содержание      ..      1       2         ..

Буровая лебёдка БУ 4500 (реконструкция электропривода механизма подъёма) - часть 1

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
1.1 Технические характеристики буровой установки БУ 45СХУ270 ЭК ее буровой лебедки

1.2 Назначение буровой лебедки
1.3 Технические характеристики лебедки в соответствии с требованиями технического задания

1.4 Требования, предъявляемые к электроприводу лебедки

1.5Диаграмма работы буровой установки
2 КАЧЕСТВЕННЫЙ ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Выбор типа электропривода
2.2 Электропривод постоянного тока

2.3 Синхронный привод
2.4 Привод переменного тока
2.5 Описание режима работы механизма буровой лебедки
3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РОДА ТОКА И ТИПА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1 Расчет скоростей

3.2 Расчет диаметров барабана
3.3 Скорость вращения привода лебедки

3.4 Расчет статических нагрузок
3.4.1 Натяжение ведущей ветви талевого каната
3.4.2 Приведенные статические моменты к валу двигателя

3.5 Приведение моментов инерции к валу двигателя

Рисунок 1 - Внешний вид комплекса буровой установки

1.2 Назначение буровой лебедки

С помощью буровых лебедок и талевого и механизма спускают, поднимают и удерживают навесу бурильную колонну, обсадные трубы и многие другие инструменты при бурении и крепления скважин, а так же производят различные вспомогательные работы. К таким работам относят вид работы такие как подъем и опускание вышки, замена оборудования на вышечном основании и многое другое [12].

На рисунке 2 представлен внешний вид комплекса подъема.

Рисунок 2 - Внешний вид комплекса подъема

1 - крюк; 2 - талевый блок; 3 - несущие страны, 4 - кранблок;
5 - вышка; 6 - лебедка; 7 - приспособление для крепления
конка неподвижной струны; А - ведущая струна каната;
Б -неподвижная струна каната; О - ось скважины.

 

наибольшего веса обычно составляет 0,3-0,5 м/с, а скорость подъёма не нагруженного элеватора составляет 1,7-2 м/с. Более высокие скорости подъема резко ухудшают условия намотки и укладки каната на барабане лебедки и не дают существенного выигрыша во времени. Наибольшая скорость спуска бурильной колонны не превышает 3 м/с, а наименьшая при расхаживании колонн может уменьшаться до 0,1 -0,2 м/с

13 Технические характеристики лебедки в соответствии с требованиями технического задания


Буровая лебедка ЛБУ-900 являются основным механизмом спускоподъемного комплекса буровой установки [17]. Основная функция лебедки - наматывание на барабан, сматывание с барабана и стопорение ведущей струны талевого каната при выполнении следующих операций технологического процесса строительства скважин:

а) спуск и подъем бурильного инструмента;

б) спуск обсадной трубы;

в) подача инструмента на забой;

г) передача вращения ротору;

д) подъем и опускание вышки;

с) аварийный подъем инструмента.

Лебедки монтируют на уровне пола буровой или под иолом. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. При установке над полом буровой имеется свободный доступ ко всем узлам лебедки для их обслуживания и ремонта. Свободный доступ к катушечному валу исключает необходимость монтажа вспомогательной лебедки. Упрощается конструкция привода ротора от лебедки. При установке иод иолом буровой значительно уменьшаются высота и масса блочного основания, существенно снижается трудоемкость ее монтажа и демонтажа, что имеет немаловажное значение для сокращения сроков строительства буровых.

1.4 Требования, предъявляемые к электроприводу лебедки

Буровые лебедки относятся к главным агрегатам бурового комплекса определяющие эффективность бурения. Они используются не только при спуске подъем пых операциях, но так и при разбуривании забоя скважины.

Управление лебёдкой должно осуществляться по системе преобразователь частоты асинхронный двигатель. Привод лебёдки должен быть управляемым во всех четырёх квадрантах механической характеристики.

В режиме спускоподъёмных операций привод обеспечивает:

а) подъём грузов при работе в двигательном режиме (I квадрант механической характеристики);

б) торможение при подъёме в режиме рекуперативного торможения (II квадрант механической характеристики);

в) силовой спуск в двигательном режиме (III квадрант механической характеристик и);

г) торможение при спуске (генераторный режим рекуперативного торможения (IV квадрант механической характеристики).

Во избежание образования слабины каната при переходных процессах при торможении талевого блока при подъёме и при разгоне на спуск, момент двигателя во втором и третьем квадрантах механической характеристики должен быть ограничен [2].

Двигатель лебедки должен обладать достаточно большим максимальным моментом для получения больших ускорений при разгоне труб на высших скоростях лебедки, а также для освобождения бурильной колонны в случае прихвата ее породой. Кратность максимального момента X = 2,5-2,8 можно считать достаточным.

Система автоматического регулирования (САР) привода лебёдки должна содержать задатчик интенсивности, контур регулятора скорости, подчиненный регулятору скорости, контур момента.
 

Задание скорости двигателя лебедки от команде - аппарата поступает на пульт бурильщика и далее по линии связи на вход микропроцессорного контроллера АСУ. В АСУ сигнал задания скорости соответствующим образом ограничивается и далее поступает на вход управления преобразователя частоты привода лебедки в качестве сигнала задания.

Обратная связь для регулятора скорости частотного преобразователя формируется датчиком импульсов, установленный на валу приводного двигателя, и выдающий две последовательности импульсов сдвинутых друг относительно друга на 90°. (но 1000 импульсов на один поворот барабана лебедки).

На рисунке 3 представлена желаемая грузоподъемная характеристика лебедки.

Рис 3 Желаемая грузоподъёмная характеристика лебёдки 

Главной отличительной особенностью электропривода механизма подъема является наличие активного (потенциального) характера момента нагрузки. Активный момент нагрузки всегда имеет один знак то есть момент, создаваемый весом груза всегда стремиться раскрутить механизм в сторону пуска. Таким образом, при подъеме груза (первый квадрант механических характеристик) электропривод должен преодолевать этот момент (работать в двигательном режиме), при работе направлении спуска (4 квадрант механических характеристик) не давать грузу опускаться грузу в свободном падении (тормозной режим).

Потенциальная энергия груза, при опускании должна или возвращаться в питающую сеть (что более предпочтительно) или рассеиваться в виде тепла в специальном устройстве, необходимость обеспечении установившейся скорости в тормозном режиме является главным требованием. Требовании электропривода механизма подъема является определяющим при выборе структуры силовой цепи.

Кроме того, для большинства электропривода механизма подъема существует режим силового спуска-кого статический момент, создаваемый весом легкого груза или пустого крюка, не преодолевает момент механической части (редукторе, канатно-блочной системе). В этом случае электропривод работает в двигательном режиме с весьма небольшим тормозным моментом - не более 10-15 % от номинального.

Характеристики силового спуска располагаться в 3 квадранте.

Во втором квадранте электропривод не имеет у стан овившегося режима и работе в режиме торможения с высших на низшие старости.

Так же к основным требованиям буровой лебедки относятся:

а) возможность частых пусков электропривода с активным статическим моментом, номинальный режим S5 по ГОСТ 183-74;

б) работать на открытом воздухе при высокой относительной влажности воздуха 98 % и иметь степень защиты не ниже 1Р23;

в) затраты на монтаж и демонтаж должны быть минимальными;

г) для повышения производительности необходимо поднимать и опускать пустой крюкоблок со скоростью больше номинальной п=2-пном;

д) небольшой диапазон регулирования с целью минимизации редуктора лебедки

П yimcoJAMUH 2/0,2 10,

с) электропривод должен обеспечивать достаточный запас пусковою момента при максимальной нагрузке и максимально допустимом снижении питающего напряжении М-0,8>МНом;

ж) обеспечивать тормозные режимы (работа тормозного резистора) для сокращения числа узлов лебедки, таких как дополнительные электромагнитные порошковые или гидродинамические тормозные устройства.

Наибольшее влияние на выбор системы электропривода и её структуры оказывает силовой спуск и торможение при спуске. Скорость Груза называется посадочной или установленной и определяется технологическими требованиями.

На основании требований, предъявляемых к электроприводу и системе управления, а так же по техническим характеристикам и условиям работы цеха и в соответствии с требованиями технического задания на рисунке 4 представлена структурная схема электропривода механизма подъема общего назначения.

Рисунок 4 - Структурная схема механизма подъема 

Диаграмма работы буровой установки

На рисунке 5 приведен весь цикл работы буровой установки или рейс одного долота [12]. Как видно из диаграммы, рейс состоит из спуска С колонны с циклическим увеличением нагрузки на крюк Рк до наибольшей для данной глубины скважины, нескольких периодов бурения Б, наращиваний Н и подъема П колонны для смены долота Д с циклическим уменьшением нагрузки на крюк по мере извлечения каждой свечи. Скорость спуска бурильной колонны лимитируется технологическим и условиями и состоянием ствола скважины и составляет 1-2 м/с в не обсаженном стволе и до 3 м/с в обсаженной части.

При подходе к забою скважины спуск бурильной колонны замедляют, что-бы не заклинить новое долото, так как изношенное предыдущее долото изменяет диаметр и форму скважины.

Рисунок 5 - Диаграмма одного цикла (рейса долота) работы буровой установки

На некотором расстоянии от забоя долото останавливают и скважину промывают, после чего начинают вращать долото, осторожно подводят его к забою и с небольшой нагрузкой прирабатывают забой к форме нового долота. После этою нагрузку на долото плавно увеличивают, доводя до максимальной, установленной для данных условий бурения. Затем ее регулируют в зависимости от характера проходимых пород. Скорость бурения может меняться от 0,1 до 60 м/ч и более [12J.

После углубления скважины на всю длину ведущей трубы бурение приостанавливают, колонну приподнимают и скважину промывают для того, чтобы поднять выбуренную породу в за- трубном пространстве на высоту, исключающую возможность оседания ее на забой во время наращивания. Промывка необходима также для выравнивания плотности раствора в за трубном пространстве и внутри колонны труб.

После промывки скважины колонну поднимают на длину ведущей трубы, устанавливают на клиньях или элеваторе на столе ротора, отсоединяют ведущую трубу с вертлюгом от колонны и удлиняют (наращивают) ее на одну трубу (одиночку) или свечу, состоящую из двух-трех груб. Наращивание осуществляется различно. В одном случае трубу заранее укладывают на мостки, затем ведущую трубу с вертлюгом устанавливают в шурф, находящийся недалеко от ротора, и отсоединяют от крюка. Затем захватывают добавляемую трубу элеватором, висящим на крюке, поднимают трубу над ротором и свинчивают с колонной, подвешенной на столе ротора. После наращивания бурильную колонну приподнимают, освобождают от ротора, опускают на длину добавляемой трубы, вновь устанавливают на ротор, захватывают крюком стоящий в шурфе вертлюг с ведущей трубой, поднимают их и соединяют с бурильной колонной. В другом случае наращиваемую трубу устанавливают вертикально во втором шурфе, находящемся рядом с ротором, затем поднимают бурильную колонну из скважины, отвинчивают ведущую трубу от колонны и, не устанавливая се в шурф, подводят к замку добавляемой трубы, свинчивают Их и поднимают из шурфа, после чего свинчивают добавляемую трубу с колонкой. Затем промывают скважину, опуская колонну до забоя, и продолжают бурение [12].

При бурении забойными двигателями иногда не применяют ведущей трубы, и в этом случае наращивание осуществляется свечами для сокращения времени на эти операции. Число наращиваний колонны в процессе каждого рейса определяется проходкой на долото и длиной добавляемой трубы, а время работы долота на забое скоростью углубления и проходкой на долото, которые зависят от конструкции и качества изготовления долота, соответствия сто типа проходимым породам, факторов режима бурения, глубины скважины, физикомеханических свойств буримых пород и свойств бурового раствора, квалификации буровой бригады и

На основании требований, предъявляемых к электроприводу и системе управления, а так же по техническим характеристикам и условиям работы цеха и в соответствии с требованиями технического задания.

2. КАЧЕСТВЕННЫЙ ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
2.1 Выбор типа электропривода

Современные буровые лебедки оснащаются регулируемыми электроприводами главных технологических механизмов. Регулируемые приводы способствуют повышению надежности главных технологических механизмов ча счет упрощения кинематических систем передач, обеспечения плавности пуска и ограничения моментов нагрузки механизмов; позволяют резко повысить производительность буровой установки, что имеет большое экономическое значение. Высокий технико-экономический эффект достигается также за счет увеличения КПД, облегчения монтажа и транспортировки, улучшения условий труда буровиков [16J.

Наиболее полно технологическим требованиям отвечает глубоко регулируемый электропривод. Поэтому электроприводы главных механизмов серийных буровых установок выполнены по системе тиристорный преобразователь — двигатель постоянного тока. Глубокое регулирование скорости приводов обеспечивается изменением напряжения, приложенного к якорю двигателя, и изменением тока в обмотке возбуждения двигателя [16].

Однако использование в качестве электроприводов главных механизмов буровой лебедки двигателей постоянного тока влечёт за собой массу трудностей, связанных с эксплуатацией данных двигателей. Эти трудности связаны с наличием у двигателей постоянного тока коллекторного блока, который нуждается в частом обслуживании. Кроме того, наличие коллектора делает привод постоянного тока менее надёжным и безопасным, что в условиях добычи нефти весьма важно.

Описанных недостатков лишён привод переменного тока с управление от ПЧ. Поэтому, учитывая современные достижения в изготовлении преобразователей частоты (современные преобразователи частоты выпускаются на большие мощности, являются доступными и зачастую не превосходят по цене тиристорные

преобразователи постоянного тока). В последнее время осуществляются попытки заменить на главных приводах буровых лебедок системы тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока на более совершенные системы преобразователь частоты- асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

По сравнению с электроприводами постоянного тока электропривод переменного тока имеет следующие преимущества:

а) надежность, простота, относительная дешевизна двигателя, не требующего постоянного обслуживания (нет коллекторного узла), что позволяет значительное снижение эксплуатационных затрат по двигателям;

б) большая, чем у приводов постоянного тока, глубина регулирования скорости 1:1000 вместо 1:100;

в) высокий коэффициент мощности, близкий к 1. Нет необходимости применения ФКУ (фильтрокомпенеационной установки);

г) меньшая, чем в тиристорных преобразователях, относительная величина генерируемых в сеть гармоник;

д) высокая электрическая надежность;

с) не критичны к качеству питающей сети даже в режимах рекуперации

энергии, соответственно более стабильная работа и меньшая аварийность;

ж) допускают большие просадки напряжения питания без отключения привода;

з) цена комплекта преобразователь частоты - асинхронный двигатель сопоставима со стоимостью тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока.

Как и у преобразователей постоянною тока, блочные конструкции преобразователен частоты характеризуют высокий уровень эргономики и ремонтопригодности, а также малое время восстановительных работ (ремонт производится в основном путем замены блоков), что является весьма существенным в связи с эксплуатацией буровых установок вдали or ремонтных баз. Важным достоинством является также унификация схем электроприводов, конструкции элементов, функциональных узлов и блоков регулирования преобразователями.
 

22 Электропривод постоянного тока.

Основным преимуществом данных двигателей, которое определяло повсеместное их использование на этапе развития электрических приводов, является легкость плавного регулирования скорости в широких пределах. Поэтому с развитием полупроводниковой промышленности и появлением относительно недорогих преобразователей частоты процент их использования постоянно уменьшается [16].

В промышленности, там где используются буровые лебедки по возможности двигатели постоянного тока заменяются приводами на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Основные недостатки двигателя постоянного тока (невысокая надежность, сложность обслуживания и эксплуатации) обусловлены наличием коллекторного узла. Кроме того, для питания двигателя необходим источник постоянного тока или тиристорный преобразователь переменного напряжения в постоянное. При всех своих недостатках двигатели постоянного тока обладают высоким пусковым моментом и большой перегрузочной способностью.

23 Синхронный привод.

Основным преимуществом данных двигателей является то, что они могут работать с коэффициентом мощности cos<p = 1, а в режиме перевозбуждения даже отдавать реактивную мощность в сеть, что благоприятно сказывается на характеристиках сети буровой лебедки: увеличивается ее коэффициент мощности, уменьшаются потери и падение напряжения [16]. Кроме того, синхронные двигатели устойчивы к колебаниям сети. Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален напряжению, при этом момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Следовательно, при снижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, а возможность форсировки возбуждения увеличивает надежность их работы лебедки при аварийных понижениях напряжения. Больший воздушный зазор по сравнению с асинхронным двигателем и применение постоянных магнитов делает КПД синхронных двигателей выше. Их особенностью также является постоянство скорости вращения при изменении момента нагрузки на валу.

При всех достоинствах синхронного двигателя основными недостатками, ограничивающими их применение являются сложность конструкции, наличие возбудителя, высокая цена, сложность пуска.

Поэтому синхронные двигатели преимущественно используются при мощностях свыше 100 кВт.



2.4 Привод переменного тока.

По конструктивному принципу асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. При этом большинство используемых электродвигателей являются асинхронными с короткозамкнутым ротором. Стать широкое применение обусловлено простотой их конструкции, обслуживания и эксплуатации, высокой надежностью, относительно низкой стоимостью. Недостатками таких двигателей являются большой пусковой ток, относительно малый пусковой момент, чувствительность к изменениям параметров сети, а для плавного регулирования скорости необходим преобразователь частоты. Кроме того, асинхронные двигатели потребляют реактивную мощность из сети. Предел применения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется мощностью системы электроснабжения конкретного предприятия, так как большие пусковые токи при малой мощности системы создают большие понижения напряжения.

Использование асинхронных двигателей с фазным ротором помогает снизить пусковой ток и существенно увеличить пусковой момент, благодаря введению в цепь ротора пусковых реостатов. Однако, ввиду усложнения их конструкции, и как следствие, увеличения стоимости их применение ограничено. Основное применение - приводы механизмов с особо тяжелыми условиями пуска. Для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть использовано устройство плавного пуска или преобразователь частоты.

В настоящее время все большее распространение приобретает использование частотно-регулируемого привода, выполненного на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

11ри использовании частотно-регулируемого привода достигается:

а) экономия электроэнергии;

б) плавность пуска и снижение пусковых токов;

в) увеличение срока службы двигателя.

По сравнению с электроприводами постоянного тока электропривод переменного тока имеет следующие преимущества:

а) надежность, простота, относительная дешевизна двигателя, не требующею постоянного обслуживания (нет коллекторною узла), что позволяет значительное снижение эксплуатационных затрат по двигателям;

б) большая, чем у приводов постоянного тока, глубина регулирования скорости 1:1 000 вместо 1:100;

в) высокий коэффициент мощности, близкий к 1. Нет необходимости применения ФКУ (фильтрокомпенсационной установки);

г) меньшая, чем в тиристорных преобразователях, относительная величина генерируемых в сеть гармоник;

д) высокая электрическая надежность;

с) не критичны к качеству питающей сети даже в режимах рекуперации

энергии, соответственно более стабильная работа и меньшая аварийность;

ж) допускают большие просадки напряжения питания без отключения привода;

з) цена комплекта преобразователь частоты - асинхронный двигатель сопоставима со стоимостью тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока.

Как и у преобразователей постоянною тока, блочные конструкции преобразователей частоты характеризуют высокий уровень эргономики и ремонтопригодности, а также малое время восстановительных работ (ремонт производится в основном путем замены блоков), что является весьма существенным в связи с эксплуатацией буровых установок вдали от ремонтных баз. Важным достоинством является также унификация схем электроприводов, конструкции элементов, функциональных умов и блоков регулирования преобразователями.

2.5 Описание режима работы механизма буровой лебедки

Буровая лебедка и мест два привода - основной и резервный. Лебедка с её электроприводом используется только для подъема и опускания бурильных труб, причем приводные двигатели служат как для подъема труб, так и для торможения при опускании, то есть привод лебёдки должен быть управляемым во всех четырех квадрантах механической характеристики [9J. Кроме того, лебёдка имеет вспомогательный привод (электропривод регулятора подачи долота)

Подъем бурильных труб состоит из отдельных циклов, число которых равно числу свечей: за время одного цикла производится подъем на высоту одной свечи (25—27 м), затем её отвинчивают, переносят и устанавливают, после чего цикл повторяется. Таким образом, по мере подъема вес колонны бурильных груб 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 20 : 1. Поскольку время работы привода лебедки при подъеме бурильных труб перемежается паузами для отвинчивания, переноса и установки труб, а также для спуска крюка с незагруженным элеватором, режим работы привода лебедки - повторнократковременный, с относительной продолжительностью включения 25—40%.

При уменьшающемся моменте статического сопротивления на валу двигателя некоторой мощности Р может быть достигнута наибольшая производительность лебедки (без учета времен переходных процессов), если по мере подъема труб скорость подъема будет увеличиваться, т. с. если будет выполнено условие
 

Рисунок 6 - Кинематическая схема буровой лебедки ЛБУ 900 - ЗГГЗ 

Двигатель основного привода соединяется с барабаном лебедки через зубчатую коробку передач КПс понижающими передаточными отношениями.

На входном валу редуктора вспомогательного привода установлен колодочный тормоз ТКГ - 400 с электрогидравлическим толкателем. При включении двигателя электрогидравлического толкателя тормоз ТКГ - 400 растормаживается, при отключении - затормаживается.

Управление шинно - пневматической муфтой вспомогательного привода производится включением электропневматического вентиля типа с пульта бурильщика через АСУ. При включённой муфте вспомогательного привода должен быть наложен запрет на включение основного привода. Управление дополнительным приводом лебедки осуществляется с пульта бурильщика через АСУ или (при подъёме вышки) с выносного пульта.

3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РОДА ТОКА И ТИПА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Выбор рода тока и типа преобразователя целесообразно производить на основе рассмотрения и сравнения технике- экономических показателей ряда вариантов, удовлетворяющих техническим требованиям данного устройства.

На основании исходных данных и требований, предъявляемых к электроприводу, необходимо выбрать вариант электропривода, способный полностью выполнить требования и быть одновременно максимально экономичным.

До недавнего времени современной системой привода буровой лебедки являлась система тиристорный преобразователь - двигатель постоянного токах , из за того что необходимы сложные сочетания характеристик:

а) частые пуски, для которых не подходят синхронные привода;

б) многократный запас по максимальному моменту;

в) десятикратный плавны й диапазон регулирования частоты оборотов.

В настоящее время существенно все изменилось благодаря появлению

мощных полупроводниковых приборов. Современные электронные преобразователи дают возможность изменять частоту переменного гока в широком диапазоне, что позволяет плавно регулировать скорость вращающегося магнитного поля, а следовательно эффективно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя [16].

Дчя привода механизмов, имеющих тяжелые условия пуска или работы, либо требующих изменения частоты вращения, следует применять электродвигатели с наиболее простыми и экономичными методами пуска или регулирования частоты.

Использование в электроприводе асинхронного двигателя имеет ряд преимущества перед двигателем постоянного тока, такие как:

а) более экономичный;

б) наиболее надежный при частых пусках и непостоянной нагрузке;

содержание      ..      1       2         ..

///////////////////////////////////////