Типы приводов и их характеристики

ТИПЫ ПРИВОДОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Силовым приводом называется совокупность двигателей и регулирующих их работу устройств, преобразующих тепловую или электрическую энергию в механическую, управляющих преобразованной механической энергией и передающих ее к исполнительным механизмам буровой установки (насосу, ротору, лебедке и др.). Мощность привода (на входе в трансмиссию) характеризует основные его потребительские и технические свойства и является классификационным (главным) параметром.

В зависимости от используемого первичного источника энергии приводы делятся на автономные, не зависящие от системы энергоснабжения, и неавтономные, зависящие от системы энергоснабжения, с питанием от промышленных электрических сетей. К автономным приводам относятся двигатели внутреннего сгорания (ДВС) с механической, гидравлической или электропередачей. К неавтономным приводам относятся: электродвигатели постоянного тока, питаемые от промышленных сетей переменного тока через тиристорные выпрямительные станции управления; электродвигатели переменного тока с гидравлической либо электродинамической трансмиссией или регулируемые тиристорными системами.

В соответствии с кинематикой установки привод может иметь три основных исполнения: индивидуальный, групповой и комбинированный или смешанный.

Индивидуальный привод - каждый исполнительный механизм (лебедка, насос или ротор) приводится от электродвигателей или ДВС независимо друг от друга. Более широко этот вид привода распространен с электродвигателями. При его использовании достигается высокая маневренность в компоновке и размещении бурового оборудования на основаниях при монтаже.

Групповой привод - несколько двигателей соединены суммирующей трансмиссией и приводят несколько исполнительных механизмов. Его применяют при двигателях внутреннего сгорания.

Комбинированный привод - использование индивидуального и группового приводов в одной установке. Например, насосы приводятся от индивидуальных двигателей, а лебедка и ротор от общего двигателя. Во всех случаях характеристики привода должны наиболее полно удовлетворять требуемым характеристикам исполнительных механизмов.

В зависимости от используемого первичного источника энергии приводы делятся на автономные (не зависящие от системы энергоснабжения) и неавтономные (зависящие от системы энергоснабжения, т. е. с питанием от промышленных электрических сетей). К автономным приводам относятся установки с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и с газотурбинными двигателями. К неавтономным приводам относятся установки с электродвигателями, питаемыми от сети трехфазного переменного тока. В зависимости от способа привода исполнительных механизмов силовой привод буровой установки может быть одиночным или групповым.

Характеристики группового привода одновременно должны соответствовать характеристикам различных механизмов буровой установки, а характеристика одиночного привода — характеристике только одного механизма.

Повышение универсальности и гибкости привода обычно связано с увеличением его массы или понижением к. п. д. Потребителями энергии буровой установки являются исполнительные механизмы, обладающие различными характеристиками.

Исполнительные механизмы, обеспечивающие углубление скважины:

-  ротор, предназначенный для вращения бурильной колонны с долотом, требует ступенчатого регулирования частоты вращения от 20—30 до 300 об/мин; число ступеней три—шесть, при больших глубинах скважин лучше применять бесступенчатое регулирование; крутящий момент ротора изменяется в зависимости от диаметра долота, осевой нагрузки, длины и конструкции бурильной колонны; практика роторного бурения свидетельствует о том, что при 100 об/мин ротора на вращение долота и 114-мм бурильной колонны на каждые 1000 м ее длины достаточна мощность 100 кВт, наибольший крутящий момент на роторе обычно не превышает 13 кН·м;

- насосы — главные потребители мощности; необходимая полезная мощность для обеспечения циркуляции бурового раствора зависит от подачи насоса и давления; мощность насосной установки может быть определена из эмпирической зависимости N=(1,2—1,4)D2, где D — диаметр скважин, см; подача насосной установки колеблется от 60—100 л/с в начале бурения до 10— 15 л/с в конце, когда диаметр скважины наименьший; применяется как ступенчатое изменение подачи за счет изменения числа одновременно работающих насосов и диаметров их поршней и цилиндров, так и бесступенчатое за счет изменения частоты вращения приводного вала.

Исполнительный механизм, осуществляющий спуско-подъем: лебедка — частота вращения барабана лебедки при подъеме изменяется от 30—50 до 600 об/мин; для лучшего использования мощности требуется бесступенчатое или ступенчатое регулирование частот вращения; при подъеме бурильной колонны идеальным является использование всей мощности,   т. е. N= Mω = const, где М —крутящий момент, ω — угловая скорость барабана.

Устройства, обеспечивающие приготовление и очистку бурового раствора, и вспомогательные механизмы: компрессоры, шламовый и водяной насосы, механизированные ключи и др.; мощность, потребляемая этими механизмами, составляет 10—15 % общей мощности.

Основные требования, предъявляемые к силовому приводу: соответствие мощности и гибкости характеристики (т. е. изменение крутящего момента и частоты вращения в зависимости от условий работы исполнительных механизмов), достаточная надежность, долговечность, небольшая масса и экономическая эффективность.

Мощность силового привода — это номинальная установленная мощность всех двигателей N=∑Ni, где Ni — номинальная мощность двигателя, кВт.

Гибкость характеристик — способность силового привода автоматически или при участии оператора в процессе работы быстро приспосабливаться к изменениям нагрузок и частот вращения исполнительных механизмов. Гибкость характеристики зависит от коэффициента приспособляемости, диапазона регулирования частоты вращения валов силового привода и приемистости двигателя. 

Коэффициент гибкости характеристики определяется отношением изменения частоты вращения к вызванному им отклонению момента нагрузки kг=∆n/∆M. Он пропорционален передаточному отношению u21 и обратно пропорционален коэффициенту перегрузки kп, т. е. kг=u21/kп. Для гибких приводов kг =2-4, а для жестких kг= 1-2. Иногда применяют понятие коэффициент жесткости kж=l/kг, т. е. величина kж является обратной величине коэффициента гибкости.

Приемистостью называется интенсивность осуществления переходных процессов, т. е. время, в течение которого двигатель и силовой привод реагируют на изменение нагрузки и изменяют частоту вращения.

Приспособляемость — свойство силового привода изменять крутящий момент и частоту вращения в зависимости от момента сопротивления. Собственная приспособляемость — свойство двигателя приспособляться к внешней нагрузке. Искусственная приспособляемость — свойство трансмиссий приспосабливать характеристику двигателя к изменению внешней нагрузки.

Коэффициентом приспособляемости или перегрузки kп называется отношение Мmax/Мн, где Мmax и Мн — наибольший и номинальный крутящие моменты.

Диапазон регулирования частоты вращения R — это отношение максимальной частоты вращения nmах к номинальной nн.

Если в силовой привод входят средства искусственной приспособляемости, то kп = kпдkпт, а диапазон регулирования частот вращения R=RдRт, где kпд и Rд — соответственно коэффициент приспособляемости и диапазон собственного регулирования двигателя в пределах устойчивых режимов работы; kпт и Rт— то же, для средств искусственной приспособляемости, входящих в силовой привод.

Коэффициент kпд и Rд зависят от типа двигателя и вида используемой энергии. Если значения kпд и Rд меньше требуемых по условиям эксплуатации приводного исполнительного механизма, то в кинематической цепи предусматривают средства искусственной приспособляемости, т. е. устанавливают между двигателями и исполнительным механизмом промежуточные гидравлические или электродинамические муфты скольжения, турботрансформаторы и коробки передач.

Ниже приведены значения kпд и Rд для различных двигателей.

 Относительная масса двигателя или масса, приходящаяся на 1 кВт, влияет на мобильность буровой установки. Относительная масса двигателей колеблется от 2 до 15 кг/кВт. Практикой бурения установлено, что для таежных и мощных буровых установок наиболее подходят двигатели с относительной массой 6—12 кг/кВт.

Экономическую эффективность силовых приводов буровых установок с двигателями различных типов определяют на основании данных эксплуатации или опыта промышленных испытаний установок. Экономическая эффективность зависит от расхода энергии, смазочных материалов, их стоимости, коэффициента использования мощности первичных двигателей, затрат на уход и обслуживание, транспортировку, монтаж и демонтаж силовых приводов в буровой установке.

Мощность, тип и число двигателей, способ передачи энергии и схему компоновки силового привода выбирают с учетом характера и предела изменения рабочих нагрузок. Использование мощности исполнительными механизмами в процессе проходки скважины, характеристики двигателей и средств искусственной приспособляемости зависят от способа и технологии бурения. В процессе проходки скважины необходимая мощность, частота вращения и крутящие моменты, как указывалось, изменяются для всех исполнительных механизмов в широких пределах. Потребляемая мощность и энергия зависят от глубины и диаметра скважины, способа бурения, типа буровой установки, режима работы, климатических условий и др. По мере углубления скважины возрастает расход энергии, затрачиваемой на каждый пробуренный метр скважины, вследствие уменьшения скорости механического бурения, увеличения гидравлического сопротивления прокачиванию жидкости и массы бурильной колонны и повышения объема СПО.

Режимы работы силовых приводов непостоянны. Различают три режима работы силового привода: пиковые с кратковременными нагрузками и использованием максимальной мощности двигателей (аварийные работы); повторно-кратковременные нагрузки в период СПО; пусковые и длительные режимы, используемые для привода ротора и насосов в процессе бурения.

Пригодность двигателя того или иного типа и необходимых средств искусственной приспособляемости для привода буровой установки определяется их характеристиками и технико-экономическими показателями. При выборе типа двигателя, способа передачи энергии к исполнительным механизмам и разработке схемы компоновки всего силового привода следует подбирать сочетание характеристик и этих показателей так, чтобы полнее удовлетворить требования бурения, монтажа и демонтажа оборудования. В зависимости от этих факторов выбирают схему и разрабатывают конструкцию всех передач, приводящих лебедку, насосы, ротор и другие агрегаты таким образом, чтобы обеспечить наиболее эффективное их использование. Для решения этой задачи должны быть известны характеристики основных исполнительных механизмов, двигателей, трансмиссий и средств искусственной приспособляемости.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ И СИЛОВЫХ ПРИВОДОВ

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)

Применяемые в буровых установках ДВС работают на тяжелых топливах или газе. Двигатели, работающие на легких топливах (бензине или керосине), в бурении не применяются вследствие их неэкономичности. Соответствие ДВС заданным условиям работы определяется их внешней характеристикой и конструкцией.

Внешней или механической характеристикой ДВС называется изменение мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

При нарушений равновесия между моментом сопротивлений исполнительного механизма и крутящим моментом двигателя требуется воздействие специальных регуляторов на источник энергии, которые изменяют соответственно количество подаваемого горючего и воздуха. ДВС могут работать при изменении массового соотношения количества воздуха и топлива в сравнительно небольшом диапазоне — от 15: 1 (бедная смесь) до 11:1 (богатая смесь). Этим и объясняется тот факт, что крутящий момент, развиваемый этими двигателями, почти постоянен. Если подача топлива ограничена и применяется бедная смесь, то частота вращения уменьшается, и двигатель не развивает полной мощности. Такую характеристику называют частичной.

Приемистость и приспособляемость ДВС определяются конструкцией системы подвода топлива и воздуха, а также динамическим моментом инерции вращающихся частей шатунно-поршневой группы. Шатунно-поршневую группу быстроходных двигателей облегчают, поэтому двигатели имеют большую приемистость, чем тихоходные. С увеличением коэффициента собственной приспособляемости двигателя возрастает устойчивость его работы при переменных режимах нагрузки, что особенно важно для двигателей, приводящих в движение буровые лебедки.

Рис. 1. Внешние механические характеристики ДВС.

На рис. 1 показаны внешние характеристики ДВС. Кривая 1 характеризует мощность ДВС при изменении частоты вращения вала, кривые 1′ и 1" — частные характеристики при изменении подачи топлива и воздуха. Кривая 2 показывает изменение крутящего момента на валу двигателя, а кривая 3 — удельный расход топлива.

Обычно в заводской характеристике ДВС указывают его номинальную мощность. Номинальной мощностью Nн ДВС называется мощность нового двигателя, полученная во время заводских стендовых испытаний при определенной (номинальной) частоте вращения nн (точка Б на кривой 1); при этом двигатель развивает номинальный момент (ордината точки Б' на кривой 2) при номинальном расходе топлива qн (точка Б" на кривой 3) и нормальных условиях.

Согласно нормам, для подъемного комплекса буровых установок следует использовать режим работы ДВС, при котором он развивает 80 % номинальной мощности (точка В) при меньшем расходе топлива (точка В" на кривой 3). При длительных режимах работы ДВС для привода насосов и ротора рекомендуется использовать только 60 % номинальной мощности (точка Г), что достигается уменьшением подачи топлива, обеспечивающим наиболее экономичный режим работы (точка 1" на кривой 3). При форсировании ДВС может развить и большую мощность (точка А). Однако этот режим связан с повышенным расходом топлива (точка А" на кривой 3) и снижением момента (точка А' на кривой 2) за счет увеличения внутренних потерь в двигателе. При таком режиме срок службы ДВС резко уменьшается и использование его неэкономично.