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

     Вспомогательный режим используется при аварийном  подъеме в случае отказа главного привода лебедки, при проработке скважины, подъеме или опускании вышки с помощью силового узла РПДЭ-3, а также при бурении в случае выхода из строя датчика веса или ППУ-1. Поскольку в этом режиме указанные элементы в работе не участвуют, их можно отключить от схемы для проведения ремонта.

     Для стабилизации и увеличения быстродействия в схеме применены отрицательные обратные связи по напряжению якоря генератора ГП и частоте вращения двигателя ДП. Машины ДП и ГП защищены от перегрузок в установившемся и переходном режимах, от коротких замыканий в цепи их якорей и от разрыва цепи обмотки возбуждения ОВДП двигателя ДП. В зависимости от типа буровой установки в РПДЭ-3 применяются асинхронные двигатели мощностью 28—55 кВт, генераторы постепенного тока 27—50 кВт и двигатели постоянного тока 25—42 кВт.

     Для автоматизации подачи долота при бурении электробуром применяют регуляторы АВТ1 и АВТ2. В основу работы этих регуляторов, так же как и регулятора РПДЭ-3, положена система генератор — двигатель с регулированием частоты вращения двигателя постоянного тока  в широких пределах.

     В схеме регулятора АВТ1 регулирование  подачи долота осуществляется в функции нагрузки на долото и тока статора двигателя электробура, причем бурильщик может устанавливать два заданных значения уставки — осевой нагрузки на долото и тока электробура. Однако при этом всегда будет поддерживаться близким к заданному только один  из параметров: в малоэнергоемких породах — нагрузка на долото, а в более энергоемких — ток двигателя электробура. Второй параметр будет в этом случае всегда меньше заданного. Регулятор АВТ1 также может работать в режиме поддержания постоянной скорости подачи или подъема инструмента.

     Параметры отдельных частей схемы подобраны  так, что в установившемся режиме отклонение силы тока электробура не превышает +5% номинальной, а отклонение усилия, действующего на забой, — не более 20 кН. Основные узлы регулятора АВТ1   (датчик веса, силовой узел, двигатель — генератор) такие  же,   как  и   в   автоматическом регуляторе РПДЭ-3.

     При бурении малоэнергоемких пород  целесообразнее использовать в качестве параметра регулирования активную составляющую тока двигателя электробура. Поэтому в регуляторе ЛВТ2 имеется узел, вводящий в схему сигнал, пропорциональный активной составляющей тока двигателя электробура. Принципиальная схема регулятора АВТ2 показана на рис. 40. В датчике 3 по току и напряжению, снимаемым с трансформатора тока 1 и с трансформатора напряжения 2, включенных в цепь питания электробура, вырабатывается сигнал U₁ пропорциональный активной составляющей тока двигателя электробура. Сигнал U₁ сравнивается с сигналом U₂ задатчика 4. Разностный сигнал через ограничитель 5 поступает в модулятор 6 и далее на сумматор 7 и вход ППУ-1 регулятора РПДЭ-3. В датчике 8 вырабатывается сигнал, отражающий изменение осевой нагрузки на долото. Этот сигнал сравнивается с сигналом задатчика 9. Разностный сигнал поступает на фазочувствительный   усилитель   10   и   далее   на   сумматор   7. 
 

 На  предварительный  усилитель регулятора

рпдз-з

Рис.  40.  Схема   автоматического  регулятора   подачи  долота АВТ2 
 

     Если  бурение ведется при больших  значениях удельного момента и двигатель электробура работает с нагрузкой, близкой к номинальной, то напряжение U₃ будет иметь такую фазу, что сигнал Up будет равен нулю. В этих условиях сигнал от датчика осевой нагрузки не поступает на сумматор, и подача долота осуществляется в функции активной составляющей тока статора.

     Если  процесс бурения характеризуется  небольшим удельным моментом, то значение активной составляющей невелико —  и регулятор повысит осевую нагрузку на долото. При повышении активной составляющей тока до уровня его ограничения напряжение на выходе ограничителя 5 и, следовательно, напряжение U_a будет поддерживаться постоянным со знаком, соответствующим подаче долота. Если осевая нагрузка достигнет установленного значения, на выходе фазочувствительного усилителя 10 появится сигнал Up, препятствующий дальнейшему повышению осевой нагрузки.

     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;