6.1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА БУРОВЫХ УСТАНОВОК СОВРЕМЕННЫХ МОДЕЛЕЙ

В связи с ростом требований к повышению производи­тельности буровых установок (БУ) все большее их число ос­нащается индивидуальными регулируемыми электропривода­ми исполнительных механизмов. Основным типом регули­руемого электропривода, отвечающего в полной мере требо­ваниям технологического процесса бурения, выпускаемых в настоящее время отечественных БУ является электропривод постоянного тока по системе тиристорный преобразователь - двигатель (ТП —Д). Данный тип привода в настоящее время применяется на всех БУ для бурения на глубине 2500 м и бо­лее, а также на некоторых БУ для бурения на глубине 1600 м. Указанная система электропривода обеспечивает требуемый диапазон регулирования скорости, а в случае необходимости этот диапазон может быть расширен за счет ослабления маг­нитного потока двигателя. Однако при этом допустимый мо­мент нагрузки электродвигателя уменьшается.

С конструктивной точки зрения основное преимущество системы ТП —Д состоит в отсутствии генератора постоянного тока, имеющего коллекторный узел и щеточный аппарат. Ти­ристорный преобразователь является устройством статиче­ского типа, не содержит вращающихся частей и не требует мощных фундаментов. Тиристорные преобразователи выпол­няются в виде унифицированных блочных конструкций с высокой степенью надежности, долговечности и ремонтопри­годности. Благодаря малой мощности управления можно по­лучить хорошие статические и динамические характеристи­ки привода, а также обеспечить высокий уровень автомати­зации.

Для ТП характерны и недостатки, например, некоторое искажение формы напряжения в питающей сети, сниже­ние коэффициента мощности при регулировании скорости вниз от номинального значения и др. Эти недостатки не всегда существенны и при необходимости могут быть ском­пенсированы применением фильтро-компенсирующих уст­ройств.

Электрооборудование, разработанное и выпускаемое для БУ, имеет усиленную конструкцию для тяжелых условий экс­плуатации. Комплектные ТП и системы управления выпуска­ются в контейнерах с необходимыми системами вентиляции, обогрева и освещения, что обеспечивает надежную работу и удобство обслуживания. Применительно к БУ кустового бу­рения особо следует отметить такое важное преимущество электрического привода, как отсутствие жестких механиче­ских связей между блоками БУ, которые, по существу, заме­няются гибкими кабельными связями. Контейнер с устройст­вами для питания электроприводов лебедки, ротора и регуля­тора подачи долота устанавливается в непосредственной бли­зости к вышечно-лебедочному блоку и при переходе на но­вую скважину в кусте передвигается вместе с ним. Контей­нер для питания привода буровых насосов устанавливается рядом с насосным блоком. В результате обеспечиваются до­полнительные удобства при передвижках оборудования со значительной экономией времени. Кроме того, благодаря применению тиристорного электропривода достигается уни­фикация оборудования БУ в электрическом и дизель - электрическом вариантах. Различие состоит только в части источников питания (соответственно это трансформаторная подстанция или автономная электростанция).

В настоящее время отмечается тенденция оснащения БУ электрооборудованием, рассчитанным на напряжение пита­ния 690 В переменного тока, и двигателями постоянного тока на напряжение 800 В, что обеспечивает следующие преиму­щества:

снижение массы электрооборудования на 30 % по сравне­нию с использованием напряжения 400 В;

уменьшение площади, занимаемой оборудованием, эко­номия в массе и стоимости конструктивных блоков и моду - ей БУ;

уменьшение числа кабелей и монтажных соединений, в связи с чем повышаются монтажно-транспортные показатели оборудования, что особенно важно для БУ повышенной іранспортабельности.

Указанные мероприятия реализованы в буровой установке БУ-3900/225-ЭПК БМ.

Направления развития электропривода основных меха­низмов буровых установок в основном совпадают с об­щей тенденцией развития электропривода на современном этапе — это постоянно расширяющаяся область применения регулируемого электропривода и компьютерных средств ав­томатизации при создании нового и модернизации дейст­вующего оборудования.

Применительно к буровым установкам следует отметить специфические требования в отношении безопасности рабо­ты персонала, надежности и взрывозащиты.

Конкретизируем направления совершенствования элек­тропривода:

1. Широкое применение силовых полупроводниковых пре­образователей новых поколений ддя регулирования коорди­нат (скорости, положения, момента и др.) электропривода.

2. Повышение мощности и снижение габаритов силовых полупроводниковых преобразователей энергии.

3. Стандартизация, унификация электрооборудования и повышение уровня его заводской готовности.

4. Повышение КПД и других технико-экономических по­казателей.

5. Создание серий комплектных электроприводов, вклю­чающих силовое электрооборудование, системы автоматиче­ского управления, контроля и диагностики.

6. Унификация и миниатюризация аппаратуры управления.

7. Применение средств вычислительной техники, исполь­зование модульного построения систем управления.

8. Разработка типовых структур управления электроприво­дов на основе использования средств вычислительной тех­ники.

9. Совершенствование конструкции электродвигателей и аппаратуры управления с целью повышения их уровня взрывозащиты и надежности.

10. Создание средств автоматизированного проектирова­ния.

В настоящее время все ведущие электротехнические фирмы выпускают регулируемые электроприводы комплект­но с компьютерными средствами автоматизации в виде гиб­ко программируемых систем, адаптируемых к широкой об­ласти их применения.

Примером таких электроприводов могут служить электро­приводы постоянного тока на основе преобразователей серии

SIMOREG DC MASTER, разработанные фирмой «Siemens». Область применения регулируемых электроприводов различ­ных типов в значительной степени определяется применяе­мой элементной базой силовых полупроводниковых преобра­зователей энергии. В связи с освоением промышленностью полностью управляемых силовых полупроводниковых прибо­ров в модульном исполнении: мощных полевых транзисторов (MOSFET), биполярных транзисторов с изолированным за­твором (IGBT), запираемых тиристоров с интегрированным управлением (IGCT) и запираемых тиристоров (GTO) разра­ботаны полупроводниковые преобразователи, обеспечиваю­щие плавное и экономичное регулирование скорости элек­тродвигателей в широком диапазоне. На базе выпускаемых силовых полупроводниковых модулей создаются регулируе­мые электроприводы по системе преобразователь частоты — асинхронный короткозамкнутый двигатель (ПЧ —АД).

При мощности электропривода до 1 МВт для создания ПЧ в настоящее время используются модули IGBT, более 1 МВт — модули GTO или IGCT.

Создание надежных статических преобразователей часто­ты для управления асинхронными электродвигателями с ис­пользованием средств микропроцессорной техники привело к массовому применению электроприводов по системе ПЧ —АД и различных отраслях промышленности. Разработки в облас­ти частотно-регулируемых электроприводов нашли примене­ние в электроприводах исполнительных механизмов ряда за­рубежных буровых установок наземного и морского бурения.

С середины 1990-х годов компанией АВВ начата комплект­ная поставка электрооборудования для БУ с частотно­регулируемыми электроприводами. В комплект входят элек­троприводы буровой лебедки, буровых насосов, верхнего привода (или ротора), а на морских БУ — электроприводы якорных лебедок и гребных винтов. В качестве приводных двигателей применены асинхронные короткозамкнутые электродвигатели типа HXR, разработанные специально для использования в частотно-регулируемых электроприводах и приспособленные к условиям бурения. Электродвигатели — малошумные, с низким уровнем вибрации, с принудительной пентиляцией мощностью до 1400 кВт, не требующие водяного охлаждения.

Каждый привод имеет индивидуальный инвертор, работа которого основана на принципе широтно-импульсной моду­ляции (ШИМ). Инверторы построены по мостовой трехфаз - пой схеме, состоящей из шести полупроводниковых клю­чей. Каждый инвертор имеет свою собственную микропро­цессорную систему управления. Для управления системой имеется контроллер прикладного программного обеспечения, позволяющий одновременно управлять несколькими инвер­торами. Статическая точность регулирования частоты враще­ния с обратной связью от импульсного датчика — 0,01 %; без обратной связи — от 0,5 до 3 %. Частотно-регулируемые электроприводы указанных типов нашли широкое примене­ние на БУ месторождений Северного моря.

С 1998 г. компанией АВВ поставляются многодвигательные асинхронные частотно-регулируемые электроприводы типа ACS600 Multy Drive. Компанией ABB освоена также серия высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов мощностью от 315 до 5000 кВт серий ACS 1000. В качестве ключевых элементов в инверторах этой серии используются модули IGCT.

По сравнению с электроприводом по системе ТП —Д час­тотно-регулируемый электропривод обладает следующими преимуществами:

уменьшение массы и габаритов электрооборудования; простота решения проблемы обеспечения взрывозащиты электродвигателя;

более высокая точность регулирования скорости; достижение требуемых показателей функционирования электропривода в динамических режимах за счет прямого управления моментом;

уменьшение динамических нагрузок в колонне бурильных труб (КБТ) и передаточном механизме, поскольку момент инерции ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя значительно меньше момента инерции ротора двигателя по­стоянного тока;

простота обеспечения сопряжения локальных систем ав­томатики с системой управления верхнего уровня;

повышение надежности и долговечности электропривода, работающего в тяжелых условиях эксплуатации;

сокращение затрат на техническое обслуживание и про­стои технологического оборудования благодаря встроенной системе диагностики;

более высокое значение КПД за счет применения в пре­образователях полупроводниковых приборов нового поколе­ния с малыми внутренними потерями энергии и др.

Преимущества частотно-регулируемого электропривода конкретных исполнительных механизмов БУ приведены в табл. 6.1.