8.3 Электропривод буровой лебёдки
Кроме подъема или опускания колонны бурильных труб (КТБ) 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 КТБ, причем для подъема КТБ служат приводные двигатели, а для торможения при опускании — вспомогательные тормоза или приводные двигатели.
Подъем КТБ 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 КТБ 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 КТБ 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 Р наибольшая производительность лебедки (без учета времени переходных процессов) может быть достигнута, если по мере подъема труб скорость подъема увеличивается, т.е. если выполняется условие
Р = Мсωб/ή = сопst, (8.1)
где Мс — момент сопротивления на валу барабана лебедки; ωб — угловая скорость барабана лебедки; ή — 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 (скорости подъема груза) для выполнения условия (8.1) можно ступенчато с помощью многоскоростных трансмиссий или бесступенчато 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 уменьшается 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 однодвигательные, двухдвигательные, 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 широко применяют двухдвигательный привод. Двигатели двухдвигательного привода лебедки выбирают равной мощности с обязательной проверкой возможности подъема КБТ максимального веса одним двигателем на низкой передаче.
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 статизм не превышал 5—8 % 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 системе 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 изображена на рис. 8.7
.
Большие преимущества для электропривода буровой лебедки имеет частотно-регулируемый электропривод по системе ПЧ — АД с запатентованной фирмой АВВ системой прямого управления моментом электродвигателя (Direct Torgue Соntrоl-DТС).
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, применяют на установках морского бурения, эксплуатируемых на месторождениях углеводородного сырья Северного моря.