Кроме подъема или опускания колонны бурильных труб с помощью буровой лебедки можно осуществлять подъем и опускание незагруженного элеватора, подачу долота на забой и ряд других вспомогательных операций. Так как все эти операции требуют различной мощности и характеристик электропривода, то в современных буровых установках для вспомогательных операций применяются отдельные меха­низмы с индивидуальным электроприводом. В этом случае буровая лебедка с электроприводом в основном используется для подъема и опускания КБТ, причем для подъема КБТ служат приводные двигатели, а для торможения при опуска­нии — вспомогательные тормоза или приводные двигатели.

Подъем КБТ состоит из отдельных циклов, число которых равно числу свечей; за время одного цикла происходит подъем на высоту одной свечи (25-37 м), затем ее отвинчи­вают, переносят и устанавливают, после чего цикл повторяет­ся. Таким образом, по мере подъема вес КБТ 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 от 14 : 1 до 20 : 1, причем большой диапазон относится к буровым лебедкам большей грузоподъемности. Так как время работы привода лебедки при подъеме КБТ труб перемежаются паузами для отвинчивания, переноса и установки труб, а также спуска крюка с незагруженным элеватором, то режим работы при­вода лебедки — повторно-кратковременный с относительной продолжительностью включения 25 — 40 %.

При наличии уменьшающегося момента статического со­противления на валу двигателя номинальной мощностью Рном наибольшая производительность лебедки (без учета времени переходных процессов) может быть достигнута, если по мере подъема труб скорость подъема увеличивается, т. е, если вы­полняется условие

Рном = Мсюв/т] = const, (6.5)

где Мс — момент сопротивления на валу барабана лебедки; cos — угловая скорость барабана лебедки; г — КПД передач от двигателя к барабану лебедки.

Передаточные числа, число передач и диапазон регулиро­вания частоты вращения электродвигателя выбирают обычно таким образом, чтобы механическая характеристика привода была близка к кривой постоянной мощности.

Изменять частоту вращения барабана лебедки (скорость подъема груза) для выполнения условия (6.5) можно ступен­чато с помощью многоскоростных трансмиссий или бессту - пенчато с помощью электропривода с широким диапазоном регулирования частоты вращения. Возможно также умень­шение числа ступеней механической передачи до 2 при нали­чии электропривода с ограниченным диапазоном регулирова­ния частоты вращения.

При бесступенчатом изменении скорости подъема упро­щается и становится дешевле лебедка, однако ее привод ста­новится сложнее и дороже; при ступенчатом изменении по­вышаются сложность и стоимость лебедки, но уменьшаются сложность и стоимость привода. Технико-экономическими расчетами установлено, что чем больше глубина бурения, тем эффективнее применение регулируемого электропривода.

Число приводных электродвигателей определяется многи­ми причинами (унификация применяемых электрических машин, удобство компоновки на ограниченной площади и др.), поэтому встречаются одно-, двух - трех - и даже четырех­двигательные схемы, Появление трех - и четырехдвигательных схем объясняется стремлением к унификации электрообору­дования, применяемого на установках большой мощности. 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 в 1,2 раза тяжелее и дороже, чем один двигатель большой мощности; требуется устройство для равномерного распределения на­грузки между двумя двигателями, работающими на общий вал и др.

При двухдвигательном приводе лебедки каждый двигатель выбирается половиной мощности с обязательной проверкой возможности подъема КБТ максимального веса одним двига­телем на низкой передаче.

Основное время спускоподъемных операций (примерно 50 %) затрачивается на выполнение операций с КБТ, когда нагрузка на крюке О составляет некоторую часть а макси­мальной грузоподъемности Отах спускоподъемного агрегата, т. е. а = O/Omax' Поэтому особое внимание при проектирова­нии буровых установок уделяют выбору высших скоростей перемещения КБТ и особенно незагруженного элеватора (подъем его осуществляется на каждом цикле спуска КБТ на одну свечу).

Исследованиями установлено, что при длине свечи 25 м рациональное значение высшей скорости составляет 1,6 — 1,7 м/с. Во всех случаях скорость подъема незагруженного элеватора должна быть не менее 1,4— 1,5 м/с.

Требуемая механическая характеристика регулируемого электропривода буровой лебедки показана на рис. 6.7. Уча­сток ABC соответствует работе на высшей передаче, а уча­сток CDE — на низшей. Участок АБ соответствует работе с рациональной высшей скоростью подъема, т. е. при постоян­ной частоте вращения электродвигателя лтах (в реальных ус­ловиях жесткость механической характеристики не идеальна и по мере увеличения нагрузки несколько снижается ско­рость). Точка В соответствует режиму полного использования установленной мощности привода при соответствующем зна­чении рабочей перегрузки. Участок ABCD соответствует диа­пазону длительно действующих нагрузок при подъеме КБТ (в том числе тока D — нагрузке от КБТ максимальной массы), участок DE — работе с обсадными трубами массой более массы КБТ, участок FE — расхаживанию обсадных колонн и ликвидации аварийных ситуаций (при этом скорость крюка равна 0,1—0,2 м/с или менее). Точка Е соответствует макси­мально допустимой в течение 15 с перегрузке двигателя, ко­торая в зависимости от типа двигателя постоянного тока со­ставляет 1,7 — 2,25.

Рис. 6.7. Механическая характеристика регулируе­мого электропривода спус­коподъемного агрегата:

v — линейная скорость крюка; О — усилие на крюке

Таким образом, общий диапазон регулирования скорости определен точками В и Е. Нахождение необходимого числа механических ступеней регулирования скорости (передач) подъема при заданном рабочем диапазоне зависит от регули­ровочных свойств привода. В связи с дискретным характером изменения нагрузки на крюке и постоянным значением уста­новленной мощности привода необходимо в результате ра­ционального выбора числа передач и соответствующих им передаточных отношений обеспечить наилучшее использова­ние ограниченной мощности привода.

Исследованиями установлено, что при двухдвигательном регулируемом электроприводе буровой лебедки целесообраз­но иметь от двух до четырех передач.

Таким образом, электропривод спускоподъемного агрегата в режиме подъема КБТ должен отвечать следующим основ­ным требованиям:

иметь необходимый диапазон регулирования скорости (10:1) и возможность регулирования скорости в режиме по­стоянной мощности;

иметь достаточную перегрузочную способность (1,8 —2,2 от номинального момента) для выполнения операций, связанных с ликвидацией аварий и расхаживанием колонны обсадных труб;

пусковые характеристики должны обеспечивать плавный, но достаточно интенсивный разгон электропривода;

жесткость механической характеристики должна быть та­кой, чтобы етатизм не превышал 5 — 8 % от номинальной час­тоты вращения;

должен обеспечивать остановку крюка талевой системы с точностью ±(30 — 40) мм.

Режим работы электропривода — повторно-кратковре­менный с изменяющейся от цикла к циклу относительной продолжительностью включения.

Указанным требованиям в полной мере удовлетворяют электроприводы по системам ТП—Д и ПЧ—АД. В современ­ных отечественных буровых установках с индивидуальным электроприводом основных механизмов получил широкое применение электропривод по системе ТП—Д с подчиненным управлением координат и двухзонным регулированием ско­рости.

Функциональная схема электропривода буровой лебедки с зависимым управлением током возбуждения электродвига­теля показана на рис. 6.8, а.

Управление скоростью двигателя в зоне 1 осуществляется следующими регуляторами: ПИ-регулятором тока РТ,

П-регулятором скорости PC и регулятором мощности РМ. При этом система автоматического управления (САУ) дейст­вует как обычная система регулирования скорости, обеспе­чивающая режим постоянной мощности электропривода. Скорость двигателя задается сельсинным командоаппаратом (СК).

Параметры PC настраиваются таким образом, что номи­нальная скорость и ЭДС двигателя достигаются уже при не­котором угле поворота рукоятки командоаппарата а = = 0,5атах (рис. 6.8, б). Дальнейшее увеличение угла поворота СК приводит к увеличению скорости за счет ослабления маг­нитного поля электродвигателя.

Управление скоростью в зоне 2 осуществляется ПИ-регулятором тока возбуждения РТВ и П-регулятором ЭДС РЭ, при этом САУ действует как система стабилизации ЭДС двигателя. Сигнал, пропорциональный фактическому значению ЭДС, получают как разность сигналов датчика на­пряжения ДН и датчика тока ДТ, причем сигнал ДН является преобладающим. На вход РЭ подаются постоянный сигнал задания U3 э, соответствующий номинальному значению ЭДС, и сигнал обратной связи по ЭДС U0.c.3. При регулировании скорости в зоне 1 сигнал на выходе РЭ максимальный и ра­вен уставке узла ограничения РЭ (регулятор находится в зоне «насыщения»), в связи с чем ток возбуждения /в остается по­стоянным и равным номинальному (см. рис. 6.8, б). После то­го, как будет достигнуто номинальное напряжение якоря, при дальнейшем увеличении угла поворота СК в пределах от 0,5amnx До amax, напряжение на якоре и ЭДС несколько возрастает. При этом ЭДС немного превышает заданное зна­чение (см. рис. 6.8, б). В этом случае вступает в действие РЭ и уменьшает ток возбуждения, поскольку РЭ выходит из зо­ны «насыщения» и работает на линейном участке характери­стики.

Поскольку при изменении направления скорости двигате­ля знак напряжения С70.с. э на выходе датчика ЭДС ДЭ меняет­ся на противоположный, а знак напряжения обратной связи на выходе регулятора ЭДС РЭ меняться не должен, к выходу ДЭ подключается блок выделения модуля БВМ.

При работе в зоне 2 сигнал задания на входе PC (сигнал (Л с) почти полностью компенсируется сигналом обратной связи по скорости, снимаемым с тахогенератора ТГ. При по­вышении скорости в зоне 2 от номинальной до максимальной напряжение на якоре увеличивается лишь на несколько про­центов.

Таким образом, управление возбуждением является зави­симым от управления каналом регулирования по цепи якоря, причем сигнал обратной связи по ЭДС является тем связую­щим звеном, который обеспечивает согласованное действие обоих каналов управления. Рассмотренная САУ обеспечивает линейную зависимость скорости от сигнала задания U3,c в диапазоне от нуля до максимальной скорости.

В электроприводе буровой лебедки уровень максимальной скорости должен изменяться в зависимости от веса КБТ та­ким образом, чтобы мощность, развиваемая приводом, оста­валась приблизительно постоянной. С этой целью предусмот­рен узел регулирования мощности РМ (точнее — ограниче­ния мощности) в зависимости от веса КБТ. Узел представляет собой пропорциональный усилитель с управляемым ограни­чением выходного напряжения. Уровень ограничения регули­руется с помощью функционального преобразователя по не­линейному закону в зависимости от значения сигнала t/A. B датчика усилия на крюке ДВ (см. рис. 6.8, а). При этом ско­рость с увеличением веса КБТ автоматически снижается, обеспечивая режим постоянной мощности электропривода. С увеличением усилия на крюке, благодаря действию узла ог­раничения мощности, напряжение на входе PC U3.c, а следо­вательно, и скорость двигателя будут тем меньше, чем боль­ше вес КБТ. При номинальном и более высоком усилии на крюке ослабление магнитного поля двигателя не происходит. Механическая характеристика электропривода буровой ле­бедки показана на рис. 6.8, в.

о в

Большие преимущества для электропривода буровой ле­бедки имеет частотно-регулируемый электропривод по сис­теме ПЧ —АД с запатентованной фирмой АВВ системой пря­мого управления моментом электродвигателя (Direct Torque Control-DTC).

По сравнению с электроприводом по системе ТП—Д рас­сматриваемая система при одинаковом диапазоне регулиро­вания скорости имеет меньшие габариты, лучшее быстродей­ствие и более высокую надежность.

Электроприводы буровой лебедки, управляемые по систе­ме ПЧ —АД, нашли широкое применение на установках мор­ского бурения, эксплуатируемых на месторождениях углево­дородного сырья Северного моря.

Электропривод спускоподъемного агрегата при спуске КБТ и обсадных труб может осуществляться:

от приводного электродвигателя спускоподъемного агрега­та, используемого в режиме рекуперативного или динамиче­ского торможения;

от индивидуального электромагнитного тормоза, соеди­ненного с валом буровой лебедки.

В случае применения электроприводов по системе ТП —Д или ПЧ —АД можно получить механические характеристики, в достаточной мере отвечающие требованиям тормозных ре­жимов при спуске.

Поскольку потери на трение в талевой системе и под­шипниках передаточного механизма спускоподъемного агре­гата составляют значительную величину, то мощность, необ­ходимая для торможения при сопоставимой скорости пере­мещения, значительно меньше мощности, требуемой на подъем КБТ.

При использовании в составе спускоподъемного агрегата индивидуального электромагнитного тормоза совокупность его параметров (наибольшая скорость спуска, основные точ­ки механической характеристики и номинальная мощность) выбираются независимо от параметров привода в режиме подъема.

Основными расчетными режимами электромагнитного тормоза являются:

при номинальном токе возбуждения тормоза и заданный относительной продолжительности включения — соответст­вующий режиму спуска КБТ номинального веса;

при максимальном (форсированном) токе возбуждения кратковременно — соответствующий интенсивному замедле­нию КБТ номинального веса для посадочной скорости;

при промежуточном значении тока возбуждения — соот­ветствующий режиму спуска обсадной колонны номинально­го веса.

При длине свечи 25 м для буровых установок всех классов максимальная скорость спуска не должна превышать 2,5 м/с (частота вращения барабана лебедки < 500 об/мин). В ослож­ненных условиях бурения и при спуске обсадной колонны труб значение скорости спуска может составлять 0,2 — 0,5 м/с.

Максимальный момент электромагнитного тормоза (реали­зуемый фосированием тока возбуждения) для обеспечения интенсивного замедления КБТ должен составлять 1,4—1,5 от номинального значения.