — главный |
распределительный щит; ДрА — токоограничивающие реакторы; |
ДрК — |
сглаживающие |
реакторы; ТП — тиристорные преобразователи; В1—В5 — переключатели |
|
силовых цепей; |
КН1—КНЗ, КЛ1, КЛ2, КЦ1—КЦ4, КР, КГ — силовые контакторы; |
МН1— |
МНЗ — двигатели буровых насосов; МЛJ, МЛ2 — двигатели буровой лебедки; МЦ1—МЦ4 — двигатели цементировочных насосов; МР — двигатель ротора; РТ — резисторы динамиче ского торможения двигателей буровой лебедки
250
Электроприводы главных механизмов каждой МБУ получа ют питание от единой электростанции с синхронными генера торами и выполняются по системе тиристорный преобразова тель— двигатель постоянного тока. Технологический комплекс включает в себя 10 электродвигателей главных механизмов. Все электродвигатели разделены на пять групп, причем в каж дой группе может одновременно работать только один элект родвигатель. При разделении электродвигателей по группам учтены технологические требования по одновременности рабо ты механизмов. Тот или иной электродвигатель в группе может включаться дистанционно с помощью контакторов.
Каждая из пяти групп получает питание от одного или другого силового тиристорного преобразователя, переключение питания необходимо только в случае выхода из строя одного из 777 или одного из главных электродвигателей, поэтому здесь могут быть использованы силовые переключатели с ручным приводом. Цепи выхода 777 и переключателей В1—В5 соедине ны в кольцевую схему, таким образом каждый ТП является условно «основным» источником питания для одной группы электродвигателей и «резервным» для другой группы. Схема силовых цепей по рис. 7.21 обладает высокой степенью резерви рования при минимальном числе силовых переключающих ап паратов и тиристорных преобразователей.
Кроме того, унификация электрооборудования главных тех нологических механизмов для всех типов морских буровых ус тановок позволит разработать унифицированную систему уп равления, контроля и регулирования электроприводов, а это связано с унификацией комплекта шкафов и комплектных уст ройств управления. В свою очередь, такая унификация позво лит разработать унифицированные чертежи расположения электрооборудования и прокладки кабелей в электротехничес ких помещениях. Таким образом, все это обеспечит создание единого для всех установок электротехнического блока.
Унификация электрооборудования связана с применением напряжения 690 В для электроэнергетических установок. В связи с этим в качестве источников питания будут установ лены синхронные генераторы мощностью 2000 кВт в единице напряжением 690 В, 50 Гц. Применение повышенного напряже ния потребует создания нового электрооборудования, новой эффективной технологии его изготовления, ремонта и техниче ского обслуживания.
В морских буровых установках возможно образование взры воопасной зоны вокруг наружных установок (вибросит, жело бов, приемных емкостей, дегазаторов) в нормальных условиях эксплуатации буровой установки при циркуляции в системе промывочной жидкости, содержащей до 10% добавок нефти. Опасность возникновения взрывоопасных смесей с воздухом
251
нефтяных паров существует также в закрытых помещениях бу ровых и цементировочных насосов и в помещениях для хране ния бурового раствора.
При классификации взрывоопасных смесей пары нефти от носятся к категории ПА и группе ТЗ; взрывоопасные зоны по мещений морских буровых установок классифицируются в со ответствии с действующими нормативными документами.
7.5.2. Электрооборудование вспомогательных механизмов
Независимо от типа электропривода главных механизмов привод большей части вспомогательных механизмов осуществ ляется асинхронными двигателями с короткозамкнутым рото ром напряжением 380 В с дистанционным управлением. Элект ропривод компрессора низкого давления после его пуска уп равляется автоматически в зависимости от давления сжатого воздуха. После увеличения давления до 0,8—0,9 МПа реле от ключает электропривод; при снижении давления до 0,6—- 0,7 МПа — вновь включает его.
Всхемах управления предусмотрены различные блокиров ки, обеспечивающие требуемую последовательность включения вспомогательных и главных механизмов. Все двигатели вспо могательных механизмов имеют защиту минимального напря жения, защиту от коротких замыканий, перегрузки и однофаз ного включения, осуществляемую расцепителями установочных автоматов и тепловыми реле пускателей. Аппараты управления
изащиты сосредоточены на соответствующих станциях и пультах управления.
Вустановках с неавтономным приводом главных механиз мов питание электроприводов вспомогательных механизмов подается от электрической сети через трансформатор 6000/400 В. От этого же трансформатора питаются цепи освещения. При перерывах в электроснабжении буровой установки вспомога тельные механизмы питаются от резервной дизель-генератор- ной электростанции. В установках с автономным приводом,
(дизельных или дизель-электрических) независимо от рода тока электроприводов главных механизмов двигатели вспомо гательных механизмов питаются от дизель-генераторной элект ростанции переменного тока. Для автоматического регулирова ния напряжения этой электростанции применена схема регуля тора с фазным компаундированием.
Современные буровые установки оснащены комплексом^ механизмов для автоматизации спуско-подъема АСП, позволя ющим совмещать развинчивание, свинчивание и перестановку свечей с перемещением порожнего элеватора. В качестве при вода тележки и стрелы механизмов АСП применены асинхрон-
252
Рис. 7.22. Принципиальная схема управления механизмами АСП
ные |
двигатели |
с |
короткозамкнутым |
ротором |
МТК-Ш-6- |
||
(3,5 |
кВт, 380 В, |
870 об/мин при ПВ-25%). |
Принципиальная |
||||
схема управления АСП показана на рис. 7.22. |
|
|
|
||||
Напряжение на цепи управления подается через автомати |
|||||||
ческий выключатель Л2. Перемещением тележки |
или |
стрелы- |
|||||
управляют постановкой соответствующего |
командоаппарата. |
||||||
{ККТ или ККС) |
в |
нужное положение |
(«вправо» |
или |
«влево», |
«назад» или «вперед»). Остановка полностью зависит от опера тора. Включают и отключают двигатели ДТ и ДС пускатели с тепловой защитой ПЛ, ПП, ПВ и ПН. В исходном положении все контакты в цепях катушек пускателей замкнуты и схема подготовлена к работе. Исходным (нулевым) положением те лежки и стрелы считают положение, когда тележка находится
точно между магазинами, а |
стрела — в |
крайнем, отведенном |
от центра скважины (в этом |
положении |
нажат конечный вы |
ключатель ВК.С1). Для выдвижения стрелы вперед оператор включает командоконтроллер ККС в положение «вперед», при этом включается пускатель ПВ и подключает двигатель стрелы, ДС к сети. Стрела выдвигается до упора в свечу.
Для защиты двигателя от стопорного режима служит ша риковая муфта, которая в момент упора стрелы в свечу начи нает проворачиваться. Оператор поворотом командоконтрол
25&
лера ККС в нулевое положение отключает двигатель ДС от сети. Движение стрелы «назад» происходит аналогично.
Схема управления тележкой подобна схеме управления стрелой. Контакты командоконтроллера ККТ включают пуска тели ПП («вправо») или ПЛ («влево») в зависимости от вы бранного магазина. Точность остановки тележки напротив лю бой из кассет зависит от оператора.
В целях управления тележкой и стрелой имеются блоки ровки, которые не допускают одновременного включения пус кателей ПП и ПЛ, ПВ и ПН, а также блокировки от удара талевым блоком по стреле.
Блокировки осуществляются при помощи конечных выклю чателей стрелы ВКС1 и ВКС2. Конечный выключатель ВКС1 срабатывает, когда стрела полностью убрана от центра сква
жины, выключатель ВКС2— когда стрела |
выдвинута |
на 1,5 м |
от нулевого положения. |
|
|
Для сигнализации положения стрелы служат лампы ЛК и |
||
ЛЗ. Кратковременное включение двигателя |
тележки |
при не |
полностью убранной стреле возможно с помощью кнопки КТ. При наличии в буровой установке вспомогательной лебедки для ее привода применяют асинхронный двигатель с фазным ротором МТВ-312-6 (16 кВт, 380 В, 960 об/мин при ПВ = 25%). Для плавного пуска и кратковременного регулирования скоро сти в цепь ротора двигателя включены резисторы; управление осуществляется контроллером. Двигатель постоянного тока вспомогательной лебедки плавучих морских буровых установок
питается от тиристорного преобразователя.
Для повышения надежности работы основного электрообо рудования в схемах принято раздельное питание цепей освеще ния и цепей управления. Освещение буровой установки общей мощностью 14 кВт разбито на группы: вышка освещена 14 све
тильниками; |
буровая |
площадка |
и блок |
двигателей— 16 све |
тильниками; |
насосный |
блок, система |
глиноприготовления и |
|
территория— 12 светильниками; |
освещение «безопасности» — |
12 В; аварийное освещение получает питание от аккумулятор ной батареи. Члены буровой бригады и электромонтеры снаб- -жены также переносными аккумуляторными фонарями.
Контрольные вопросы
1.Какие виды привода механизмов буровых установок Вам известны? •Каковы преимущества буровых установок с электроприводом?
2.Опишите схему распределения Электроэнергии на буровой и объясните назначение всех аппаратов.
3.Каковы требования к электроприводу долота при роторном бурении и бурении электробуром?
4.Для какой цели служат отпайки обмоток трансформатора, питающего двигатель электробура?
•554
5.Изложите принцип действия автомата подачи долота типа РПДЭ.
6.Изложите требования к электроприводу буровой лебедки.
7. Как определить мощность приводного двигателя буровой лебедки?
8.Изложите принцип действия электропривода буровой лебедки с тнри!- сторным регулятором скольжения.
9.Как определить мощность приводного двигателя бурового насоса?
10.Как осуществляется форсировка тока возбуждения синхронного двига теля бурового насоса?
11.Изложите принцип действия вентильного двигателя.
12.Каким образом осуществляется электропривод основных механизмов* морских буровых установок?
13.Что является источником электроснабжения на самоподъемных и полупогружных морских буровых установках?
14.От каких источников получают питание двигатели вспомогательных ме ханизмов буровой установки?
Глава 8
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ УСТАНОВОК ДЛЯ НАСОСНОЙ ДОБЫЧИ НЕФТИ
8.1. Общие сведения
Значительную часть добываемой в СССР нефти получают из скважин, оборудованных для механизированной добычи, ко торую осуществляют насосным и компрессорным способами. Насосная эксплуатация возможна при помощи как штанговых плунжерных насосов, так и бесштанговых погружных центро бежных электронасосов. Область экономически целесообраз ного применения того или другого вида насосной установки определяется сочетанием суточной производительности скважи ны Q и глубины подвески насоса Я п.
Для глубиннонасосных штанговых установок эта область,
характеризуется |
значениями Q= 5—50 м3/сут при Я п до 1600 м |
||||||
и достигает Q= 300 м3/сут |
при |
уменьшении Я пдо |
400 м. Бес- |
||||
штанговые погружные |
насосы |
используются |
на скважинах с |
||||
форсированным |
отбором |
жидкости |
при значениях Q =400— |
||||
500 м3/сут и на скважинах с меньшей производительностью Q = |
|||||||
= 40—300 м3/сут при Я п от 2800 до 400 м. |
|
плунжерный' |
|||||
В глубиннонасосной |
установке |
(рис. 8.1, а) |
|||||
глубинный насос |
1 подвешивается |
на колонне |
насосных труб |
5; при помощи колонны штанг 4 плунжеру насоса сообщается возвратно-поступательное движение с передачей плунжеру энергии от балансира 7 станка-качалки, станок-качалка с элек тродвигателем 12 и редуктором 10 преобразует вращательное' движение в возвратно-поступательное движение балансира.
Собственно насос (рис. 8.1,6) содержит цилиндр 5, внутрш которого перемещается плунжер 4. При ходе плунжера вверх.
255*.
а
iPuc. 8.1. Основные элементы глубин нонасосной установки
открывается нижний (приемный) клапан 5 при закрытом верх нем клапане 2 плунжера. Жидкость из скважины засасывается в цилиндр насоса.
При ходе плунжера вниз клапан 5 закрывается, а нефть через открывающийся клапан 2 выдавливается в пространство насосных труб, идущих от устья скважины, к которым прикре плен насос с помощью верхней муфты 1.
Колонна штанг в нижней части соединена с плунжером на
соса |
2 (см. рис. 8.1, а), |
а |
на устье |
скважины она через устье |
вой |
шток 5 соединена |
с |
головкой |
балансира станка-качал |
ки 6. Балансир 7 с помощью шатунов 8 связан с кривошипами
9, вал которых через редуктор |
10 |
и клиноременную передачу |
|||||
11 связан с электродвигателем |
12. |
Изменяя |
расстояние |
от |
|||
кривошипного вала до места присоединения шатунов |
к |
кри |
|||||
вошипу, можно в определенных |
пределах регулировать |
ход |
|||||
полированного истока, т. е. длину |
хода |
точки |
подвеса |
штанг, |
|||
а значит, и плунжера насоса. |
|
|
|
|
|
|
|
Для уравновешивания нагрузки подвижной системы станка- |
|||||||
жачалки и двигателя при |
ходе |
колонны |
штанг |
вниз |
и вверх |
||
-применены балансирный |
13 и кривошипный 14 противовесы. |
.256
Частоту качаний балансира можно изменять путем установки шкивов различных диаметров у клиноременной передачи 11. Диапазон изменения частоты качаний у разных типов станковкачалок составляет от 4,7 до 15 в 1 мин.
Согласно действующему в настоящее время ГОСТу предус матривается девять базовых моделей (и 20 типоразмеров) стан ков-качалок от СКЮ до СК.9 с наибольшей допустимой нагруз
кой 1—20 т, максимальной длиной |
хода точки подвеса |
штанг |
42—600 дм и наибольшей частотой |
качаний балансира от 5 до |
|
12 в 1 мин. Мощность электродвигателей для привода |
этих |
|
станков составляют 1,7—55 кВт. |
|
|
Если не снабдить станок-качалку приспособлениями |
для |
уравновешивания, то нагрузки приводного электродвигателя при ходе плунжера вверх и вниз будут резко отличаться, что значительно ухудшает энергетические показатели привода. При ходе плунжера вверх в точке подвеса штанг приложена стати ческая нагрузка, создаваемая весом столба жидкости над плун жером, весом самих штанг и силами трения. Последние обус ловлены трением плунжера о стенки цилиндра насоса, трением штанг о жидкость и внутреннюю поверхность насосных труб, гидравлическими сопротивлениями при перемещении жидкости через насос и трубы. Эта нагрузка не прикладывается внезап но, а постоянно возрастает в начальный период хода вверх благодаря демпфирующему действию упругих деформаций штанг и труб. Кроме статической нагрузки, к точке подвеса штанг оказываются приложенными и динамические силы, воз никающие вследствие инерционных свойств масс штанг и стол ба жидкости и вследствие продольных колебаний последних. Результирующая сила, приложенная в точке подвеса штанг, при ходе плунжера вверх направлена против движения и соз дает момент сопротивления, который преодолевается двигате лем. При ходе плунжера вниз результирующая статическая на грузка в точке подвеса штанг действует в направлении движе ния и разгружает двигатель. Она определяется весом штанг за вычетом веса занимаемого ими объема жидкости и сил трения. Вес жидкости над плунжером не действует на штанги. Так как верхний клапан насоса открыт, а нижний закрыт, то этот вес через нижний клапан передается насосным трубам. При изме нении направления движения плунжера усилие в точке подве са штанг не принимает мгновенно своего установившегося зна чения, а постепенно убывает вследствие упругих деформаций
штанг и труб.
Момент, обусловленный динамическими силами, при ходе плунжера вниз направлен против движения. Результирующий момент сопротивления при ходе плунжера вниз у неуравнове шенного станка-качалки много меньше, чем при ходе плунжера вверх, и в ряде случаев он даже может менять знак, т. е. сов-
17—234 |
257 |
а |
о |
Я, кВт |
Я, кВт |
Рис. 8.2. Графики мощности Р на валу электродвигателя станка-качалки, соответствующие 10 качаниям в 1 мин:
а — уравновешенного; б — неуравновешенного
падать по направлению с направлением движения. При этом двигатель переходит в генераторный режим и работает в каче
стве тормоза с отдачей в сеть электрической |
энергии. Точка |
подвеса штанг А (см. рис. 8.1, а) при работе |
станка-качалки |
совершает колебательное движение, перемещаясь по вертикали благодаря цепной подвеске устьевого штока. Соответству ющий конец балансира перемещается по дуге. В связи с этим скорость перемещения точки А изменяется по закону, близкому к гармоническому. При определенной нагрузке, приложенной к точке подвеса штанг, момент и мощность будут изменяться гармонически во времени.
На основные пульсации мощности, определяемые сказан ным, накладываются дополнительные затухающие со временем пульсации, возникающие в результате продольных колебаний штанг.
За один цикл работы насоса — одно качание — каждый из графиков (рис. 8.2) имеет два максимума и два минимума. Максимумы относятся к средним положениям балансира, а ми нимумы — к крайним. Станок-качалка уравновешивается с по мощью противовесов, устанавливаемых на плече балансира, противоположном точке подвеса штанг, либо на кривошипах. В первом случае говорят о балансирном уравновешивании, во втором — о кривошипном уравновешивании. Часто применяют комбинированное уравновешивание (см. рис. 8.1, а), при кото ром противовесы размещаются и на балансире, и на кривоши пах.
При уравновешивании станка-качалки исходят из необходи мости обеспечения наименьшего среднеквадратичного значения вращающего момента за полный цикл работы, которому соот ветствуют ходы плунжера вверх и вниз. Опыт показывает, что при этом практически обеспечивается и равенство максимумов вращающего момента за оба полуцикла, т. е. при ходе плун-
258
жера вверх и при ходе его вниз, а также равенство работ, со вершаемых двигателем за оба полуцикла.
Таким образом, достаточно уравновесить станок-качалку таким образом, чтобы соблюдалось условие равенства макси мумов момента за оба полуцикла. Соблюдение этого условия может быть очень просто проверено, поскольку сила тока про порциональна вращающему моменту электродвигателя. По пи ковым значениям тока статора двигателя при ходе плунжера вверх Iв и вниз Iн можно судить о моментах. У применяемых для привода станков-качалок короткозамкнутых асинхронных двигателей при достаточно большой загрузке ток статора и момент без больших погрешностей можно принимать пропор циональными друг другу. Поэтому при идеальном уравновеши вании /в = /н.
Под степенью неуравновешенности станка-качалки понима
ют |
|
|
|
е |
= 2 |
( / . - / „ ) / ( / » + /„). |
(8.1) |
При этом считается, |
что |
станок-качалку следует |
доуравнове- |
сить, если е^2=0,1. Силу тока обычно измеряют измерительными клещами.
Погружные бесштанговые центробежные насосы приводятся в действие электродвигателем, помещенным в скважине совме стно с насосом. Благодаря этому устраняется длинная движу щаяся механическая связь (штанги) между приводом и насо сом, входящая основным элементом в глубиннонасосную уста новку с плунжерными насосами. Это позволяет повысить мощ ность погружного насоса, т. е. его напор и подачу, применить центробежный тип насоса, наиболее подходящий для высоких отборов жидкости из скважины. Полезные мощности бесштанговых насосов, достигаемые при эксплуатации скважин, в 1,5— 3 раза больше, чем мощности штанговых. Вместе с тем при использовании бесштанговых насосов хотя и упрощается комп лекс сооружений на поверхности, но сильно усложняется по гружное оборудование.
Бесштанговая насосная установка с погружными центробеж ными насосами состоит из следующих основных элементов (рис. 8.3): погружной центробежный насос 3 с сетчатым фильт ром и специальный электродвигатель 1 с гидрозащитой (про тектором) 2, подвешенные в скважине на насосных трубах; питающий кабель 5, прикрепляемый к насосным трубам с по мощью скоб, кабель намотан на барабан 7; трансформатор 8 и станция управления 9. В колонне труб выше насоса устанав ливается обратный клапан 4, предназначенный для удержива ния столба жидкости при остановке насоса и облегчения усло вий последующего пуска. Выше обратного установлен спускной клапан 6, обеспечивающий слив жидкости при подъеме агрега-
17' |
259 |