Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности

щения барабана лебедки; rj — к. п. д. передач от двигателя к барабану лебедки.

Передаточные числа, число передач и диапазон регулирова­ ния частоты вращения электродвигателя выбираются обычно таким образом, чтобы общая характеристика привода была близка к кривой постоянной мощности.

Частоту вращения барабана лебедки (скорости подъема груза) для выполнения условия (2.10) можно изменять ступен­ чато при помощи многоскоростных трансмиссий либо бесступенчато при помощи турботрансформаторов или электропривода с широким диапазоном регулирования частоты вращения. Воз­ можно также уменьшение числа ступеней механической пере­ дачи до двух при наличии электропривода с ограниченным диа­ пазоном регулирования частоты вращения.

При бесступенчатом изменении скорости подъема упрощается конструкция лебедки, однако ее привод становится сложнее и дороже; при ступенчатом изменении повышаются сложность и стоимость лебедки, но уменьшаются сложность и стоимость при­ вода. Технико-экономические расчеты показывают, что, чем больше глубина бурения, тем эффективнее применение регу­ лируемого электропривода.

Число приводных электродвигателей зависит от многих фак­ торов (унификация применяемых электрических машин на уста­ новке, удобство компоновки на ограниченной площади буровой и др.), поэтому встречаются одно-, двух-, трех- и даже четырех­ двигательные схемы. Появление трех- и четырехдвигательных схем объясняется стремлением к унификации применимого на установках большой мощности электрооборудования. В отече­ ственной и зарубежной практике широкое применение нашел двухдвигательный привод. Такой привод обеспечивает работу с пониженной производительностью в случае выхода из строя одного из двигателей, а также позволяет отключать один из двигателей при снижении нагрузки, что дает экономию элек­ трической энергии. Однако два двигателя половинной мощно­ сти в 1,2 раза тяжелее и дороже, чем один двигатель большой мощности. Равномерно распределить нагрузку между двумя двигателями, работающими на один вал, чрезвычайно трудно. В настоящее время буровые установки комплектуются регуля­ торами подачи долота или аварийными приводами лебедки, обеспечивающими подъем инструмента из необсаженного уча­ стка скважины со скоростью до 100 м/ч. Это полностью исклю­ чает необходимость разделения мощности привода для без­ аварийной работы.

Основанием для применения многодвигательного электропри­ вода у современных буровых лебедок могут служить только конструктивные причины (необходимость транспортировки са­ молетом или вертолетом мелких блоков, исключение параллель­ ной работы генераторов переменного тока, слишком большая масса одного двигателя). Однако для большей части буровых

61

контакторную аппаратуру низкого напряжения. При мощности двигателей более 250 кВт целесообразно выбирать их на напря­ жение 6000 В, что позволяет устранить промежуточную транс­ формацию напряжения. В дальнейшем можно ожидать повыше­ ния рабочего напряжения двигателей буровой установки до 10 кВ.

Технико-экономическое сравнение вариантов электропривода буровой лебедки может выявить, что наиболее экономичным яв­ ляется электропривод постоянного тока. Этот электропривод можно сделать 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 ле­ бедки позволяет использовать двигатель и в качестве электро­ тормоза. Электропривод постоянного тока для лебедок всех бу­ ровых установок может оказаться перспективным после созда­ ния надежных и дешевых мощных тиристорных выпрямителей, предназначенных для работы в условиях бурения.

Точно определить мощность Рд. п двигателей лебедки трудно, поскольку эти двигатели при спуско-подъемных операциях рабо­ тают в повторно-кратковременном режиме с переменной продол­ жительностью цикла и переменным моментом статического со­ противления на валу. Поэтому сначала по основным параметрам буровой лебедки, пользуясь приближенными формулами, ориен­ тировочно определяют Рд. п, а затем, выбрав двигатель и рас­ считав его действительную нагрузочную диаграмму с учетом вы­ полнения вспомогательных операций, производят проверочный расчет мощности методом эквивалентного тока или момента.

Наиболее простой для предварительного определения по­

нальной нагрузкой, соответствующая оптимальному значению мощности; Лп. у — 0,7—0,8—к. п. д. подъемной установки от вала двигателя до крюка при номинальной грузоподъемности; Я— 1,3—1,45 — коэффициент возможной перегрузки двигателей.

Можно также, не пользуясь формулой (2.11), предварительно выбрать двигатель лебедки, руководствуясь данными табл. 2.

При двухдвигательном приводе лебедки каждый двигатель берется половинной мощности с обязательной проверкойвоз­ можности подъема одним двигателем инструмента максималь­ ного веса на первой передаче лебедки.

Выбрав предварительно двигатель по известной мощности [см. формулу (2.11)] и частоте вращения, определяемой по

63

заданной скорости подъема и передаточному числу трансмис­ сии, можно построить действительную нагрузочную диаграмму двигателя и вычислить его эквивалентный момент при работе на всех передачах лебедки по формуле

наименьшей нагрузках на крюке во время подъема на данной

шинных и ручных вспомогательных операций за цикл подъема одной свечи; а = 0,5 — коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения двигателя при его неподвижном состоянии;

подъема инструмента вследствие изменения диаметра навивки каната на барабан лебедки.

Если буровая установка оборудована механизмами для вы­

ной свечи.

Если двигатель имеет принудительное охлаждение или вра­ щается все время цикла, а нагрузка подключается муфтами, то в формулах (2.12) и (2.13) коэффициент а принимается рав­ ным 1. Эквивалентный момент должен быть равен или меньше номинального момента двигателя, выбранного предварительно. В противоположном случае нужно выбрать двигатель следую­ щего габарита или увеличить передаточное число трансмиссии, вновь построить нагрузочную диаграмму и повторить расчет эк­ вивалентного момента.

Если для привода лебедки применен двигатель постоянного тока с регулированием частоты вращения изменением магнит­ ного потока, а также если продолжительность периодов пуска двигателя переменного тока составляет существенную часть вре­ мени цикла, проверку двигателя следует производить по методу эквивалентного тока, который хотя и сложнее, однако дает более точные результаты, чем метод эквивалентного момента.

Критерием для определения целесообразной мощности дви­ гателей лебедки могут служить также затраты на подъемные операции за цикл бурения скважины. При увеличении мощно-

64

сти привода лебедки сокращается машинное время подъема ин­ струмента, вследствие чего уменьшается условная годовая по­ требность в буровых установках для выполнения заданного объ­ ема буровых работ. Одновременно возрастают отчисления за амортизацию электрооборудования и стоимость израсходован­ ной электроэнергии. Поэтому суммарные расходы на подъем ин­ струмента имеют минимум при некоторой мощности двигателя, которая и является рациональной [12] (табл. 9).

Для торможения барабана лебедки при спуске инструмента в современных буровых установках применяют электромагнит­ ные тормоза [19]. Обычно электромагнитные тормоза характе­ ризуются развиваемым тормозным моментом и способностью рассеивать энергию торможения.

Максимальные установившиеся скорости спуска инстру­ мента 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 экстрен­ ного торможения в любой момент спуска. Путь экстренного тор­ можения обычно задается, и электромагнитные тормоза должны обеспечивать надежное торможение на этом участке. Высокая кратность максимального момента электромагнитных тормозов при форсировке возбуждения делает возможным экстренное торможение до полной остановки при порошковых тормозах и до ползучих скоростей при индукционных.

Для буровых установок можно принять следующую после­ довательность расчета и выбора электромагнитных тормозов:

на основании известного веса инструмента определяют необ­ ходимый номинальный тормозной момент (для индукционных тормозов при частоте вращения 50 об/мин);

определяют значение максимального тормозного момента, обеспечивающего экстренное торможение инструмента на за­ данном пути (3 м);

определяю т среднюю мощ ность тепловых потерь при спуске всей колонны бурильны х труб;

по полученным данным вы бираю т электром агнитны й тормоз

тан ы для эксплуатации в неотапливаемых помещ ениях с нор ­

Технические данные асинхронных

6 6

Буровые магнитные станции типа ШГШ, применяемые для управления приводными двигателями лебедки и ротора, конст­ руктивно выполнены в виде металлического шкафа с дверцами с четырех сторон и имеют исполнение У2. Каркас станций мон­ тируется на салазках, что позволяет транспортировать станции волоком в пределах буровой установки.

Во всех станциях типа ШГШ для уменьшения числа контак­ торных ступеней применена схема дроссельного пуска. Принци­ пиальные схемы управления двигателями при помощи станций типа ШГШ мало различаются, поэтому рассмотрим схему уп­ равления двигателем лебедки буровой установки со станцией ШГШ-6704-58Б1 (рис. 24).

Управление электроприводом лебедки осуществляется командоконтроллером КК с пульта бурильщика.

Для включения двигателя АД лебедки (второй двигатель на­ ходится в резерве) предварительно включают двигатель насоса, подающего смазку в редуктор (контакт ПМ закрывается). При всех остальных защитах и блокировках, находящихся во вклю­ ченном положении, втянется якорь контактора КН (при нуле­ вом положении командоконтроллера КК).

Контактор КН включается и шунтирует своим замыкающим блок-контактом контакт командоконтроллера КК. При включе­ нии КН выпрямленное напряжение, равное 170 В, поступает на зажимы цепей управления. Одновременно КН подготовляет цепь питания катушек контакторов В и Я. В цепи этих контак­ торов введены размыкающие контакты реле времени РВ1 и РВ2, которые осуществляют дуговую блокировку и исключают одновременность включения контакторов В и Н.

Двигатель разгоняется в три ступени в функции времени. При повороте ручки КК вправо в третье положение включается контактор В, запуская двигатель АД, и размыкающий блок-кон­ такт В разрывает цепь катушки РУ1. Отключаясь, РУ1 с вы­ держкой времени замыкает цепь катушки контактора У1. Кон­ тактор ускорения У1 замыкает первую ступень резисторов в цепи ротора асинхронного двигателя и своими размыкающими

зисторов и размыкает цепь ка туш ки РУЗ\ с вы держ кой времени

вклю чается контактор УЗ н вы водит третью ступень резисторов. П редусмотрена возм ож ность длительного вклю чения первой и второй ступени ускорения для работы при низких частотах

вращ ения, при этом К К остается в первом или во втором поло­ ж е н и и и цепь V i — УЗ разомкнута..

Для устранения ударных нагрузок в кинематических пере­ дачах в схеме предусмотрена предварительная ступень вклю­ чения приводного двигателя с малым моментом, создающая воз­ можность предварительного натяжения во всех звеньях пере­ дачи. Первая ступень ускорения обеспечивает плавный съем инструмента с клиньев ввиду малого превышения момента, раз­ виваемого двигателем, над моментом нагрузки; вторая — интен­ сивный разгон после снятия инструмента с клиньев; третья — разгон инструмента до максимальной скорости.

Механическая характеристика привода имеет высокое запол­ нение при ограниченном числе контакторов, что повышает на­ дежность работы привода. Требуемая форма механической ха­ рактеристики обеспечивается включением дросселя и активного сопротивления в роторную цепь. В процессе разгона двигателя на ступенях ускорения частота тока в роторе уменьшается, вследствие чего индуктивное сопротивление дросселя Д Р в цепи ротора снижается от некоторого максимального значения прак­ тически до нуля. Благодаря этому явлению сила тока в роторе и статоре и момент двигателя незначительно уменьшаются с уве­ личением скорости за период разгона, что позволяет обеспечить плавный и достаточно интенсивный разгон лебедки. При пере­ ходе с одной ступени ускорения на другую наблюдается скачко­ образное изменение момента двигателя. Наличие дросселя уве­ личивает скольжение двигателя в установившемся режиме до 7 -1 0 % .

В схеме управления двигателей лебедки предусматриваются следующие защиты и блокировки:

нулевая блокировка, препятствующая произвольному пуску двигателей после срабатывания защиты (контактор КН) ;

защита от перегрузок и двухфазных включений (токовые реле РМ1 и РМ2 с ограниченно зависимой выдержкой вре­ мени) ;

блокировка, предотвращающая работу двигателей лебедки при неработающем маслонасосе (блок-контакт ПМ магнитного пускателя двигателя маслонасоса);

блокировка, исключающая возможность повреждения стрелы АСП-3 талевым блоком подъемной системы (контакты путевого командоаппарата КА и реле блокировки стрелы РБС включены в цепь катушки контактора КН\ КА размыкается на высоте 20 м, РБС отключается при подходе стрелы АСП-3 к центратору, по­ этому, если стрела находится у центратора, талевый блок оста­ новится, не доходя до его уровня);

блокировка от одновременного подключения двигателя ле­ бедки и регулятора подачи к барабану лебедки (конечный вы­ ключатель ВКП кулачковой муфты регулятора подачи, контакт которого включен в цепь катушки контактора КН) ;

защита от удара талевым блоком по кронблоку (размыкаю­ щий контакт КА путевого командоаппарата, включенный в цепь катушки КН).

69

Для контроля за работой двигателя в режиме подъема ин­ струмента и бурения ротором в схеме предусмотрен амперметр А, контролирующий силу тока статора приводного двигателя ле­ бедки. Для экстренной остановки двигателя имеется кнопка «Стоп» в цепи катушки КН.

Дальнейшим развитием асинхронного электропривода буро­ вой лебедки является схема, показанная на рис. 25. В этой схеме для плавного изменения сопротивления резистора R, включенного в цепь ротора асинхронного двигателя АД, служит

Электропривод с электром агнитны м и муфтами и тормозами

В электроприводах механизмов, требующих плавного регу­ лирования частоты вращения в относительно небольшом диапа­ зоне (1,5—2), применяются электромагнитные муфты скольже­ ния. Для расширения диапазона регулирования частоты враще­ ния используется система автоматического регулирования тока возбуждения муфты с обратными связями. В зависимости от характера связи между входным и выходным элементами электромагнитные муфты делятся на муфты механической связи (фрикционные), муфты электромеханической связи (ферропорошковые) с электромагнитным управлением и муфты со свя­ зью через магнитное поле (муфты скольжения).

70