Системы управления буровыми станками

К главным механизмам буровых станков относятся буровые насосы (на морских буровых установках также цементировочные насосы), ротор и буровая лебедка. У буровой лебедки следует различать систему, обеспечивающую привод лебедки при подъеме колонны бурильных труб из скважины, и систему, обеспечивающую торможение при спуске колонны, которые в общем случае можно рассматривать как самостоятельные системы.
Для питания электроприводов станков используются следующие источники электроэнергии: высоковольтная электрическая линия для электрических буровых установок и автономная электростанция для установок, предназначенных для неэлектрифицирован-ных районов. Электродвигатели на каждой конкретной установке должны, как правило, выполняться на одинаковое напряжение.
Главные электроприводы работают не одновременно, в основных рабочих режимах действуют буровые насосы и ротор (режим бурения) или буровая лебедка в режиме спускоподъемных операций (СПО), причем потребляемая электроприводами мощность в большой степени зависит от текущей глубины бурения. С учетом этого мощность главных электроприводов сбалансирована так, чтобы максимальная потребляемая мощность в режимах бурения и СПО была одного порядка и не превышала мощность источника энергии.
Электропривод насоса. Технологические функции буровых насосов в случае роторного бурения состоят в создании потока промывочной жидкости (бурового раствора) через бурильные трубы к забою скважины и через затрубное пространство от забоя к устью скважины, что необходимо для выноса от забоя на поверхность частиц разбуренной породы. В случае турбинного бурения промывочная жидкость, кроме того, приводит во вращение турбобур с долотом на конце, т. е. служит рабочим материалом для турбины турбобура.
Необходимая мощность привода насоса при разных методах бурения различна. Поскольку каждая буровая установка должна обеспечивать возможность бурения любым из указанных методов, мощность выбирают из условий турбинного бурения (так как для роторного бурения требуется меньшая мощность); на установках различных классов эта мощность от 300 до 1200 кВт на один насос. Номинальная частота вращения двигателя насоса обычно 750... 1000 мин-1. Буровые насосы представляют собой насосы поршневого типа.
Мощность двигателя определяется для основного расчетного режима, соответствующего наибольшему давлению насоса, т.е. наименьшему диаметру поршня. При других диаметрах поршня режимы работы насоса рассчитывают так, чтобы мощность привода оставалась неизменной.
Электропривод ротора. Буровой ротор предназначен для приведения во вращение колонны бурильных труб. При роторном бурении это необходимо непосредственно для вращения долота, при турбинном бурении — для вспомогательных целей. Необходимая мощность привода ротора на установках различных классов — от 75 до 600 кВт. Стандарты на буровые установки регламентируют мощность и номинальный момент на вращающемся столе ротора, а также максимальную частоту вращения (при малых нагрузках) и максимальный момент (при нулевой частоте вращения).
Выбор вида привода и его характеристик выполняют с учетом следующих требований и технологических особенностей работы:
привод ротора должен быть реверсивным;
в основных рабочих режимах ротор должен вращаться в одном (прямом) направлении; обратное направление вращения необходимо только в некоторых вспомогательных режимах, поэтому допустим реверс после оперативных переключений с кратковременным перерывом питания;
режим работы — длительный, причем момент нагрузки может быть постоянным или колебаться в некоторых пределах (вплоть до максимального);
при регулировании частоты вращения ниже номинальной привод должен обеспечивать возможность длительной работы при номинальном моменте нагрузки, при регулировании частоты выше номинальной — при постоянной номинальной мощности, однако привод ротора работает при меньших моменте и мощности, в связи с чем автоматическое обеспечение указанных условий не требуется;
пусковые характеристики привода не регламентируются, необходимо лишь, чтобы момент на роторе не превышал максимального, который составляет обычно 1,5... 1,6 номинального;
требуемый статизм механической характеристики в пределах номинальной нагрузки должен быть не более 5... 10 % номинальной частоты вращения;
требования к плавности регулирования частоты вращения зависят от расчетной глубины бурения (плавное регулирование необходимо на установках глубокого бурения, а на прочих установках допустимо ступенчатое изменение частоты вращения);
специфическим является требование ограничения момента инерции привода.
Ротор приводит во вращение длинную упругую колонну труб. Для уменьшения динамических нагрузок в трубах при заклинивании долота привод должен иметь возможно меньший момент инерции.
В зависимости от класса буровой установки для привода ротора рекомендуется применять: для установок глубокого и сверхглубокого бурения — глубоко регулируемый электропривод ротора; для прочих буровых установок — нерегулируемый электропривод со ступенчатым изменением частоты вращения ротора с помощью механической коробки передач; возможно также применение группового привода ротора от трансмиссии буровой лебедки.
Основными заданными параметрами электропривода ротора являются мощность и момент ротора. По этим данным определяется номинальная угловая скорость ротора. Буровой ротор всегда имеет встроенный конический редуктор. Между приводным валом ротора и двигателем в общем случае имеется редуктор (одно-или многоскоростной).
Одной из основных задач расчета является выбор передаточного числа редуктора ротора. Для нерегулируемого привода передаточное число высшей передачи определяют по с учетом того, что в этом случае должна быть обеспечена максимальная скорость ротора (ортах ПРИ номинальной скорости двигателя. Передаточное число низшей передачи находят по формуле с учетом того, что должен быть обеспечен максимальный требуемый момент ротора Мртах при максимально допустимом кратковременном моменте двигателя. Из конструктивных соображений производят выбор промежуточных значений передаточного числа редуктора (коробки скоростей).
Если это условие не выполняется, то необходимо использовать двухскоростную коробку передач. Передаточное число низшей передачи находят при условии, что должно выполняться условие.
Электропривод лебедки. Буровая лебедка предназначена для подъема и спуска бурильной колонны, производимых периодически для замены породоразрушающего долота. На установках разных классов установленная мощность привода лебедки 250... 2500 кВт.
Вид привода и его характеристики должны выбираться с учетом следующих требований и технологических особенностей работы лебедки в режиме подъема:
режим работы привода — повторно-кратковременный. При подъеме колонну делят на отдельные отрезки — свечи длиной 25...37,5 м каждая, которые поднимают последовательно одну за другой с перерывами, необходимыми для выполнения вспомогательных операций. Относительная продолжительность включения (ПВ) составляет в среднем 30...40%, длительность одного цикла 1,5... 3 мин. Перегрузка двигателя по току в рабочем периоде принимается обычно равной 1,2... 1,3 номинального тока;
реверс двигателя в основных рабочих режимах не требуется, он необходим только в редких вспомогательных режимах и может осуществляться путем оперативных переключений. Если двигатель используется также в качестве тормозной машины при спуске колонны, то привод должен быть реверсивным (изменение знака скорости), однако статический момент нагрузки определяется «протягивающим грузом» и не меняет знака, т.е. привод работает в I и IV квадрантах;
желательно более полное использование мощности привода при изменении момента нагрузки в широких пределах (до 20 раз), поэтому характеристика привода должна быть близкой к кривой постоянной мощности. Требуемый диапазон регулирования скорости до 10:1;
привод должен иметь такие пусковые характеристики, чтобы обеспечивался плавный, но достаточно интенсивный разгон лебедки. Значение максимального момента двигателя должно быть 1,8...2,2 номинального момента;
жесткость механической характеристики должна быть такой, чтобы статизм не превышал 5...8 % номинальной частоты вращения. При регулируемом приводе формируется обычно экскаваторная механическая характеристика;
привод лебедки должен обеспечивать остановку крюка талевой системы с точностью ±(30...40) мм, что соответствует 0,05...0,15 оборота вала двигателя (в зависимости от передаточного отношения между барабаном лебедки и валом двигателя);
на установках глубокого бурения привод лебедки должен быть двухдвигательным по соображениям резервирования, причем максимальное расчетное усилие на крюке должно обеспечиваться при работе одного двигателя.
В зависимости от класса буровой установки для привода лебедки рекомендуется применять: для установок глубокого и сверхглубокого бурения — глубоко регулируемый редукторный или без-редукторный электропривод с аварийной механической передачей в зависимости от ряда дополнительных требований; для прочих буровых установок — регулируемый электропривод с диапазоном регулирования до 10:1.
Система торможения буровой лебедки должна воспринимать энергию, развиваемую бурильной колонной при спуске в скважину, и обеспечивать регулирование скорости спуска в заданных пределах. Для этой цели используются электрические машины различных типов, в первую очередь специально создаваемые для этого электромагнитные тормоза индукционного или порошкового типа. Рационально использовать в качестве тормозных машин приводные двигатели лебедки. Мощность тормозной машины на установках разных классов составляет от 200 до 1500 кВт. Действующие стандарты регламентируют скорости спуска колонны номинальной массы и незагруженного талевого блока, остальные параметры выбираются при проектировании.
Тормозные режимы реализуются с учетом следующих требований и технологических особенностей работы лебедки при спуске колонны:
режим торможения — повторно-кратковременный, приблизительно такой же, как для привода лебедки в режиме подъема;
основное направление вращения соответствует спуску колонны, однако возможно вращение в обратном направлении. Приводной двигатель при спуске работает в IV квадранте в режиме динамического или рекуперативного торможения. Последнее допускается на установках, получающих питание от электрической сети;
диапазон регулирования скорости спуска выше номинальной достигает 2:1. Желательно получение малых скоростей спуска вплоть до нулевой, однако допустимо принимать минимальную скорость примерно 0,3 номинальной. Желательно наиболее полно использовать мощность системы торможения, поэтому зависимость скорости спуска от момента нагрузки при скорости больше номинальной должна быть близкой к кривой постоянной мощности;
система торможения должна обладать запасом тормозного момента примерно 1,5 номинального значения для обеспечения достаточно интенсивного замедления;
требования к точности остановки те же, что и для привода лебедки в режиме подъема.
В зависимости от класса буровой установки рекомендуется применять системы торможения: для установок глубокого и сверхглубокого бурения — с использованием приводных двигателей лебедки в качестве тормозных машин; для установок бурения на средние глубины — с электромагнитными индукционными тормозами; для установок бурения на небольшие глубины — с электромагнитными ферропорошковыми тормозами, которые могут дополнительно выполнять функции регуляторов подачи долота при бурении.
За основной расчетный режим принимается режим подъема бурильной колонны номинальных длины, и массы.
Установленная мощность электроприводов станка составляет 400 кВт, в том числе: привода ротора — 100 кВт, привода лебедки — 80 кВт, приводов водяного центробежного насоса — 17 кВт, приводов винтовых компрессоров — 20 кВт. Остальная мощность расходуется в основном электроприводами маслонасосов, гидравлических насосов, вентиляторов и электромагнитов.
Для выноса из забоя на поверхность частиц разбуренной породы (буровой мелочи) в станке, кроме насосов, используются винтовые компрессоры для создания воздушно-водяной системы.
Основными являются электроприводы ротора Ml, лебедки М2, МЗ, насоса М4, компрессора М5, Мб.
Гусеничный ход станка обеспечивается электроприводами М13, М14. Электроприводы М1...МЗ, М13, М14 являются регулируемыми, управление ими осуществляется от блоков БУ. Остальные электроприводы — нерегулируемые. Питание их осуществляется через коммутационно-защитную аппаратуру КЗА.
Электроприводы маслонасосов гидравлических систем станка, а также вентиляторов охлаждения двигателей и проветривания помещений (М7...М12) относятся к вспомогательными электроприводами станка.
В станке применен унифицированный гусеничный ход, предназначенный для комплектации самоходных буровых станков и другого горного оборудования.
Гусеничный ход состоит из двух гусеничных тележек 1, соединенных двумя осями
2. Каждая тележка состоит из гусеничной ленты и рамы 3, в которой смонтированы на осях ведущее и ведомое колеса, поддерживающие и опорные катки с балансирами. Степень натяжения гусеничных лент регулируется натяжными устройствами. Привод гусеницы состоит из четырехступенчатого бортового редуктора 4 и электродвигателя 5. Для механического торможения гусениц служат электромагнитные колодочные тормоза, имеющие электромагниты 6 и колодочные механизмы 7, захватывающие установленные на редукторе шкивы.
Подвод электроэнергии осуществляется от передвижной комплектной трансформаторной подстанции ПКТП 6/0,4 кВ, подключаемой к ЛЭП-6 кВ воздушным или кабельным вводом независимо от других потребителей. Как правило, от одной подстанции питается один станок. Непосредственно к станку напряжение подводится гибким шланговым кабелем.
Питание электроприводов основных и вспомогательных механизмов станка и управление ими осуществляются посредством пускорегулирующей аппаратуры, расположенной на пультах и в шкафах управления. В последних находится и аппаратура защиты.
На станке имеются три пульта (пульты оператора П01, П02, ПОЗ): управления процессом бурения, управления компрессором и выносной пульт управления ходом. Основной пульт, с помощью которого оператор (машинист) осуществляет управление процессом бурения и контроль за ходом этого процесса, находится в кабине машиниста. На пульте расположены: кнопки управления двигателями водяных насосов, ротора и лебедки; универсальные переключатели управления схемой гидропривода; выключатели управления подогревом воды, воздуха и масла; кнопка дистанционного отключения вводного автомата; устройства отображения данных о напряжении питающей сети и на двигателях, а также о токах двигателей, давлении масла, воды и воздуха в системах, осевом давлении на забой.
В кабине расположен также пульт управления винтовым компрессором, в комплект которого входят: кнопки управления двигателями компрессора, вентилятора, насоса перекачки масла, а также подогревом масла в маслобаке; приборы, показывающие температуру и давление масла и воздуха в компрессоре тумблер подачи напряжения на пульт; тумблер включения защиты компрессора от перегрева и резкого изменения давления; кнопка снятия сигнала при срабатывании защиты, а также сигнальная арматура.
Шкафы управления расположены в машинном отделении станка и предназначены для размещения вторичной (исполнительной) аппаратуры управления.
Привод ротора (бурового става) осуществляется от электродвигателя 6 через редуктор 4 и резинокордовую зубчатую муфту 7. Электродвигатель и редуктор подвешены на канатах системы подачи и перемещаются по направляющим мачты вслед за опорным узлом 2 бурового става.
Механизм подачи колонны состоит из двух лебедок, натяжного устройства, верхних блоков и каната подачи.
Усилие подачи создается лебедка ми/и передается на опорный узел 2 через канат 3, огибающий последовательно несколько раз канавки приводных барабанов лебедок. Тяговое усилие передается на канат под действием силы трения, возникающей в канавках барабанов. Натяжение сбегающих ветвей канатов при бурении создается весом буровой колонны 12, а при подъеме става — натяжным устройством 10 под действием веса рычагов 11 и усилия пружин 9.
Подача выполняется одним канатом, концы которого закреплены на правой и левой блочных обоймах опорного узла 8. Огибая последовательно блоки опорного узла 8, блоки натяжных устройств 10, барабаны лебедок 1 и верхние блоки 5, канат образует четыре пятикратных полиспаста, два из которых расположены ниже головки бурового снаряда, а два — выше. При бурении нижние полиспасты создают усилие подачи, а верхние обеспечивают подвеску вращателя и синхронную подачу его вслед за опорным узлом.
При включении механизма подачи на подъем вначале поднимается только вращатель, а затем, после выбора зазора в каретках, подхватывается опорный узел с буровым ставом и дальнейший подъем производится совместно.
Привод лебедки осуществляется от электродвигателя 2 и обеспечивает вращение барабанов 3 лебедки с нужной скоростью. Применяется и комбинированный привод (рис. 4.71, б) от электродвигателя 2 и гидродвигателя 5. Гидродвигатель, развивающий большое тяговое усилие при малой скорости подачи, включают при бурении или извлечении прихваченного в скважине бурового инструмента. Электродвигатель включают при производстве спускоподъемных операций, выполняемых на большой скорости.
Гидропривод также осуществляет спускоподъемные операции, если необходимо получить малую скорость передвижения головки бурового снаряда, например, при посадке штанги на долото перед свинчиванием их между собой.
Одновременное включение электро- и гидроприводов предотвращается специальной блокировкой в схеме управления приводами. Во избежание разрыва корпусов гидродвигателей при работе электропривода в кинематической цепи лебедки предусмотрена фрикционная коническая муфта 4, управляемая с помощью гидроцилиндра. При включении электродвигателя эта муфта разомкнута и вращение на гидродвигатель не передается. Одновременно с включением гидропривода рабочая жидкость подается в цилиндр муфты, последняя включается и вращение от гидродвигателя 5 передается на барабаны 3 лебедки подачи. Лебедки подъема оборудованы колодочным тормозом 1 с гидравлическим управлением.
Основным составляющим элементом приводов, обеспечивающим регулирование частоты вращения ротора, лебедки и гусеничного хода является низковольтное комплектное устройство, включающее в себя тиристорный преобразователь. Комплектное тиристорное устройство КТУ входит в состав низковольтного комплектного устройства НКУ для управления главными электроприводами буровых станков и их модификаций, оборудованных системой ТП-Д (тиристорный преобразователь — двигатель).
В КТУ входят два выпрямителя: силовой реверсивный тиристорный для питания якорной цепи электропривода (выпрямитель якоря); нереверсивный тиристорный для питания обмотки возбуждения двигателя (выпрямитель возбуждения).
В шкафу КТУ установлены:
два силовых тиристорных блока, представляющие собой групповые радиаторы с установленными на них тиристорами и образующие силовую схему одного мостового реверсивного тиристор-ного выпрямителя для питания якорной цепи электропривода;
один силовой тиристорный блок, образующий силовую схему одного мостового нереверсивного тиристорного выпрямителя для питания цепей возбуждения двигателя;
сетевой токоограничивающий реактор выпрямителя якоря;
автоматический выключатель со стороны переменного тока выпрямителя якоря;
автоматический выключатель со стороны постоянного тока выпрямителя якоря;
автоматический выключатель со стороны переменного тока выпрямителя возбуждения;
блок управления, регулирования и защиты главных приводов;
электроизмерительные приборы, сигнальные лампы и другое вспомогательное оборудование.
Степень защиты шкафа IP22 по ГОСТ 14254—96.
Выпрямитель якоря работает по принципу раздельного управления силовыми комплектами тиристоров с запиранием неработающего комплекта (без уравнительных токов) и подключается к питающей сети через токоограничивающий реактор и автоматический выключатель, осуществляющий защиту комплектного устройства от токов короткого замыкания. Якорь электродвигателя соответствующего механизма («Бурение», «Подача», «Ход») подключается к зажимам постоянного тока через автоматический выключатель.
Схема управления выпрямителем якоря выполнена по принципу двухконтурной системы подчиненного регулирования параметров с П-регулятором частоты вращения и ПИ-регулятором тока. Обмотка возбуждения электродвигателя соответствующего механизма подключается непосредственно к шинам постоянного тока возбудителя. Схема управления выпрямителем возбуждения выполнена в виде одноконтурной системы регулирования параметров с П-регулятором тока возбуждения.
При подаче трехфазного напряжения питания 380 В частотой 50 Гц на вход КТУ загорается сигнальная лампа «Сеть основная». Одновременно силовое напряжение поступает на устройство фази-ровки, расположенное на панели с аппаратурой.
Сигнальная лампа «Фазировка» служит для выдачи светового сигнала на двери шкафа о фазировке силовой питающей сети. Эта лампа должна гореть при прямой последовательности фаз.
Для основных электроприводов буровых станков также перспективны системы частотно-регулируемых электроприводов переменного тока с программируемыми контроллерами и интеллектуальными технологическими модулями.