Электропривод буровой лебёдки

Кроме подъема или опускания колонны бурильных труб (КТБ) с помощью буровой лебедки можно осуществлять подъем и опускание незагруженного элеватора, подачу долота на забой и ряд других вспомогательных операций. Так как все эти операции требуют различной мощности и характеристик электропривода, то в современных буровых установках для вспомогательных операций применяются отдельные механизмы с индивидуальным электроприводом. В этом случае буровая лебедка с электроприводом в основном используется для подъема и опускания КТБ, причем для подъема КТБ служат приводные двигатели, а для торможения при опускании — вспомогательные тормоза или приводные двигатели.

Подъем КТБ состоит из отдельных циклов, число которых равно числу свечей; за время одного цикла происходит подъем на высоту одной свечи (25 — 37 м), затем ее отвинчивают, переносят и устанавливают, после чего цикл повторяется. Таким образом, по мере подъема вес КТБ 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 от 14:1 до 20:1, причем большой диапазон относится к буровым лебедкам большей грузоподъемности. Так как время работы привода лебедки при подъеме КТБ труб перемежаются паузами для отвинчивания, переноса и установки труб, а также спуска крюка с незагруженным элеватором, то режим работы привода лебедки — повторно-кратковременный с относительной продолжительностью включения 25 — 40 %.

При наличии уменьшающегося момента статического сопротивления на валу двигателя номинальной мощностью Р наибольшая производительность лебедки (без учета времени переходных процессов) может быть достигнута, если по мере подъема труб скорость подъема увеличивается, т.е. если выполняется условие

где М_с — момент сопротивления на валу барабана лебедки; ω_б — угловая скорость барабана лебедки; ή — КПД передач от двигателя к барабану лебедки.

Передаточные числа, число передач и диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя выбирают обычно таким образом, чтобы механическая характеристика привода была близка к кривой постоянной мощности.

Изменять частоту вращения барабана лебедки (скорости подъема груза) для выполнения условия (8.1) можно ступенчато с помощью многоскоростных трансмиссий или бесступен­чато с помощью электропривода с широким диапазоном регулирования частоты вращения. Возможно также уменьшение числа ступеней механической передачи до 2 при наличии электропривода с ограниченным диапазоном регулирования частоты вращения.

При бесступенчатом изменении скорости подъема упрощается и становится дешевле лебедка, однако ее привод становится сложнее и дороже; при ступенчатом изменении повышаются сложность и стоимость лебедки, но уменьшается сложность и стоимость привода. Технико-экономическими расчетами установлено, что чем больше глубина бурения, тем эффективнее применение регулируемого электропривода.

Число приводных электродвигателей определяется многими причинами (унификация применяемых электрических машин, удобство компоновки на ограниченной площади и др.), поэтому встречаются однодвигательные, двухдвигательные, трех- и даже четырехдвигательные схемы. Появление трех- и четырехдвигательных схем объясняется стремлением к унификации электрооборудования, применяемого на установках большой мощности.

В отечественной и зарубежной практике широко применяют двухдвигательный привод. Двигатели двухдвигательного привода лебедки выбирают равной мощности с обязательной проверкой возможности подъема КБТ максимального веса одним двигателем на низкой передаче.

Исследованиями установлено, что при двухдвигательном регулируемом электроприводе буровой лебедки целесообразно иметь от двух до четырех передач.

Таким образом, электропривод спускоподъемного агрегата в режиме подъема КБТ должен отвечать следующим основным требованиям:

иметь необходимый диапазон регулирования скорости (10:1) и возможность регулирования скорости в режиме постоянной мощности;

иметь достаточную перегрузочную способность (1,8 — 2,2 от номинального момента) для выполнения операций, связанных с ликвидацией аварий и расхаживанием колонны обсадных труб;

пусковые характеристики должны обеспечивать плавный, но достаточно интенсивный разгон электропривода;

жесткость механической характеристики должна быть такой, чтобы статизм не превышал 5—8 % номинальной частоты вращения;

должен обеспечивать остановку крюка талевой системы с точностью ±(30 — 40) мм.

Режим работы электропривода — повторно-кратковременный с изменяющейся от цикла к циклу относительной продолжительностью включения.

Указанным требованиям в полной мере удовлетворяют электроприводы по системе ТП — Д и ПЧ — АД. В современных отечественных буровых установках с индивидуальным электроприводом основных механизмов получил широкое применение электропривод по системе ТП — Д с подчиненным управлением координат и двухзонным регулированием скорости.

Функциональная схема электропривода буровой лебедки с зависимым управлением током возбуждения электродвигателя изображена на рис. 8.7

.

Большие преимущества для электропривода буровой лебедки имеет частотно-регулируемый электропривод по системе ПЧ — АД с запатентованной фирмой АВВ системой прямого управления моментом электродвигателя (Direct Torgue Соntrоl-DТС).

По сравнению с электроприводом по системе ТП — Д рассматриваемая система при одинаковом диапазоне регулирования скорости имеет меньшие габариты, лучшее быстродействие и более высокую надежность.

Электроприводы буровой лебедки, управляемые по системе ПЧ — АД, применяют на установках морского бурения, эксплуатируемых на месторождениях углеводородного сырья Северного моря.

Выбор и описание схемы управления и защиты двигателя лебедки

В серийных электрифицированных буровых установках для привода буровой лебедки и ротора применяют асинхронные двигатели с фазным ротором. Эти двигатели являются модификацией единой серии и рассчитаны для эксплуатации в неотапливаемых помещениях с нормальной средой.

Рассмотрим схему управления двигателя буровой лебедки. Для включения двигателя лебедки предварительно включают двигатель насоса, подающего смазку в редуктор. При всех остальных защитах и блокировках, находящихся во включенном положении, втянется якорь реле и катушка нулевого контактора К будет подготовлена к включению.

Управление электроприводом лебедки осуществляется командо-контроллером с пульта бурильщика. При установке контроллера в нулевое положение контактор включается и шунтирует своим замыкающим блок-контактом контакт коммандо-контроллера.

При влючении К выпрямленное напряжение равное 170В поступает на зажимы цепей управления. Одновременно К контактор подготавливает цепь питания катушек контакторов. В цепи этих контакторов введены размыкающие контакты реле времени, которые осуществляют дуговую блокировку и исключают одновременность включения контакторов.

Двигатель разгоняется в четыре ступени в функции времени. При повороте ручки вправо в четвертое положение включается контактор, запускается двигатель лебедки и размыкающий блок-контакт размыкает цепь катушки. Отключаясь с выдержкой времени, замыкает цепь катушки контактора К1. Контактор ускорения К1 замыкает первую ступень сопротивлений в цепи ротора двигателя и своими размыкающими блок-контактами разрывает цепь катушки реле, которая с выдержкой времени замыкает размыкающий блок-контакт в цепи катушки. Контактор К2 выводит вторую цепь сопротивлений и размыкает цепь катушки, с выдержкой времени включается контактор и выводит 3 цепь сопротивлений.

Для устранения ударных нагрузок в кинематических передачах в системе предусмотрена предварительная ступень включения приводного двигателя с малым моментом, создающая возможность предварительного натяжения во всех звеньях передач. Первая ступень ускорения обеспечивает плавный съем инструмента с клиньев ввиду малого превышения момента, развиваемого двигателем, над моментом нагрузки; вторая – интенсивный разгон после снятия инструментов с клиньев; третья – разгон инструмента до максимальной скорости.

Механическая характеристика привода имеет высокое заполнение при ограниченном количестве контакторов, что повышает надежность работы привода. Требуемая форма механической характеристики 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 в цепи ротора снижается от некоторого максимального значения практически до нуля. Благодаря этому явлению ток в роторе и статоре и момент двигателя незначительно уменьшаются с увеличением скорости за период разгона, что позволяет обеспечить плавный и достаточно интенсивный разгон лебедки. Тем не менее при переходе с одной степени ускорения на другую наблюдается скочкообразное изменение момента.

В схеме управления двигателя лебедки предусматриваются следующие защиты и блокировки: нулевая блокировка, препятствующая произвольному пуску двигателя после срабатывания защиты; защита от перегрузок и двухфазных включений (токовое реле с ограниченно зависимой выдержкой времени); блокировка, предотвращающая работу двигателя при неработающем маслонасосе.

2.12 Учет и экономия электроэнергии

Потребление электрической энергии установками измеряют счетчиками индукционного типа для двух-, трех- и четырехпроводных сетей, рассчитанными на 5 А, напряжением 220, 380 В. Для непосредственного включения счетчики изготовляют на ток силой до 100 а. Чтобы расширить пределы применения счетчиков, используют трансформаторы тока и напряжения. В двухпроводной сети используют однофазные счетчики, в других — трехфазные. Схемы включения счетчиков приведены на рисунке 1.5. Расход энергии определяют по показанию счетчика. Для учета реактивной энергии в трехфазной сети применяют специальные трехфазные счетчики реактивной энергии. При включении счетчиков через трансформаторы тока необходимо согласовать выходные и входные концы трансформаторов: зажимы первичной обмотки трансформатора тока обозначают буквами Л₁ и Л₂, а зажимы вторичной обмотки — буквами И₁ и И₂. Если провод от ввода подведен к зажиму Л₁ то провод от зажима И₁ вторичной обмотки тока соединяют с входящим зажимом счетчика.

Учет электроэнергии на буровой установке БУ-2500ЭУ ведется в шкафе КРУ типа КРУЭ-6(10)У2В электросчетчиком активной и реактивной энергии типа СЭТ3р. Напряжение электросчетчика U = 100 В, I = 5 А, f = 50 Гц.

Рисунок 2.6

2.4. Электропривод буровых лебедок.

2.4.1. Общая характеристика режима работы электропривода бл.

Кроме подъема и спуска колонны бурильных труб (КБТ) с помощью буровой лебедки часто осуществляют свинчивание и развинчивание труб, их перенос и установку, подъем и опускание незагруженного элеватора, а также подачу долота на забой.

В современных буровых установках применяют вспомогательные двигатели для выполнения вспомогательных работ. В этом случае буровая лебедка используется только для подъема и спуска КБТ. Причем для подъема КБТ служат приводные двигатели лебедки, а для спуска электромагнитные тормоза индукционного или электропорошкового типа или приводные двигатели в режиме динамического или рекуперативного торможения.

Подъем КБТ состоит их отдельных циклов, число которых равняется числу свечей. За время одного цикла происходит подъем на высоту одной свечи (25-37м.), затем ее отвинчивают, переносят и устанавливают, после чего цикл повторяется.

Процесс перемещения бурильных труб на одну свечу характеризуется наличием трех периодов.

1. Разгон колонны в течение времени t_р, т.е. увеличение скорости от нуля до некоторого установившегося значения.

2. Равномерное движение с установившейся скоростью V_уст в течение времени t_у.

3. Замедление колонны, т.е. уменьшение скорости от установившегося значения до нуля с посадкой на клинья в течение времени t_з, t_в – время вспомогательных операций).

Рис. 5. Диаграммы скорости и момента.

По мере подъема КБТ ее вес (Q) дискретно уменьшается и соответственно изменяется момент статического сопротивления (М_с) на валу приводного электродвигателя. Причем в период разгона КБТ моментМ_рна валу электродвигателя будет больше статического моментаМ_сза счет дополнительного усилия для преодоления инерции при разгоне. При замедлении колонны моментМ_збудет меньше статического момента на величину динамического момента при торможении. Так как время работы привода лебедки при подъеме КБТ прерывается паузами для отвинчивания, переноса и установки труб, спуска крюка с незагруженным элеватором, режим работы привода лебедки повторно-кратковременный, с относительной продолжительностью включения 25-40%.

Диаграммы скорости и момента представлены на рис. 5.

2.4.2. Требования к электроприводу буровой лебедки.

Электропривод буровой лебедки (БЛ) должен обеспечивать процесс подъема колонны бурильных труб за минимальное время и с наименьшими потерями энергии.

Для обеспечения процесса подъема колонны труб в оптимальном режиме двигатель должен развивать такой момент и иметь такую мощность, чтобы их было достаточно для преодоления сил трения и подъема полного веса колонны при работе на низшей передаче редуктора, а также двигатель должен выдерживать частые включения и отключения для обеспечения повторно-кратковременного режима работы. Для этого применяются: реостатный пуск асинхронных двигателей с фазным ротором, пуск двигателей на холостом ходу с последующим подключением нагрузки с помощью электромагнитной муфты, пуск двигателей постоянного тока плавным повышением напряжения.

Интенсивность ускорения в процессе разгона при подъеме колонны зависит от пусковой характеристики электропривода и определяется превышением момента, развиваемого двигателем в процессе пуска, над моментом сопротивления. Наибольшая величина превышения ограничивается максимальным моментом, который может развить двигатель. Для обеспечения быстрого с максимально допустимым ускорением разгона колонны двигатель БЛ должен обладать высоким пусковым моментом в процессе всего разгона и высокой перегрузочной способностью. Для асинхронных двигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, кратность максимального момента должна быть не менее λ=2,5…2,8. Это может быть обеспечено включением реостатов в цепь фазного ротора.

Для подъема колонны весом Q со скоростью V_уст потребуется мощность:

При наличии уменьшающегося момента статического сопротивления на валу двигателя мощностью P_д, наибольшая производительность лебедки и полная загрузка привода может быть достигнута, если по мере подъема труб, скорость подъема увеличивается, то есть выполняется условие:

,

где М_б – момент сопротивления на валу барабана лебедки;

ω_б – угловая скорость барабана лебедки;

η – кпд передач от двигателя к барабану лебедки.

Таким образом электропривод БЛ должен обеспечивать многоступенчатое регулирование скорости вращения.

Передаточные числа, число передач и диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя выбирают таким образом, чтобы выполнялось условие Р_д = Р_ном = const и механическая характеристика привода была близка к кривой постоянной мощности, которой в координатах М_б, _б соответствует кривая 1 (рис. 6).

В случае если скорость подъема колонны регулируется с помощью четырехскоростной (I, II, III, IV) трансмиссии и в качестве привода используется синхронный двигатель, у которого скорость не зависит от момента, вместо непрерывной параболы в координатах М, ω получаем четырехступенчатую ломаную абвгдежз, проходящую ниже кривой 1.

Рис. 6. Зависимость скорости подъема колонны от нагрузки на крюке.

Таким образом, потребляемая от двигателя мощность при любом весе колонны (кроме точек а, в, д, ж) будет меньше номинальной и двигатель будет практически всегда недогружен. При этом КПД и коэффициент мощности двигателя будут ниже номинальных, что приведет к повышению потерь электрической энергии как в двигателе, так и в питающей сети.

Если двигатель БЛ будет иметь механическую характеристику как у асинхронного двигателя с некоторым наклоном рабочего участка, то при снижении веса на крюке скорость двигателя будет несколько возрастать. При этом будет расти и скорость подъема колонны и вместо горизонтальных участков аб, вг, де, жз получим кривые, приближающиеся к кривой 1 (показаны пунктиром). При этом нагрузка двигателя будет приближаться к номинальной.

Таким образом, при ступенчатом регулировании скорости подъема колонны с помощью трансмиссий для оптимизации режима нагрузки, двигатель должен иметь мягкую механическую характеристику.

Изменять частоту вращения барабана лебедки (скорости подъема груза) для выполнения условия постоянства мощности двигателя можно также бесступенчато с помощью электропривода с широким диапазоном регулирования частоты вращения.

При этом, чем больше глубина бурения, тем эффективнее применение регулируемого электропривода. При наличии электропривода с ограниченным диапазоном регулирования частоты вращения возможно уменьшение ступеней механической передачи.

В отечественной 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 отключить один из двигателей при снижении нагрузки, что дает экономию электрической энергии. Однако два двигателя половинной мощности тяжелее и дороже, чем один двигатель большей мощности. Кроме того требуется устройство для равномерного распределения нагрузки между двумя двигателями, работающими на один вал.

Для большей части современных буровых установок экономически целесообразно применение однодвигательного варианта. Многодвигательный вариант привода БЛ удобен для облегчения условий транспортировки блоков и в других случаях.

В выпускаемых ранее буровых установках ЭП лебедки осуществлялся АД с фазным ротором. Применение короткозамкнутых АД и СД ограничивается тем, что эти двигатели не допускают большой частоты включения, а системы их управления не позволяют получать простыми схемами плавный разгон, реверсирование и снижение частоты вращения привода.

В ряде буровых установок для привода лебедки используются СД в сочетании с электромагнитными муфтами, работающие в режиме постоянного вращения. При мощности двигателей более 250 кВт целесообразно выбирать их на напряжение 6 кВ, что позволяет исключить промежуточную трансформацию напряжения. В дальнейшем следует ожидать повышения рабочего напряжения двигателей буровой установки до 10 кВ.

Для электропривода буровой лебедки в отечественных буровых установках находят применение асинхронные двигатели с фазным ротором серий АКБ и АКСБ, синхронные двигатели СДЗБ, СДБО, двигатели постоянного тока П2, МПП и др.

В результате технико-экономического сравнения вариантов электропривода буровой лебедки наиболее целесообразным может оказаться электропривод постоянного тока. Такой электропривод можно выполнить безредукторным и его можно использовать в качестве электротормоза. Электропривод постоянного тока используется в системе регулирования скорости, выполненной по схеме ТП-Д, в буровых установках БУ2500ЭП, БУ6500 и в морских БУ.