Лекции См.Если нет в ответах. Учебное пособие для студентов специальности 140604 Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов
 Скачать 4.39 Mb.
|
Температура самовоспламенения газов – это температура, до которой должна быть равномерно нагрета смесь, чтобы она воспламенялась без воздействия на него открытого пламени. Согласно ПУЭ взрывоопасные зоны помещений делятся на 6 классов. Зоны нефтяной и газовой промышленности характеризуются 4 классами: В-1, В-1а, В-1б, В-1г. При определении взрывоопасных зон принимается во внимание то, что взрывоопасная зона занимает весь объем помещения, если объем взрывоопасной смеси превышает 5% свободного объема помещения. В зону класса В-1 входят помещения, в которых взрывоопасные смеси могут образовываться при нормальных недлительных режимах работы. Например, при загрузке или разгрузке технологических аппаратов, хранении или переливании легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, находящихся в открытых сосудах. К классу В-1а относятся помещения, в которых образование взрывоопасной смеси, возможно лишь при авариях или неисправностях. Например, к ним относятся компрессорные залы газовых компрессорных. В класс В-1б входят те же зоны помещений, что и в класс В-1а. но имеющие следующие особенности: горючие газы обладают высоким нижним концентрационным пределом воспламенения (15 % и более) и резким запахом при предельно допустимых концентрациях; возможна лишь местная концентрация взрывоопасной смеси; горючие газы и легковоспламеняющиеся жидкости не создают общей взрывоопасной концентрации и во время работы с ними не применяется открытое пламя. Например, к ним относятся лаборатории для анализа нефтепродуктов. К зоне класса В-1г относятся пространства у наружных установок содержащих взрывоопасные газы, пары и легковоспламеняющиеся жидкости, где появление опасных смесей возможно лишь в результате аварии или неисправности, например, резервуарные парки сырой и товарной нефти и др. 1.2. Конструктивное исполнение электрооборудования в НГП. Конструктивное исполнение электрооборудования в НГП должно соответствовать условиям его эксплуатации. Наличие в воздухе большого количества пыли приводит к быстрому загрязнению обмоток и ухудшению условий теплоотдачи в окружающую среду. Влага, газы, пары кислот разрушают электроизоляционные материалы. Появление искры может вызвать взрыв взрывоопасной смеси. Для надежной и безопасной работы электрооборудования и электротехнических изделий их помещают в корпуса (оболочки), которые характеризуются определенной степенью защиты. Кроме того, эта защита предохраняет обслуживающий персонал от соприкосновения с движущимися частями, находящимися под напряжением. Для обозначения степени защиты электрооборудования и электротехнических изделий по ГОСТ 14254-80 приняты буквы IP, за которыми следуют две цифры. Буквы IP (International Protection) обозначают соответствие нормам, рекомендуемым Международной электротехнической комиссией (МЭК). Первая цифра (от 0 до 6) указывает на степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и движущимися частями электрооборудования, находящимися внутри оболочки, а также степень защиты встроенного в оболочку оборудования от попадания твердых тел. Вторая цифра (от 0 до 8) характеризует степень защиты электрооборудования, расположенного внутри оболочки, от проникновения жидкости. Различают следующие виды исполнения электродвигателей: защищенное, каплезащищенное, брызгозащищенное, водозащищенное, пылезащищенное, закрытое, герметичное, взрывозащищенное. Защищенное (IP21 – IP22 и др.) исполнение характеризуется тем, что электродвигатели имеют специальные приспособления (крышки, кожухи, сетки). При этом между крышками и щитами или станиной двигателя оставляются щели, необходимые для циркуляции охлаждающего воздуха. Такие двигатели могут устанавливаться только в закрытых помещениях. Брызгозащищенное и каплезащищенное (IP23 - IP24 идр.) исполнения – двигатели имеют приспособления, защищающие их от проникновения к токоведущим и вращающимся частям капель воды и водяных брызг. Такие двигатели могут устанавливаться на открытом воздухе. Водозащищенное (IP55 - IP56) исполнение - электродвигатели недоступны проникновению внутрь струй воды любого направления. В них предусмотрены уплотнения прокладками и сальниками. Такие электродвигатели применяют на морских объектах нефте- и газодобычи. Пылезащищенное (IP65 - IP66) исполнение - электродвигатели защищены от попадания внутрь пыли в опасных для нормальной работы количествах. Закрытое (IP44 - IP54) исполнение - внутреннее пространство электродвигателя изолировано от внешней среды. Герметичное (IР67 - IP68) исполнение - электродвигатели выполнены с особо плотной изоляцией от окружающей среды, препятствующей сообщению с их внутренним пространством при определенной разности давлений снаружи и внутри двигателя. Такие двигатели могут работать под водой (водонепроницаемые). В нефтяной промышленности получили распространение погружные двигатели, предназначенные для длительной работы в жидкости (нефть, нефтепродукты). Взрывозащищенные электродвигатели, предназначенные для работы в особых условиях, могут работать во взрыво- и пожароопасной среде, так как их конструкция исключает возможность возникновения взрыва и воспламенения газов в окружающем пространстве. При взрыве газов, накопившихся внутри оболочки, пламя не может проникнуть в окружающую среду. 1.3. Климатические условия эксплуатации и условия размещения электрооборудования. Электрооборудование, предназначенное для эксплуатации на суше и реках в районах с умеренным климатом, имеет обозначение У; с холодным климатом - ХЛ; сухим и влажным тропическим - Т; для всех макроклиматических районов на суше - О. Электрооборудование, предназначенное для установки в районах с умеренно холодным морским климатом, имеет обозначение М; с тропическим морским - ТМ. Электрооборудование, предназначенное для всех макроклиматических районов на суше и на море, обозначается буквой В. В зависимости от условий размещения предусматривается различное исполнение электрооборудования, которому также присваивается определенное обозначение. Электрооборудование, которое может эксплуатироваться на открытом воздухе, имеет обозначение 1; в закрытом помещении, где температура и влажность воздуха несущественно отличаются от наружного воздуха - 2; в закрытом помещении, где колебание температуры и влажности воздуха, а также воздействие песка, пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе, - 3; в закрытых отапливаемых помещениях - 4; в помещениях с повышенной влажностью - 5. Буквы и цифры, обозначающие климатическое исполнение и категорию изделия, вводятся в условное обозначение типа изделия. Например, в обозначении 4АН200М6УЗ имеем двигатель асинхронный (А) четвертой серии (4) со степенью защиты IP23 (Н), станина и щиты чугунные, высота оси вращения 200 мм, длина станины средняя (М), число полюсов 6, климатическое исполнение У, категория размещения 3. 1.4. Конструктивное исполнение по способу монтажа. Под конструктивным исполнением понимают расположение составных частей электрооборудования относительно элементов крепления (подшипников и конца вала), под способом монтажа -пространственное положение на месте установки. Условное обозначение состоит из латинских букв IM (International Mounting) и четырех цифр. Первая цифра обозначает конструктивное исполнение электрических машин и определяет их группу (IM1 - IM9). Например, электродвигатели на лапах с подшипниковыми щитами обозначается IМ1. Вторая цифра обозначает конструктивное исполнение более детально. Третья цифра в группах IM1 - IM4 характеризует направление конца вала. Четвертая цифра во всех группах обозначает исполнение конца вала. Так, 1 и 2 соответствуют одному и двум цилиндрическим концам вала. 1.5. Способ охлаждения. Электродвигатели классифицируются по способу охлаждения в зависимости от устройства цепи для циркуляции охлаждающей жидкости или газа и способа их перемещения. Условное обозначение способов охлаждения в соответствии с ГОСТ 20459-75 содержит буквы IC (International Cooling) и для каждой цепи циркуляции – букву, обозначающюю вид охлаждающего вещества (хладагента) (А – воздух, W – вода) и две цифры. Первая цифра (0-9) обозначает устройство цепи циркуляции хладагента, например 0 – свободная циркуляция. Вторая цифра (0-9) обозначает способ перемещения хладагента. Большинство взрывозащищенных асинхронных электродвигателей имеют закрытое исполнение. В них предусмотрены две цепи охлаждения. В первой воздух циркулирует с помощью вентилятора, установленного на валу ротора, по замкнутой системе и передает тепло корпусу машины. Во второй цепи охлаждения воздух из окружающей среды с помощью наружного вентилятора охлаждает наружную поверхность корпуса, который для увеличения теплоотдачи выполняют ребристым. Такой способ охлаждения обозначают IC0141. 1.6. Взрывозащищенное электрооборудование. Взрывозащищенное электрооборудование различается по уровню взрывозащиты, группам и температурным классам. Установлены следующие уровни взрывозащиты электрооборудования: 1. Электрооборудование повышенной надежности против взрыва (знак уровня 2). 2. Взрывобезопасное электрооборудование (знак уровня 1). 3. Особовзрывобезопасное электрооборудование (знак уровня 0). Электрооборудование повышенной надежности против взрыва (2) обеспечивает взрывозащиту только в нормальном режиме работы. Взрывобезопасное электрооборудование (1) обеспечивает взрывозащиту как при нормальных режимах работы, так и при вероятных повреждениях, определяемых условиями эксплуатации, кроме повреждений средств защиты. Особовзрывобезопасное электрооборудование (0) имеет дополнительные средства защиты. Вид взрывозащиты определяется установленным набором средств взрывозащиты. Для взрывозащищенного электрооборудования установлены следующие виды взрывозащиты: Взрывонепроницаемая оболочка [d]. Применяется в асинхронных короткозамкнутых двигателях, в коллекторных двигателях, в трансформаторах, коммутационных аппаратах, светильниках и других установках, где возможно появление искры. Заполнение или продувка оболочки под избыточным давлением защитным газом [p]. Такой вид взрывозащиты имеет выше перечисленное оборудование, но имеющее особо крупные габариты. Масляное заполнение оболочки с токоведущими частями [o]. К ним относятся коммутационное аппараты, трансформаторы и специальные виды электродвигателей. Искробезопасная электрическая цепь [i]. Кварцевое заполнение оболочки с токоведущими частями [q]. Специальный вид взрывозащиты [s]. Защита вида [e]. Взрывозащищенное электрооборудование в зависимости от области его применения подразделяется на две группы: К I группе относится рудничное электрооборудование, предназначенное для подземных выработок шахт и рудников, ко II группе относятся взрывобезопасное электрооборудование для внутренней и наружной установки. Электрооборудование II группы, имеющее виды взрывозащиты “взрывонепроницаемая оболочка” и (или) “искробезопасная цепь” подразделяются на 3 подгруппы II, IIA, IIB, IIC, соответствующие определенным категориям взрывоопасных смесей. Например, электрооборудование подгруппы II является взрывозащищенным для категорий взрывоопасной смеси IIА, IIВ, IIС. В маркировку по взрывозащите электрооборудования входят следующие обозначения: Знак уровня взрывозащиты электрооборудования (2, 1, 0). Знак Ех, указывающий на соответствие электрооборудования стандартам на взрывозащищенное электрооборудование. Знак вида взрывозащиты (d, p, o, i, q, s, e). Знак группы или подгруппы электрооборудования (II, IIA, IIB, IIC), каждый из которых соответствует определенной категории взрывоопасности смеси, для которой электрооборудование является взрывозащищенным. Знак температурного класса электрооборудования (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6). Маркировка по взрывозащите может включать дополнительные знаки и надписи, например, климатическое исполнение или степень защиты персонала и располагается на видном месте оболочки электрооборудования. Пример обозначения взрывозащищенного оборудования по ГОСТ 12.2.020-76: 1 Ех d IIA T3 - уровень взрывозащиты электродвигателя – взрывобезопасный, вид взрывозащиты – взрывонепроницаемая оболочка (d), электродвигатель предназначен для взрывоопасной смеси категории IIА и температурных классов T1, Т2, Е3. Можно также встретить маркировку электрооборудования согласно Правилам изготовления взрывозащищенного и рудничного электрооборудования (ПИВРЭ). Пример маркировки взрывозащищенного электрооборудования по ПИВРЭ:    - масляное заполнение оболочки; - взрывобезопасный уровень взрывозащиты электрооборудования для всех категорий и групп взрывоопасных смесей. Взрывонепроницаемая оболочка (d) электрооборудования характеризуется тем, что внутреннее воспламенение не может распространиться через зазоры и отверстия в окружающую взрывоопасную среду, но полная герметизация оболочки не обеспечивается. Однако продукты взрыва внутри оболочки, выходя наружу через зазоры, охлаждаются настолько, что не могут воспламенить внешнюю среду. Источником воспламенения взрывоопасной смеси внутри оболочки может быть искрение контактов. В нефтяной и газовой промышленности нашли применение асинхронные короткозамкнутые двигатели серии ВАО, ВАО2, ВАО3, В, 2В, ВАСО2, АИМ с видом взрывозащиты взрывонепроницаемая оболочка. ЭД серии АИМ постепенно заменят в эксплуатации аналогичные ЭД серии ВАО. Пусковая и пускорегулирующая аппаратура обычно устанавливается за пределами взрывоопасных помещений. Пусковая аппаратура (кнопочные посты), установленная во взрывоопасных помещениях, имеет щелевую защиту (за счет конструкции зазора). Заполнение или продувка оболочки под избыточным давлением защитным газом (р) – при этом внутри оболочки создается избыточное давление газа (чистого воздуха или инертного газа) не менее 100 Па, препятствующее проникновению взрывоопасных смесей из окружающей среды. Допускается применение как разомкнутых, так и замкнутых циклов вентиляции. Эксплуатация электрооборудования в таком исполнении допустима при наличии специальных блокировок, обеспечивающих подачу напряжения только после того, как вступила в работу система вентиляции. Отработанный воздух не допускается выбрасывать во взрывоопасное помещение. Искробезопасная электрическая цепь выполняется таким образом, чтобы электрическая разряд или ее нагрев не мог воспламенить взрывоопасную среду. Этот вид защиты обеспечивается ограничением напряжения или тока, шунтированием реактивных элементов, накапливающих энергию, гальваническую развязку между искробезопасными цепями. Допустимая нагрузка на полупроводниковые приборы снижается на 1/3 относительно номинальной. Кварцевое заполнение оболочки создает защитный слой вокруг токоведущих частей в виде сухого кварцевого песка. Этот вид взрывозащиты применяется для электрооборудования, не имеющего подвижных и нормально искрящихся частей. Масляное заполнение оболочки – все искрящие и неискрящие токоведущие части помещены в трансформаторное масло. Данный вид взрывозащиты применяется только для стационарно устанавливаемого оборудования: аппаратуры управления, пусковых реостатов и т. п. Для переносного или передвижного оборудования применять его запрещается. Специальный вид взрывозащиты обеспечивается заключением электрических частей в герметичную оболочку, например, с использованием эпоксидного компаунда. Защита вида (е) состоит в том, что в электрооборудовании не имеющем нормально искрящихся частей принят ряд мер препятствующих опасному нагреву, возникновению электрического искрения и дуг. Плотность тока в контактных соединениях ограничивается до 2,5 А/мм2, устанавливается более низкая допустимая температура обмоток. Факторы, влияющие на выбор электрооборудования для взрывоопасных зон. При выборе электрооборудования для взрывоопасных зон определяют категорию и группу, к которым может быть отнесена взрывоопасная смесь; класс и границы взрывоопасных зон относительно вероятности образования взрывоопасных смесей в нормальном и аварийном режимах; а также температуру, влажность и химическую агрессивность среды, в которой должно работать электрооборудование. По установленной категории выбирают электрооборудование во взрывонепроницаемой оболочке по допустимым зазорам в соединениях, а по группе – длительно допустимый нагрев электрооборудования, исключающий возможность самовоспламенения взрывоопасных смесей. При этом максимальная температура его поверхности не должна превышать температуру воспламенения взрывоопасной смеси. Надежность и безопасность эксплуатации выбранного взрывозащищенного электрооборудования обеспечивается при условии соответствия уровня и вида взрывозащиты классу взрывоопасной зоны, а также категории и группе взрывоопасной смеси. Согласно требований ПУЭ наиболее жесткие требования предъявляются к электрооборудованию во взрывоопасных зонах класса В-1, а самые низкие требования – к электрооборудованию в менее взрывоопасных зонах класса В-1б, где допускается применение электрооборудования общего назначения с соответствующей степенью защиты оболочки. Общая характеристика электродвигателей, применяемых в НГП. В технологических установках НГП применяются электродвигатели постоянного тока ДПТ (буровые установки), синхронные двигатели (СД) и асинхронные двигатели (АД) (насосные и компрессорные установки, буровые установки, станки-качалки, установки с электроцентробежными насосами (ЭЦН)). Выбор ЭД по принципу действия (АД или СД) выполняют, учитывая пусковые и нагрузочные режимы, условия обслуживания, требования к стабильности частоты вращения и режим потребления реактивной мощности на предприятии. По первым двум факторам преимущество имеют АД, по двум другим – СД. Сравнительные характеристики АД и СД. По сравнению с АД СД имеют следующие преимущества: Возможность регулирования значения и изменения знака реактивной мощности. СД может работать с коэффициентом мощности равным единице. КПД СД на 1…3 % выше, чем у АД той же мощности. Это объясняется тем, что электрические потери в стали и в обмотке статора у СД меньше, чем у АД. Наличие относительно большого воздушного зазора (в 2-4 раза больше, чем у АД) повышает надежность эксплуатации при перегрузках двигателя. Частота вращения СД на 2…5 % выше, чем у АД, что обеспечивает более высокую производительность механизма. Момент, развиваемый СД, прямо пропорционален напряжению сети (MU). Уменьшение максимального момента СД из-за понижения напряжения сети может быть компенсировано форсированием его тока возбуждения. 6. СД могут быть изготовлены на низкую номинальную частоту вращения, что устраняет дополнительные механические передачи. К преимуществам АД по сравнению с СД относятся: Простота конструкции и процедуры пуска, менее квалифицированное обслуживание. Лучшая управляемость в аварийных режимах связанных с провалами напряжения в сети электроснабжения, не требуется средств для обеспечения гашения поля. Приспособлены для работы во взрывоопасных и сырых помещениях. Более простая система самозапуска. СД подпитывает место КЗ более продолжительное время. Преимущества АД в наибольшей степени проявляются в электроприводах малой и средней мощности. Преимущества СД в наибольшей степени проявляются при больших мощностях электропривода. В электроприводах большой мощности АД эффективны на производстве со сложными непрерывными технологиями, где возможны частые возмущения в системе электроснабжения. В нефтяной и газовой промышленности в качестве привода лебедок буровых установок применяются АД с фазным ротором АКЗ, АКБ, АЗ, АКСБ (К – крановый; З – защищенный от влаги и пыли; Б – имеют повышенную механическую прочность). На промысловых газовых компрессорных станциях с поршневыми компрессорами используются АД с КЗ ротором серии ВАО (ВАО2) во взрывонепроницаемом исполнении, а также синхронные двигатели серии СДКП, продуваемые (П) под избыточным давлением. Асинхронные двигатели серии 4А, 5А, АИР (с короткозамкнутым ротором с повышенным пусковым моментом) используются на станках-качалках. Погружные ЭД с короткозамкнутым ротором (ПЭД) используются на установках добычи нефти с электроцентробежными насосами. На буровых установках применяются также синхронные двигатели: СДЗ, СДБ, СДЗБ, СДБО. Буква О означает бесщеточную систему возбуждения. Бесщеточная система возбуждения заключается в том, что возбудитель представляет собой генератор переменного тока, обмотка возбуждения которого укреплена на статоре и запитана постоянным током. Трехфазная обмотка возбудителя расположена на роторе. При вращении двигателя в обмотке ротора возбудителя наводится трехфазная ЭДС, которая с помощью выпрямителя выпрямляется и подается на обмотку возбуждения СД, расположенную на роторе. Для привода центробежных газовых компрессоров применяются СД на 6 и 10 кВ серии СТДП во взрывозащищенном исполнении с принудительной системой вентиляции. Взрывозащищенные синхронные трехфазные двигатели СТДП также применяются на нефтеперекачивающих станциях и компрессорных станциях магистральных газопроводов. Используются и синхронные двигатели СТД без взрывозащиты, которые устанавливаются за пределами насосных и компрессорных станций. Для электроприводов буровых насосов, лебедки и ротора на постоянном токе разработаны электродвигатели в буровом исполнении: серии МПЭ мощностью 500 и 560 кВт (для установок БУ-2500 и БУ-2900); серии 4ПС мощностью 750 кВт и 1000 кВт (для установок БУ-5000 и БУ-6500); серии 4ПМ (750 кВт и 1000 кВт) в морском взрывозащищенном исполнении с двухконтурным воздушно-водяным охлаждением для морских буровых установок. При проектировании электроприводов технологических установок решаются вопросы выбора электродвигателей по виду, типу и мощности. При эксплуатации приводов замена малозагруженных электродвигателей на двигатели меньшей мощности целесообразна по энергосбережению при средней нагрузке двигателя менее 40 % номинальной мощности, а при загрузке более 70 % замена двигателя экономически нецелесообразна. 2. Электрооборудование буровых установок. 2.1. Технология бурения скважин. Процесс бурения скважин включает в себя следующие операции: Спуск бурильных труб с долотом (разрушающим инструментом) в скважину. Разрушение породы на забое (процесс бурения). Наращивание колонны бурильных труб по мере углубления скважины. Подъем труб для замены изношенного долота. Вспомогательные или аварийные работы, в которые входят промывка скважин, очистка и приготовление раствора. Существуют следующие способы вращательного бурения: Роторное. Турбинное. Электробурение. При роторном бурении вращение долота осуществляется с помощью колонны бурильных труб. Нагрузка на долото создается частью веса бурильных труб. При турбинном способе бурения долото вращается с помощью турбины турбобура. При этом турбина вращается движением жидкости под давлением. При использовании электробуров, вращение долота осуществляется ЭД, опускаемым в скважину. В основном применяются АД с КЗ ротором, могут применяться ДПТ, перспективным является использование вентильного электродвигателя. В комплект буровой установки (рис.1) входят: Буровая лебедка для подъема и опускания бурильных труб, а также осуществления вспомогательных операций: свинчивания и развинчивания труб, их переноски и установки, подачи долота при бурении. Буровые насосы, которые служат для создания в скважине циркуляции промывочной жидкости, которая очищает забой и выносит выбуренную породу на поверхность, а при турбинном бурении передает энергию турбобуру. Чаще применяются поршневые насосы, у которых подача меняется за счет смены цилиндровых втулок. Ротор передает вращение долоту при роторном бурении, поддерживает на весу колонну бурильных труб и воспринимает реактивный крутящий момент колонны, создаваемый забойным двигателем. Самая верхняя труба в колонне бурильных труб не круглая, а квадратная (может быть также шестигранной). Она называется ведущей бурильной трубой. Ведущая труба проходит через отверстие круглого стола ротора и при бурении скважины по мере углубления забоя опускается вниз. Ротор помещается в центре буровой вышки. Бурильные трубы и ведущая труба внутри полые. Ведущая труба верхним концом соединяется с вертлюгом. Нижняя часть вертлюга, соединенная с ведущей трубой, может вращаться вместе с колонной бурильных труб, а его верхняя часть всегда неподвижна. К отверстию (горловине) неподвижной части вертлюга присоединяется гибкий шланг, через который в процессе бурения закачивается в скважину промывочная жидкость при помощи буровых насосов. Пройдя квадратную ведущую трубу и всю колонну бурильных труб, жидкость попадает в долото и через отверстия в нем попадает на забой скважины, (при бурении турбинным способом промывочная жидкость вначале поступает в турбобур, приводя его вал во вращение, а затем в долото). Силовой привод буровой установки может быть дизельным, электрическим, дизель-электрическим и дизель-гидравлическим. Дизельный привод применяют в районах, не обеспеченных электроэнергией необходимой мощности. Электрический привод с использованием электродвигателей переменного и постоянного тока применим только в электрифицированных районах. Дизель-электрический привод состоит из двигателя внутреннего сгорания (дизеля), который вращает электрический генератор, питающий электродвигатель. Суммарная мощность силового привода буровых установок составляет от 1000 до 4500 кВт. В процессе бурения она распределяется на привод буровых насосов и ротора. При проведении спускоподъемных операций основная энергия потребляется лебедкой, а остальная часть – компрессорами, вырабатывающими сжатый воздух, используемый в качестве источника энергии для автоматического бурового ключа, подвесного бурового ключа, пневматического клинового захвата и др.  Рис. 1. Схема буровой установки для глубокого вращательного бурения: 1 – долото; 2 – турбобур; 3 – бурильная труба; 4 – бурильный замок; 5 – лебедка; 6 – двигатели лебедки и ротора; 7 – вертлюг; 8 – талевый канат; 9 – талевый блок; 10 – крюк; 11 – буровой шланг; 12 – ведущая труба; 13 – ротор; 14 – вышка; 15 – желоба; 16 – обвязка насоса; 17 – буровой насос; 18 – двигатель насоса; 19 – приемный резервуар. Отечественные буровые установки, которые подразделяются на 11 классов, определяемых числом основных и вспомогательных механизмов и энерговооруженностью, оснащаются электроприводами (ЭП) переменного тока (синхронные и асинхронные двигатели с фазным ротором) и двигателями постоянного тока с питанием от сети. Доля электрифицированных установок составляет  65%. Фирма «Уралмаш – буровое оборудование» выпускает 8 типоисполнений буровых установок, из которых 6 – с электроприводом на постоянном токе. Из 5 комплектов морского оборудования – 4 комплекта с ЭП. Волгоградский завод буровой техники предлагает 10 типоисполнений буровых установок, из которых 9 с ЭП и из них 6 – с электроприводом на постоянном токе. Буровые установки новых современных моделей оснащаются приводами, имеющими следующие буквенные обозначения: Э – электрический привод, частично регулируемый; ЭП – регулируемый полностью привод постоянного тока (обозначение, используемое Волгоградским заводом буровой техники); ЭР – регулируемый полностью привод постоянного тока (обозначение, используемое Уралмашзаводом); ДЭП, ДЭР – дизель-электрический привод постоянного тока (регулируемый); У – универсальная монтажеспособность; К – кустовое бурение; М – модернизированный вариант. В области создания и производства электрооборудования для буровых установок более 40 лет работает объединение «Электропривод» совместно с объединением «Электросила», Московским опытным заводом «НИИ Электропривод» и другими организациями. ЭП буровых установок может быть регулируемым и нерегулируемым. В приводе постоянного тока применяется регулируемый ЭП по системе «тиристорный преобразователь – двигатель» (ТП-Д), в котором на выходе преобразователя изменяется среднее значение выпрямленного напряжения. В России отсутствуют электроприводы с частотным регулированием главных механизмов буровых установок (лебедка, насос), однако ОАО «Электропривод» ведет в этом направлении научно-исследовательские работы. В экспериментальном порядке планируется опробовать частотно-регулируемый электропривод небольшой мощности (до 50 кВт) в регуляторе подачи долота и др. вспомогательных механизмах буровой установки. 2.2. Электропривод ротора. ЭП ротора может быть групповым и индивидуальным. Групповой привод служит одновременно и для лебедки, и для обеспечения вращения ротора. Требования к ЭП ротора буровой установки: Должен иметь мягкую механическую характеристику. Должен иметь минимальный момент инерции вращающихся частей. Должен иметь небольшую кратность максимального момента. Должен иметь реверс. Повышению эффективности привода ротора способствует применение электромагнитных муфт различных конструкций, устанавливаемых между двигателем и ротором и служащим для передачи вращения от ведущего вала к ведомому. Пуск и регулирование частоты вращения ротора связаны с потерями энергии в электромагнитной муфте, приводящими к её нагреву. Электромагнитные муфты позволяют решить следующие задачи: регулирование частоты вращения ротора в относительно небольшом диапазоне, определяемом допустимыми потерями в муфте. Для расширения диапазона регулирования частоты вращения могут использоваться муфты с водяным охлаждением; ограничение передаваемого момента и защиту бурильных труб от поломки; плавное закручивание и раскручивание бурильных труб; дают возможность кратковременного получения высокого значения момента на низкой скорости при ликвидации аварий; снижение частоты включения и отключения электропривода. Существуют следующие виды электромагнитных муфт: электромагнитные муфты скольжения, индукционные электромагнитные муфты и электропорошковые муфты. Режим работы приводного двигателя ротора продолжительный, а мощность, которую он должен развивать в процессе бурения, складывается из мощности потерь в механизмах привода, установленных на поверхности, из мощности, необходимой для холостого вращения колонны бурильных труб в скважине, а также мощности на долоте. Для расчета отдельных составляющих мощностей существует эмпирические формулы. При этом мощность холостого хода вращения колонны бурильных труб зависит от частоты вращения, длины и диаметра бурильных труб, качества промывочной жидкости, диаметра и кривизны скважины. Среднее значение мощности на долоте зависит от осевой нагрузки на долото, угловой скорости инструмента, количества и качества промывочной жидкости, типа, размера и состояния долота, а также свойств разбуриваемых пород. Мощность на долоте можно также определить по удельному расходу мощности на единицу площади забоя, которая для роторного бурения принимается равной 35-150 Вт/см2. Мощность потерь в механизмах привода зависит от типа, состояния оборудования и частоты вращения. Передача энергии долоту с поверхности через колонну бурильных труб вызывает значительные потери мощности и снижает КПД всего процесса бурения, особенно при больших глубинах. В процессе бурения неоднородных пород момент сопротивления непрерывно изменяется. Колебания момента сопротивления на долоте передаются с высокой скоростью по колонне стальных бурильных труб приводному двигателю ротора в виде упругих волн кручения, продольных колебаний и других возмущений. В результате отражения волн кручения, вызванных заклиниванием долота, напряжения кручения могут вызвать поломку труб. Напряжения кручения в трубах при мягкой механической характеристике привода будут меньше, чем при жесткой. При заклинивании долота, когда низ колонны бурильных труб неподвижен, а ротор продолжает вращаться, закручивая трубы, момент двигателя может достигать максимального значения. Чтобы ограничить при этом напряжение кручения в трубах, следует ограничить момент от двигателя к ротору. Этого можно достигнуть, применяя двигатель с кратностью максимального момента  . С заклиниванием долота связан и процесс передачи колонне бурильных труб кинетической энергии, запасенной во вращающихся частях поверхностного оборудования привода ротора. Для уменьшения кинетической энергии, передаваемой трубам, целесообразно иметь привод ротора с минимальным моментом инерции вращающихся частей. Оптимальные значения частоты вращения ротора целесообразно определять экономическим расчетом исходя из минимальной стоимости 1 м проходки скважины. Как показал опыт эксплуатации буровых установок, бесступенчатое регулирование частоты вращения ротора при бурении глубоких скважин в диапазоне 5:1-7:1 может обеспечить увеличение механической скорости бурения до 30 % и рейсовой скорости до 20 %. Регулировать частоту вращения целесообразно при постоянном моменте. Привод должен иметь оперативный реверс, так как с помощью ротора выполняются аварийные и некоторые вспомогательные работы. В буровых установках, рассчитанных на небольшие глубины бурения и ранних лет выпуска, применяется групповой ЭП лебедки и ротора. При этом приводные двигатели при роторном бурении оказываются недогруженными, так как приводная мощность лебедки больше приводной мощности ротора. Во вновь разрабатываемых буровых установках обычно предусматривают индивидуальный ЭП ротора. В буровой установке Уралмаш -5000Э используется регулируемый индивидуальный привод ротора по системе «генератор-двигатель» (Г-Д). Трехмашинный преобразовательный агрегат состоит из генератора (400 кВт, 460 В), вращаемого синхронным двигателем (500 кВт, 6 кВ, 1000 об/мин) и двигателя постоянного тока привода ротора (250 кВт, 350 В). Обмотка возбуждения генератора питается от реверсивного однофазного тиристорного преобразователя, управляемого магнитным усилителем. Система Г-Д позволяет регулировать скорость вращения ЭД, как вверх от номинальной (изменяя магнитный поток обмотки возбуждения двигателя), так и вниз от номинальной (изменяя магнитный поток обмотки возбуждения генератора). В схеме управления предусмотрены защиты и блокировки от превышения тока в якорной цепи генератора и двигателя, исчезновения поля двигателя, отключения асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения. Двигатель вращает ротор через двухскоростную механическую передачу, что обеспечивает работу и в рабочем и аварийном режимах при требуемых скоростях и моментах. Путем применения различных обратных связей в системе автоматического управления формируются требуемые статические и динамические характеристики привода. В последнее время для питания двигателя ротора используют силовые тиристорные преобразователи (система ТП-Д), положенные в основу регулируемого привода постоянного тока. Система управления электроприводом построена по принципу подчиненного управления и включает в себя контур регулирования ЭДС двигателя и подчиненный ему контур регулирования тока. Регулятор ЭДС – пропорциональный (П-регулятор), регулятор тока – пропорционально-интегральный (ПИ-регулятор). Управление электроприводом осуществляется сельсинным командоаппаратом. Механическая характеристика такого привода мягкая и представлена на рис. 2 (АВ – рабочий участок).   Рис. 2. 2.3. Назначение и конструктивные особенности электромагнитных муфт и тормозов буровых установок. 2.3.1. Электромагнитные муфты скольжения. Электромагнитная муфта скольжения (ЭМС) (рис. 3, а) содержит две вращающиеся части – цилиндрический якорь 2 и индуктор 4, механически не связанные между собой. Одна из частей ЭМС закреплена на ведущем валу 6, а другая - на ведомом валу 1. Якорь ЭМС представляет собой магнитопровод, выполненный или стальным сплошным или из шихтованной электротехнической стали, с размещенной на нем обмоткой. Индуктор, на котором расположена обмотка возбуждения 3, изготавливается сплошным стальным и образует полюсную систему. Постоянный ток к обмотке возбуждения 3 подводят через контактные кольца 5. При вращении приводным двигателем ведущего вала 6 с частотой n1 и отсутствии тока в обмотке возбуждения 3 ведомый вал 1 остается неподвижным. При подаче постоянного тока в обмотку возбуждения 3 возникает магнитный поток, который наводит в якоре 2 переменную ЭДС. В результате взаимодействия тока якоря 2 с магнитным потоком полюсов индуктора 4 возникает электромагнитный момент, под действием которого ведомый вал 1 начинает вращаться в ту же сторону, что и ведущий. Величина вращающего момента зависит от частоты вращения якоря относительно индуктора и тока возбуждения Iв. Частота вращения n2 а) б) n2/n1 М/Мном (Мном = Мс) 1 0,75 0,5 0,25 nном 0,5 1 1,5 Iв.ном Iв’< Iном Iв”< Iном Iв.пуск  ГП  ВП  ФР    Рис. 3. Электромагнитная муфта скольжения: а – устройство; б – механические характеристики. Рассмотрим процесс разгона муфты. Пусть момент сопротивления Mc на ведомом валу муфты равен номинальному МНОМ и приводной двигатель вращает ведущую часть со скоростью n1. При плавном увеличении тока возбуждения Iв будет плавно нарастать и момент вращения М, развиваемый муфтой, и механическая характеристика будет плавно смещаться вправо. Пока моменты M<Mc, то ведомая часть будет неподвижной (n2 = 0). При некотором токе возбуждения (назовем этот ток возбуждения пусковым Iв.пуск), момент, развиваемый муфтой, будет равным номинальному и сравняется с моментом сопротивления Мс=Мном. Механическая характеристика для этого случая показана на рис. 3, б пунктиром. Если продолжать повышать ток возбуждения, то вращающий момент муфты превысит момент сопротивления M>Mc и ведомая часть муфты начнет вращаться со скоростью n2. При плавном увеличении тока возбуждения от Iв.пуск до Iв.ном скорость вращения ведомой части муфты (а следовательно и рабочей машины) n2 будет плавно увеличиваться от 0 до nном. Если в процессе пуска и разгона муфты ток возбуждения увеличивается так, что соблюдается условие для момента муфты М (М=Мс=const), то процесс пуска и разгона муфты можно изобразить графически в виде двух прямых: сначала горизонтальной прямой ГП, соответствующей изменению момента муфты от 0 до Мном=Мс и неподвижной ведомой части (n2=0), а затем вертикальной прямой ВП, соответствующей изменению скорости ведомой части от 0 до nном при номинальном моменте муфты (рис. 3, б). Если же требуется быстрый (форсированный) разгон муфты (рабочей машины), то момент, развиваемый муфтой, должен быть больше момента сопротивления. Это достигается более быстрым изменением тока возбуждения. Процесс пуска в этом случае остается плавным. Процессу форсированного разгона муфты соответствует пунктирная кривая ФР на рис. 3, б. Для получения тормозных свойств ЭМС достаточно закрепить неподвижно одну из частей муфты (обычно индуктор), вторая часть (обычно якорь) связана с валом, который следует тормозить. В момент торможения включается ток возбуждения, так как скольжение при этом максимальное, тормозной момент достигает 2 – 3 кратных значений номинального момента муфты. По мере снижения частоты вращения, тормозной момент уменьшается и к концу торможения становится равным нулю (S=0). Энергия торможения выделяется в якоре, который следует интенсивно охлаждать. Электромагнитный тормоз имеет специальную конструкцию, отличающуюся от конструкции электромагнитной муфты. |