Частотно-регулируемый привод

Основу современного регулируемого электропривода механизмов нефтяной отрасли составляют электродвигатели постоянного тока по системе ТП-ДПТ (тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока) и частотно-управляемые асинхронные двигатели. В последние годы начинают широко применяться регулируемые электроприводы на основе синхронных двигателей с постоянными магнитами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

    

 

   3.Электропривод буровых насосов.

3.1.Режимы работы буровых насосов

Буровой насос (БН) служит для создания циркуляции промывочной жидкости, очищающей забой скважины от выбуренной породы и передающей энергию турбине (забойному двигателю) при турбинном способе бурения. Он представляет собой поршневой насос со сменными поршнями (втулками) ряда диаметров. Сменные втулки нужны в связи с тем, что требуемое давление на выходе насоса может изменяться в зависимости от глубины. Чем больше глубина скважины тем больше давление на выходе насоса. Максимальная величина давления на выходе насоса не должна превышать предельно допустимых значений поэтому нерегулируемом приводе при достижении предельно допустимого давления производится смена втулки насоса. При регулируемом приводе давление ограничивается снижением подачи насоса. )

Для наиболее полного использования мощности электродвигателя и снижения потерь мощности оптимальный режим работы насосной установки характеризуется постоянством развиваемой насосом мощности, равной номинальной Рн то есть                                                                                                            

                                               Pн=pQ=const.                                                (1)

При выполнении этого условия приводной электродвигатель будет работать с наибольшим КПД. Условию (1) в координатах pQ соответствует кривая p*Q=const на рисунке 2.

НВ1, НВ2,НВ3-характеристика насоса при различных диаметрах втулок;МL1,ML2,ML3-характеристики манифольда и скважины в зависимости от глубины скважины.

Рисунок 2-Режим работы бурового насоса

 

Как мы видим по рисунку в случае нерегулируемого привода насосов и периодической замены втулок рабочая точка в процессе бурения перемещается по отрезкам характеристик насоса 1-2, 3-4, 5-6. Для многих насосов эти отрезки характеристик насоса близки к вертикальным прямым. В точке 6 давление достигнет p1 - предельного значения для втулки диаметром D1 — и процесс бурения должен быть остановлен. Глубина скважины должна быть такой, чтобы давление развиваемое насосом при наибольшей глубине, не превышало значения p1. При нерегулируемом приводе приблизиться к кривой pQ=const можно, но мощность привода при этом все равно будет недоиспользована и двигатель насоса будет недогружен.

При регулируемом электроприводе можно приблизиться к условию полного использования мощности электродвигателя путем снижения частоты вращения. Тогда процесс при тех же трех сменных втулках будет протекать по ступенчатой ломаной линии 1-2-3'-4-5'-6 (пунктирная линия на рисунке 2.), причем по отрезкам 1-2, 3'-4, 5'-6 бурение идет при постоянной скорости вращения электродвигателя, а по горизонтальным отрезкам 2-3' и 4-5' - при регулируемой скорости. Так как регулирование должно обеспечивать постоянство развиваемого насосом давления, то регулировать скорость электродвигателя и подачу насоса следует при постоянном моменте. При этом на горизонтальных участках 2-3' и 4-5' обеспечивается полное использование мощности приводного ЭД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2Энергетические показатели регулируемого электропривода буровых насосов.

Рассмотрим энергетические показатели регулируемого электропривода бурового насоса на примере конкретной скважины. Бурение скважины при нерегулируемом электроприводе происходило в три этапа.

    На первом этапе забойным двигателем диаметром 240 мм при втулке насоса диаметром 160 мм было пробурено 300 м в течение 86 ч. Начальное значение подачи Q3 составило 35 л/с. Для упрощения анализа примем, что коэффициент подачи насоса не зависит от напора и подача насоса при работе на одной втулке не изменяется в процессе бурения.

На втором этапе забойным двигателем диаметром 195 мм при втулке I диаметром 150 мм было пробурено 1500 м в течение 264 ч. Начальное значение подачи Q2 составило 30л/с.                                                                                   На третьем этапе забойным двигателем диаметром 127 мм при втулке диаметром 140 мм было пробурено 100 м и течение 30 ч. Начальное значение подачи Q1 составило 15 л/с. Изменение подачи в функции времени t (без учета времени на замену втулок и спусколодъемных операций) показано на рисунке 3,а. Нагрузка на двигатель (рисунок 3, б) постоянно изменяется, после смены втулки она скачком уменьшается и затем в процессе бурения с увеличением глубины скважины постепенно увеличивается до номинального значения Рном. Частота вращения n двигателя не изменяется (рисунок 3,в).

              

Рисунок 3-Характеристики нерегулируемого привода.

При регулируемом приводе в точках 2 и 4 (рисунок 3) нет необходимости заменять втулку насоса на меньший диаметр для снижения подачи. Чтобы уменьшить подачу, достаточно снизить частоту вращения двигателя.

 

 

Оценим некоторые из технико-экономических эффектов при использовании регулируемого электропривода .

Во-первых, при регулируемом электроприводе повышается среднее давление промывочной жидкости. И повышается средняя подача насоса. При этом улучшается очистка забоя, повышается мощность, передаваемая долоту, и увеличивается скорость разрушения породы, что приводит к снижению времени бурения.

Во-вторых, снижаются потери мощности и электроэнергии в ЭД.

В-третьих, снижаются потери давления в манифольде и как следствие снижается расход электроэнергии.

Снижение времени бурения можно приближенно оценить следующим образом. Предположим, что энергия, требуемая для разрушения породы при нерегулируемом Wнер и регулируемом Wpeг электроприводах, одна и та же Wнep = Wpeг. Тогда будут равны и произведения средних потребляемых мощностей при бурении на участках 2-3' и 4-5'.

Рнep*Тнep =Рpeг*Тpeг (3)

где Рнер и Ррег - средние мощности во время бурения при нерегулируемом и регулируемом электроприводах на участках 2-3' и 4-5'; Тнер и Трет - время бурения при нерегулируемом и регулируемом электроприводах на участках 2-3' и 4-5'.

Для рассматриваемого примера средняя мощность при нерегулируемом электроприводе Рср.нер. = 364 кВт и при регулируемом электроприводе Pсp.peг.= 448 кВт (рисунок 2.6, б). При этом из выражения (2.3) следует, что

 

 

То есть время бурения при регулируемом электроприводе снижается на 18,75 %.

Снижение потерь мощности и электроэнергии в ЭД обусловлено повышением коэффициента загрузки и КПД электродвигателя при частотном регулировании. Потери электроэнергии в электродвигателе

при нерегулируемом ∆Энер и регулируемом ∆Эрег электроприводах определяются по выражениям

           (4)

 

                           (5)

Из рисунка 2. видно при нерегулируемом приводе среднее значение коэффициента загрузки к3 для участков 2-3' и 4-5' равно 0,65. При этом потери электроэнергии в ЭД составят 5 700 кВт*ч. При регулируемом электроприводе потери электроэнергии в ЭД равны 4 930 кВт*ч.

4.Регулируемый электропривод буровой лебедки.                                                                                                                                                                                               4.1.Режимы работы буровой лебедки при нерегулируемом и регулируемом электроприводах.

Буровая лебёдка (БЛ) предназначена для подъёма и спуска колонны бурильных труб с целью замены износившегося долота. С помощью лебедки выполняют также следующие операции: удержание колонны труб на весу в процессе бурения или при промывке скважины; приподъем бурильной колонны бурильных труб при ее наращивании; вспомогательные работы по свинчиванию и развинчиванию труб; по подтаскиванию в буровую оборудования, труб и др.

Буровая лебедка состоит из сварной рамы, на которой установлены подъемный и трансмиссионный валы, коробка перемены передач, тормозная система, включающая основной (ленточный) и вспомогательный (регулирующий) тормоза, пульт управления. Все механизмы скрыты предохранительными щитами. Подъемный вал лебедки, получая вращение от коробки передач, преобразовывает вращательное движение силового привода в поступательное движение талевого каната, подвижный конец которого закреплен на барабане подъемного вала. Нагруженный крюк поднимается с затратой мощности, зависящей от веса поднимаемых труб, а спускается под действием собственного веса труб или талевого блока, крюка и элеватора, когда элеватор опускается вниз за очередной свечой.

Для повышения КПД во время подъема колонны лебедку или ее привод выполняют многоскоростными. Во время подъема колонн различного веса скорости в коробках передач переключают периодически.

Для подъема колонны бурильных труб весом Q с установившейся скоростью Vycт потребуется мощность

Pn=QVyст.  (6)

При подъеме колонны по мере уменьшения числа свечей длина и вес колонны бурильных труб дискретно уменьшаются. Так же уменьшается момент статического сопротивления на валу приводного электродвигателя (ЭД). Наибольшая производительность лебедки и полная загрузка привода может быть достигнута, если по мере подъема труб, скорость подъема будет увеличиваться так, чтобы для мощности Рд на валу двигателя выполнялось условие

                                                           РД=Мб*ωб /n=const                                 (7)

где Мб  -момент сопротивления на валу барабана лебедки

ωб –угловая скорость барабана лебедки, n-КПД всех передач от двигателя к барабану лебедки.

 

 

Для выполнения приведенного условия электропривод БЛ должен обеспечивать многоступенчатое регулирование скорости вращения. Передаточные числа, число передач и диапазон регулирования частоты вращения ЭД выбирают таким образом, чтобы характеристика привода была близка к кривой постоянной мощности, которой в координатах Q, ω соответствует «кривая постоянства мощности» на рисунке 5.

В случае, если скорость подъема колонны регулируется с помощью четырехскоростной (I, II, III, IV) трансмиссии и используется двигатель, у которого скорость не зависит от момента, вместо непрерывной параболы в координатах Q, ω получаем четырехступенчатую ломаную 1-2-3-4-5-6-7-8, проходящую ниже кривой постоянства мощности. Поэтому потребляемая от двигателя мощность при любом весе колонны (кроме точек 1, 3, 5, 7) будет меньше номинальной, и двигатель будет практически всегда недогружен. При этом КПД и коэффициент мощности двигателя будут ниже номинальных, что приведет к повышению потерь электроэнергии, как в двигателе, так и в питающей сети.

            

 

Рисунок 5-Зависимость скорости подъема колонны от усилий (веса) на крюке.

 

 

Для увеличения среднего коэффициента загрузки электропривода БЛ в начале работы на каждой из передач (в точках 1,3, 5, 7) допускается перегрузка двигателя. Допустимые коэффициенты перегрузки зависят от типа БУ и мощности привода. В качестве примера рассмотрим режим работы  БЛ ЛБУ-750 у которой Рном=315 кВт. На рисунке 6 изображено кривая постоянства мощности двигателя и механическая характеристика БЛ, где видно что в точках 1, 3, 5, 7 ЭД работает с перегрузкой , а в точках 2, 4 и 6 недогружен.

 

 

Рисунок 6 –Зависимость скорости подъема от усилий на крюке буровой лебедки ЛБУ-750 при нерегулируемом синхронном приводе.

 

В отечественных БУ с нерегулируемым электроприводом БЛ применяются асинхронные двигатели с фазным ротором серий АКБ и АКСБ и синхронные двигатели серии СДБО в сочетании с электромагнитной муфтой скольжения которые имеют мягкую механическую характеристику.

Если привод БЛ будет иметь мягкую механическую характеристику, то при снижении веса на крюке скорость двигателя будет несколько возрастать. при этом будет расти и скорость подъема колонны и вместо горизонтальных участков 1-2, 3-4, 5-6, 7-8 получим кривые, приближающиеся к кривой постоянства мощности (показаны пунктиром па рисунке 5). В результате нагрузка двигателя будет приближаться к номинальной, но двигатель все равно остается недогруженным.

 

Для того, чтобы приблизиться к кривой постоянства мощности привод буровой лебедки должен быть регулируемым. При регулируемом приводе для буровой лебедки ЛБУ-750 скорость в точке 1 при работе на первой передаче следует обеспечить равной

 

 

 

Скорость вращения электродвигателя при этом составит 96,4 рад/с (921 об/с). Скорость в точке 2 должна быть:

 

 

Таким образом, начальная скорость подъема колонны бурильных труб на первой передаче при максимальной нагрузке должна быть 0,34 м/с, а затем по мере дискретного снижения нагрузки скорость должна плавно увеличиться до 0,39 м/с. Нагрузка на валу ЭД при этом будет номинальной. Результаты расчета для других передач сведены в таблицу 1.

 

Скорость		1				2				3		4
Точка характеристики		1		2	3			4	5		6	7	8
V, м/с	0,34		0,39		0,39			0,7	0,7		1,33	1,33	1,99
ω , рад/с	96,4			110,5		78,4	140,8			83	157,3	70,2	105,19
ω, Об /мин	921			1055,7		749	1345			793	1503	670	1005