Выбор системы привода ротора, буровых насосов и буровой лебёдки

 

Для буровых станков предпочтителен электропривод с асинхронных короткозамкнутым электродвигателем и частотным управлением с преобразователем типа инвертора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-инвертора)[1].

Главные электроприводы буровой установки работают не одновременно: в основных рабочих режимах действуют буровые насосы и ротор (режим бурения) или буровая лебёдка в режиме спускоподъёмных операций. Мощность, потребляемая электроприводами, в большей мере зависит от текущей глубины бурения. С учётом этого мощность главных электроприводов следует выбирать так, чтобы максимальные мощности в режиме бурения и режиме спуско-подъёмных операций были одного порядка и не превышали мощность источников энергии.

Необходимая мощность привода бурового насоса при разных методах бурения различна. Поскольку каждая буровая установка должна обеспечивать возможность бурения любым из указанных методов, мощность выбирают исходя из условий турбинного бурения, поскольку для роторного бурения требуется меньшая мощность. Мощность бурового насоса составляет 600 кВт, максимальная частота вращения вала привода - 1500 об/мин. Буровые насосы представляют собой насосы поршневого типа. Мощность двигателя определяется для основного расчётного режима, соответствующему наибольшему давлению насоса.

Буровой ротор предназначен для приведения во вращение колонны бурильных труб. При роторном бурении это необходимо для непосредственного вращения долота, при турбинном - для вспомогательных целей. Условия работы электропривода ротора буровой установки требуют использования взрывозащищённого электрооборудования [10]. Выбор вида привода и его характеристик выполняют с учётом следующих требований и технологических условий работы:

1. Привод ротора должен быть реверсивным.

2. В основных рабочих режимах ротор должен вращаться в одном (прямом) направлении, обратное направление необходимо только в некоторых вспомогательных режимах, поэтому допустим реверс с применением оперативных переключений с кратковременным перерывом питания.

.   Режим работы - длительный, момент нагрузки может быть постоянным или колебаться в некоторых пределах, вплоть до максимального.

.   При регулировании частоты вращения ниже номинальной привод должен привод должен обеспечивать возможность длительной работы при номинальном моменте нагрузки, при регулировании частоты выше номинальной - при постоянной номинальной мощности, однако привод ротора работает при меньших моменте и мощности, в связи с чем автоматическое обеспечение указанных условий не требуется.

.   Требуемый статизм механической характеристики в пределах номинальной нагрузки должен быть не более 5... 10 % номинальной частоты вращения;

.   Требования к плавности регулирования частоты вращения зависят от расчетной глубины бурения (плавное регулирование необходимо на установках глубокого бурения, а на прочих установках допустимо ступенчатое изменение частоты вращения);

.   Специфическим является требование ограничения момента инерции привода. Ротор приводит во вращение длинную упругую колонну труб. Для уменьшения динамических нагрузок в трубах при заклинивании долота привод должен иметь возможно меньший момент инерции.

В зависимости от класса буровой установки для привода ротора рекомендуется применять: для установок глубокого и сверхглубокого бурения - глубоко регулируемый электропривод ротора; для прочих буровых установок - нерегулируемый электропривод со ступенчатым изменением частоты вращения ротора с помощью механической коробки передач; возможно также применение группового привода ротора от трансмиссии буровой лебедки.

Буровая лебедка предназначена для подъема и спуска бурильной колонны, производимых периодически для замены породоразрушающего долота. Мощность на валу буровой лебёдки составляет 690 кВт. Вид привода и его характеристики должны выбираться с учетом следующих требований и технологических особенностей работы лебедки в режиме подъема:

Режим работы привода - повторно-кратковременный. При подъеме колонну делят на отдельные отрезки - свечи длиной 25... 37,5 м каждая, которые поднимают последовательно одну за другой с перерывами, необходимыми для выполнения вспомогательных операций. Относительная продолжительность включения составляет в среднем 30...40%, длительность одного цикла 1,5... 3 мин. Перегрузка двигателя по току в рабочем периоде принимается обычно равной 1,2... 1,3 номинального тока;

Реверс двигателя в основных рабочих режимах не требуется, он необходим только в редких вспомогательных режимах и может осуществляться путем оперативных переключений. Если двигатель используется также в качестве тормозной машины при спуске колонны, то привод должен быть реверсивным (изменение знака скорости), однако статический момент нагрузки определяется «протягивающим грузом» и не меняет знака, т. е. привод работает в I и IV квадрантах.

Желательно более полное использование мощности привода при изменении момента нагрузки в широких пределах (до 20 раз), поэтому характеристика привода должна быть близкой к кривой постоянной мощности. Требуемый диапазон регулирования скорости до 10:1; привод должен иметь такие пусковые характеристики, чтобы обеспечивался плавный, но достаточно интенсивный разгон лебедки. Значение максимального момента двигателя должно быть 1,8...2,2 номинального момента;

Жесткость механической характеристики должна быть такой, чтобы статизм не превышал 5... 8 % номинальной частоты вращения. При регулируемом приводе формируется обычно экскаваторная механическая характеристика;

Привод лебедки должен обеспечивать остановку крюка талевой системы с точностью ±(30...40) мм, что соответствует 0,05...0,15 оборота вала двигателя (в зависимости от передаточного отношения между барабаном лебедки и валом двигателя);

На установках глубокого бурения привод лебедки должен быть двухдвигательным по соображениям резервирования, причем максимальное расчетное усилие на крюке должно обеспечиваться при работе одного двигателя.

В зависимости от класса буровой установки для привода лебедки рекомендуется применять: для установок глубокого и сверхглубокого бурения - глубоко регулируемый редукторный или безредукторный электропривод с аварийной механической передачей в зависимости от ряда дополнительных требований; для прочих буровых установок - регулируемый электропривод с диапазоном регулирования до 10:1.

Система торможения буровой лебедки должна воспринимать энергию, развиваемую бурильной колонной при спуске в скважину, и обеспечивать регулирование скорости спуска в заданных пределах. Для этой цели используются электрические машины различных типов, в первую очередь специально создаваемые для этого электромагнитные тормоза индукционного или порошкового типа. Рационально использовать в качестве тормозных машин приводные двигатели лебедки. Мощность тормозной машины на установках разных классов составляет от 200 до 1500 кВт. Действующие стандарты регламентируют скорости спуска колонны номинальной массы и незагруженного талевого блока, остальные параметры выбираются при проектировании.

Тормозные режимы реализуются с учетом следующих требований и технологических особенностей работы лебедки при спуске колонны:

1. режим торможения - повторно-кратковременный, приблизительно такой же, как для привода лебедки в режиме подъема;

2. основное направление вращения соответствует спуску колонны, однако возможно вращение в обратном направлении. Приводной двигатель при спуске работает в IV квадранте в режиме динамического или рекуперативного торможения. Последнее допускается на установках, получающих питание от электрической сети;

.   диапазон регулирования скорости спуска выше номинальной достигает 2:1. Желательно получение малых скоростей спуска вплоть до нулевой, однако допустимо принимать минимальную скорость примерно 0,3 номинальной. Желательно наиболее полно использовать мощность системы торможения, поэтому зависимость скорости спуска от момента нагрузки при скорости больше номинальной должна быть близкой к кривой постоянной мощности;

.   система торможения должна обладать запасом тормозного момента примерно 1,5 номинального значения для обеспечения достаточно интенсивного замедления;

.   требования к точности остановки те же, что и для привода лебедки в режиме подъема.

В зависимости от класса буровой установки рекомендуется применять системы торможения: для установок глубокого и сверхглубокого бурения - с использованием приводных двигателей лебедки в качестве тормозных машин; для установок бурения на средние глубины - с электромагнитными индукционными тормозами; для установок бурения на небольшие глубины - с электромагнитными ферропорошковыми тормозами, которые могут дополнительно, выполнять функции регуляторов подачи долота при бурении.

Для привода буровых насосов выбираем частотно-регулируемый асинхронный электропривод поскольку, по сравнению с другими видами электропривода, он обладает рядом преимуществ:

1. обеспечивает широкий диапазон регулирования частоты вращения;

2. обладает высокой эксплуатационной надёжностью;

.   позволяет эффективно решить задачу синхронизации двух буровых насосов при одновременной работе.

Для привода ротора выбираем частотно-регулируемый асинхронный электропривод, параметры редуктора и необходимость в использовании двухскоростного редуктора будет уточнена в ходе расчётов. В рамках рассматриваемой задачи данный вид привода обладает рядом дополнительных преимуществ:

механическая характеристика привода близка к кривой постоянной мощности, что позволяет достигать высокого момента при малой частоте вращения и номинальной мощности при высокой частоте;

1. обеспечивает плавный пуск и плавное регулирование скорости вращения;

2. обладает низким моментом инерции.

Для привода буровой лебёдки выбираем двухдвигательный частотно-регулируемый асинхронный электропривод в связи с необходимостью обеспечения отказоустойчивости, точного регулирования положения вала двигателя. В целях реализации последнего требования привод следует оборудовать датчиком угла поворота вала.

Рассмотрим вариант системы электропривода, выполненной на номинальное напряжение 6 кВ, поскольку двигатели требуемой мощности на более низкие уровни напряжения не производятся серийно, а выпукаются на заказ. Кроме того, пусковые токи двигателей, токи нормальных и аварийных режимов системы электроснабжения при выполнении её на номинальное напряжение 0,4 кВ будут достигать нескольких килоампер, что потребует установки мощной коммутационной аппаратуры.