Стартовая >> Книги >> Системы электроприводов исполнительных механизмов буровых установок

Системы электроприводов исполнительных механизмов буровых установок

Оглавление
Системы электроприводов исполнительных механизмов буровых установок
Сведения о системах подчиненного управления электроприводами
Основные типы регуляторов
Электропривод буровых насосов
Электропривод ротора
Электропривод силового вертлюга
Электропривод спускоподъемного агрегата
Подача долота
Технические характеристики современных моделей буровых установок
Типовые структуры электротехнических комплексов буровых установок

В связи с ростом требований к повышению производительности буровых установок все большее их число оснащается индивидуальными регулируемыми электроприводами исполнительных механизмов. Основным видом регулируемого электропривода, отвечающего в полной мере требованиям технологического процесса бурения, выпускаемых в настоящее время отечественных буровых установок является электропривод постоянного тока по системе тиристорный преобразователь — двигатель ТП — Д. Данный тип привода в настоящее время применяется на всех буровых установок для бурения на глубинах 2500 м и более, а также на некоторой части буровых установок для бурения на глубину 1600 м.
Указанная система электропривода обеспечивает требуемый диапазон регулирования скорости, в случае необходимости этот диапазон может быть расширен за счет ослабления магнитного потока двигателя. Однако при этом допустимый момент нагрузки электродвигателя уменьшается.
С конструктивной точки зрения основное преимущество системы ТП — Д состоит в отсутствии генератора постоянного тока, имеющего коллекторный узел и щеточный аппарат. Тиристорный преобразователь ТП является устройством статического типа, не содержит вращающихся частей и не требует мощных фундаментов.
Тиристорные преобразователи выполняются в виде унифицированных блочных конструкций с высокой   степенью надежности, долговечности и ремонтопригодности. Благодаря малой мощности управления можно получить хорошие статические и динамические характеристики привода, а также обеспечить высокий уровень автоматизации.
Для тиристорных преобразователей характерны и некоторые недостатки, например, некоторое искажение формы напряжения в питающей сети, снижение коэффициента мощности при регулировании скорости вниз от номинального значения и др. Эти недостатки не всегда существенны и при необходимости могут быть скомпенсированы применением фильтро-компенсирующих устройств.
Электрооборудование, разработанное и выпускаемое для буровых установок, имеет усиленную конструкцию для тяжелых условий эксплуатации. Комплектные тиристорные преобразователи и системы управления выпускаются в контейнерах с необходимыми системами вентиляции, обогрева и освещения, что обеспечивает надежную работу и удобство обслуживания. Применительно к буровым установкам кустового бурения особо следует отметить такое важное преимущество электрического привода, как отсутствие жестких механических связей между блоками буровых установок, которые, по существу, заменяются гибкими кабельными связями. Контейнер с устройствами для питания электроприводов лебедки, ротора и регулятора подачи долота устанавливается в непосредственной близости к вышечно-лебедочному блоку и при переходе на новую скважину в кусте передвигается вместе с ним. Контейнер для питания привода буровых насосов устанавливается рядом с насосным блоком. В результате обеспечиваются дополнительные удобства при передвижках оборудования со значительной экономией времени. Кроме того, благодаря применению тиристорного электропривода достигается унификация оборудования буровых установок в электрическом и дизель-электрическом вариантах. Различие состоит только в части источников питания (соответственно это трансформаторная подстанция или автономная электростанция).
В настоящее время отмечается тенденция оснащения буровых установок электрооборудованием, рассчитанным на напряжение питания 690 В переменного тока, и двигателями постоянного тока на напряжение 800 В, что обеспечивает следующие преимущества:
снижение массы электрооборудования на 30 % по сравнению с использованием напряжения 400 В;
уменьшение площади, занимаемой оборудованием, экономия в массе и стоимости конструктивных блоков и модулей буровых установок;
уменьшение числа кабелей и монтажных соединений, в связи с чем повышается монтажно-транспортные показатели оборудования, что особенно важно для буровых установок повышенной транспортабельности.
Указанные мероприятия реализованы в буровой установке БУ-3900/225 ЭПК БМ
Направления развития электропривода основных механизмов буровых установок в основном совпадают с общей тенденцией развития электропривода на современном этапе — это постоянно расширяющаяся область применения регулируемого электропривода и компьютерных средств автоматизации при создании нового и модернизации действующего оборудования.
Применительно к буровым установкам следует отметить специфические требования в отношении безопасности работы персонала, надежности и взрывозащиты.
Конкретизируем направления совершенствования электропривода:
1. Широкое применение силовых полупроводниковых преобразователей новых поколений для регулирования координат (скорости, положения, момента и др.) электропривода.
2. Повышение мощности и снижение габаритов силовых полупроводниковых преобразователей энергии.
3. Стандартизация, унификация электрооборудования и повышение уровня его заводской готовности.
4. Повышение КПД и других технико-экономических показателей.
5. Создание серий комплектных электроприводов, включающих в себя силовое электрооборудование, системы автоматического управления, контроля и диагностики.
6. Унификация и миниатюризация аппаратуры управления.
7. Применение средств вычислительной техники, использование модульного построения систем управления.
8. Разработка типовых структур управления электроприводами на основе использования средств вычислительной техники.
9. Совершенствование конструкции электродвигателей и аппаратуры управления с целью повышения их уровня взрывозащиты и надежности.
1 0. Создание средств автоматизированного проектирования.
В настоящее время все ведущие электротехнические фирмы выпускают регулируемые электроприводы комплектно с компьютерными средствами автоматизации в виде гибко программируемых систем, адаптируемых к широкой области их применения.
Область применения различных типов регулируемых электроприводов в значительной степени определяется применяемой элементной базой силовых полупроводниковых преобразователей энергии. В связи с освоением промышленностью полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов в модульном исполнении: мощных полевых транзисторов (MOSFET), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) запираемых тиристоров с интегрированным управлением (IGCT) и запираемых тиристоров (GTO) разработаны полупроводниковые преобразователи, обеспечивающие плавное и экономичное регулирование скорости электродвигателей в широком диапазоне. На базе выпускаемых силовых полупроводниковых модулей создаются регулируемые электроприводы по системе преобразователь частоты — асинхронный короткозамкнутый двигатель (ПЧ — АД).
При мощности электропривода до 1 МВт для создания ПЧ в настоящее время используются модули IGBT, более 1 МВт — модули GTO или IGCT.
Создание надежных статических преобразователей частоты для управления асинхронными электродвигателями с использованием средств микропроцессорной техники привело к массовому применению электроприводов по системе ПЧ — АД в различных отраслях промышленности. Разработки в области частотно-регулируемых электроприводов нашли применение в электроприводах исполнительных механизмов ряда зарубежных буровых установок наземного и морского бурения.
С середины 90-х годов компанией АВВ начата комплектная поставка электрооборудования для буровых установок с частотно-регулируемыми электроприводами. В комплект входят электроприводы буровой лебедки, буровых насосов, верхнего привода (или ротора), а на морских буровых установок также якорных лебедок и гребных винтов. В качестве приводных двигателей применены асинхронные короткозамкнутые электродвигатели типа HXR, разработанные специально для использования в частотно-регулируемых электроприводах и приспособленные к условиям бурения. Электродвигатели — малошумные, с низким уровнем вибрации, с принудительной вентиляцией мощностью до 1400 кВт, не требующие водяного охлаждения.
Каждый привод имеет индивидуальный инвертор, работа которого основана на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Инверторы построены по мостовой трехфазной схеме, состоящей из шести полупроводниковых ключей.

Преимущества при применении частотно-регулируемого электропривода переменного тока


Технологический механизм
и его назначение

Приводная
мощность

Преимущества при применении регулируемого электропривода переменного
тока

Буровой насос для создания
циркуляции    промывочной
жидкости в скважине

От 300 до  1180
кВт

Наилучшее   использование
установленной мощности и
работа в оптимальных режимах для каждого интервала бурения
Увеличение частоты вращения долота, средней мощности, подводимой к долоту
Возможность пуска насоса
под нагрузкой
Облегчение восстановления
циркуляции,     сокращение
затрат   времени   на   промывку скважины
Уменьшение числа рейсов в
связи с увеличением средней
проходки на долото

Буровая лебедка для подъема  инструмента  и   подачи
долота на забой

Для подъема: от
320 до 1 000 кВт

Повышение производительности     спуско-подъемных
операций
Сокращение числа механических передач
Повышение надежности механического оборудования
Сокращение    энергетических затрат

Для подачи:  от
32 до 90 кВт

Автоматическое   регулирование подачи долота с по-
мощью   регулятора  активного типа не может быть
реализовано без использования    полноуправляемого
электропривода

Ротор для передачи энергии
долоту с поверхности через
колонну бурильных труб и
производства вспомогательных операций при бурении

От 150 до
500 кВт

Повышение   механической
и рейсовой скорости бурения
Ограничение напряжений в
трубах и защита от поло-

Комплект   вспомогательных
механизмов   для   механизации трудоемких процессов.
В том   числе  пескоотделитель   ПГ60/300;   илоотделитель ИГ45/75; ситогидроциклонный     сепаратор     СТО
45/150 или 65/300; гидроциклонный       глиноотделитель
ГУР-2;    насосный     агрегат
блока приготовления и об-
работки бурового раствора

Суммарная    установленная
мощность  электрооборудования      циркуляционной   системы   от   200   до
770 кВт, потребляемая       мощность не более
360 кВт

Выбор   оптимального   технологического режима
Сокращение    энергетических затрат
Оперативное     регулирование   физических    свойств
бурового раствора

 

Каждый инвертор имеет свою собственную микропроцессорную систему управления. Для управления системой имеется контроллер прикладного программного обеспечения, позволяющий одновременно управлять несколькими инверторами. Статическая точность регулирования частоты вращения с обратной связью от импульсного датчика — 0,01 %; без обратной связи от 0,5 до 3 %. Указанные типы частотно-регулируемого электропривода нашли широкое применение на буровых установках месторождений Северного моря.
С 1998 г. компанией АВВ поставляются многодвигательные асинхронные частотно-регулируемые электроприводы типа АС8600 Multy Drive. Компанией АВВ освоена также серия высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов мощностью от 315 до 5000 кВт серий ACS1000. В качестве ключевых элементов в инверторах этой серии используются модули IGCT.
По сравнению с электроприводом по системе ТП — Д, частотно-регулируемый электропривод обладает следующими преимуществами:
сокращение массы и габаритов электрооборудования;
проще решается проблема обеспечения взрывозащиты электродвигателя;
более высокая точность регулирования скорости;
за счет прямого управления моментом достигаются требуемые показатели качества функционирования электропривода в динамических режимах;
уменьшение динамических нагрузок в КБТ и передаточном механизме, поскольку момент инерции ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя значительно меньше момента инерции ротора двигателя постоянного тока;
более простыми средствами обеспечиваются сопряжение локальных систем автоматики с системой управления верхнего уровня;
повышается надежность и долговечность электропривода, работающего в тяжелых условиях эксплуатации;
благодаря встроенной системе диагностики сокращаются затраты на техническое обслуживание и простои технологического оборудования;
более высокое значение КПД за счет применения в преобразователях полупроводниковых приборов нового поколения с малыми внутренними потерями энергии и др.
Преимущества частотно-регулируемого электропривода конкретных исполнительных механизмов буровых установок приведены в таблице.



 
« Сборка масляных трансформаторов   Технология и оборудование производства электрической аппаратуры »
электрические сети