Требования к электроприводу буровой лебедки.

 

Электропривод буровой лебедки (БЛ) должен обеспечивать процесс подъема колонны бурильных труб за минимальное время и с наименьшими потерями энергии.

Для обеспечения процесса подъема колонны труб в оптимальном режиме двигатель должен развивать такой момент и иметь такую мощность, чтобы их было достаточно для преодоления сил трения и подъема полного веса колонны при работе на низшей передаче редуктора, а также двигатель должен выдерживать частые включения и отключения для обеспечения повторно-кратковременного режима работы. Для этого применяются: реостатный пуск асинхронных двигателей с фазным ротором, пуск двигателей на холостом ходу с последующим подключением нагрузки с помощью электромагнитной муфты, пуск двигателей постоянного тока плавным повышением напряжения.

Интенсивность ускорения в процессе разгона при подъеме колонны зависит от пусковой характеристики электропривода и определяется превышением момента, развиваемого двигателем в процессе пуска, над моментом сопротивления. Наибольшая величина превышения ограничивается максимальным моментом, который может развить двигатель. Для обеспечения быстрого с максимально допустимым ускорением разгона колонны двигатель БЛ должен обладать высоким пусковым моментом в процессе всего разгона и высокой перегрузочной способностью. Для асинхронных двигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, кратность максимального момента должна быть не менее λ=2,5…2,8. Это может быть обеспечено включением реостатов в цепь фазного ротора.

Для подъема колонны весом Q со скоростью V_уст потребуется мощность:

Р_п=Q·V_уст.

При наличии уменьшающегося момента статического сопротивления на валу двигателя мощностью P_д, наибольшая производительность лебедки и полная загрузка привода может быть достигнута, если по мере подъема труб, скорость подъема увеличивается, то есть выполняется условие:

,

где М_б – момент сопротивления на валу барабана лебедки;

ω_б – угловая скорость барабана лебедки;

η – кпд передач от двигателя к барабану лебедки.

 

Таким образом электропривод БЛ должен обеспечивать многоступенчатое регулирование скорости вращения.

Передаточные числа, число передач и диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя выбирают таким образом, чтобы выполнялось условие Р_д = Р_ном = const и механическая характеристика привода была близка к кривой постоянной мощности, которой в координатах М_б, w_б соответствует кривая 1 (рис. 6).

В случае если скорость подъема колонны регулируется с помощью четырехскоростной (I, II, III, IV) трансмиссии и в качестве привода используется синхронный двигатель, у которого скорость не зависит от момента, вместо непрерывной параболы в координатах М, ω получаем четырехступенчатую ломаную абвгдежз, проходящую ниже кривой 1.

 

Рис. 6. Зависимость скорости подъема колонны от нагрузки на крюке.

 

Таким образом, потребляемая от двигателя мощность при любом весе колонны (кроме точек а, в, д, ж) будет меньше номинальной и двигатель будет практически всегда недогружен. При этом КПД и коэффициент мощности двигателя будут ниже номинальных, что приведет к повышению потерь электрической энергии как в двигателе, так и в питающей сети.

Если двигатель БЛ будет иметь механическую характеристику как у асинхронного двигателя с некоторым наклоном рабочего участка, то при снижении веса на крюке скорость двигателя будет несколько возрастать. При этом будет расти и скорость подъема колонны и вместо горизонтальных участков аб, вг, де, жз получим кривые, приближающиеся к кривой 1 (показаны пунктиром). При этом нагрузка двигателя будет приближаться к номинальной.

Таким образом, при ступенчатом регулировании скорости подъема колонны с помощью трансмиссий для оптимизации режима нагрузки, двигатель должен иметь мягкую механическую характеристику.

Изменять частоту вращения барабана лебедки (скорости подъема груза) для выполнения условия постоянства мощности двигателя можно также бесступенчато с помощью электропривода с широким диапазоном регулирования частоты вращения.

При этом, чем больше глубина бурения, тем эффективнее применение регулируемого электропривода. При наличии электропривода с ограниченным диапазоном регулирования частоты вращения возможно уменьшение ступеней механической передачи.

В отечественной и зарубежной практике широкое применение нашел двухдвигательный привод. Такой привод обеспечивает работу с пониженной производительностью в случае выхода из строя одного из двигателей, а также позволяет отключить один из двигателей при снижении нагрузки, что дает экономию электрической энергии. Однако два двигателя половинной мощности тяжелее и дороже, чем один двигатель большей мощности. Кроме того требуется устройство для равномерного распределения нагрузки между двумя двигателями, работающими на один вал.

Для большей части современных буровых установок экономически целесообразно применение однодвигательного варианта. Многодвигательный вариант привода БЛ удобен для облегчения условий транспортировки блоков и в других случаях.

В выпускаемых ранее буровых установках ЭП лебедки осуществлялся АД с фазным ротором. Применение короткозамкнутых АД и СД ограничивается тем, что эти двигатели не допускают большой частоты включения, а системы их управления не позволяют получать простыми схемами плавный разгон, реверсирование и снижение частоты вращения привода.

В ряде буровых установок для привода лебедки используются СД в сочетании с электромагнитными муфтами, работающие в режиме постоянного вращения. При мощности двигателей более 250 кВт целесообразно выбирать их на напряжение 6 кВ, что позволяет исключить промежуточную трансформацию напряжения. В дальнейшем следует ожидать повышения рабочего напряжения двигателей буровой установки до 10 кВ.

Для электропривода буровой лебедки в отечественных буровых установках находят применение асинхронные двигатели с фазным ротором серий АКБ и АКСБ, синхронные двигатели СДЗБ, СДБО, двигатели постоянного тока П2, МПП и др.

В результате технико-экономического сравнения вариантов электропривода буровой лебедки наиболее целесообразным может оказаться электропривод постоянного тока. Такой электропривод можно выполнить безредукторным и его можно использовать в качестве электротормоза. Электропривод постоянного тока используется в системе регулирования скорости, выполненной по схеме ТП-Д, в буровых установках БУ2500ЭП, БУ6500 и в морских БУ.