Электрооборудование нефтяной промышленности

Привод винтов с фиксированными лопастями выполняется регулируемым от электродвигателей постоянного тока, которые питаются от тиристорных преобразователей. Поскольку техно* логические механизмы и судовые винты работают не одно­ временно, питание двигателей этих приводов можно осущест­ влять от тех же тиристорных преобразователей.

В силовых агрегатах зарубежных морских буровых устано­ вок применяют синхронные генераторы мощностью 1300— 3125 кВ-А с частотой вращения 900, 1200 или 1800 об/мин со статической или с бесщеточной системами возбуждения. Регу­ ляторы возбуждения поддерживают напряжение генератора в пределах ±0,5% от номинального значения при раздельной работе и ±2,5% — при параллельной работе генераторов.

Унификация электрооборудования главных технологических механизмов — важнейшая задача на современном этапе созда­ ния морских буровых установок. Основной предпосылкой для такой унификации, как уже говорилось, является применение унифицированного технологического комплекса для бурения скважин глубиной до 6500 м. Центральное место в этой зада­ че занимает разработка унифицированной схемы силовых це­ пей главных технологических электроприводов (рис. 7.21).

Г Р Щ

Рис. 7.21. Принципиальная схема силовых цепей главных электроприводов морской буровой установки:

ГРЩ — главный	распределительный щит; ДрА — токоограничивающие реакторы;	ДрК —
сглаживающие	реакторы; ТП — тиристорные преобразователи; В1—В5 — переключатели
силовых цепей;	КН1—КНЗ, КЛ1, КЛ2, КЦ1—КЦ4, КР, КГ — силовые контакторы;	МН1—

МНЗ — двигатели буровых насосов; МЛJ, МЛ2 — двигатели буровой лебедки; МЦ1—МЦ4 — двигатели цементировочных насосов; МР — двигатель ротора; РТ — резисторы динамиче­ ского торможения двигателей буровой лебедки

250

Электроприводы главных механизмов каждой МБУ получа­ ют питание от единой электростанции с синхронными генера­ торами и выполняются по системе тиристорный преобразова­ тель— двигатель постоянного тока. Технологический комплекс включает в себя 10 электродвигателей главных механизмов. Все электродвигатели разделены на пять групп, причем в каж­ дой группе может одновременно работать только один элект­ родвигатель. При разделении электродвигателей по группам учтены технологические требования по одновременности рабо­ ты механизмов. Тот или иной электродвигатель в группе может включаться дистанционно с помощью контакторов.

Каждая из пяти групп получает питание от одного или другого силового тиристорного преобразователя, переключение питания необходимо только в случае выхода из строя одного из 777 или одного из главных электродвигателей, поэтому здесь могут быть использованы силовые переключатели с ручным приводом. Цепи выхода 777 и переключателей В1—В5 соедине­ ны в кольцевую схему, таким образом каждый ТП является условно «основным» источником питания для одной группы электродвигателей и «резервным» для другой группы. Схема силовых цепей по рис. 7.21 обладает высокой степенью резерви­ рования при минимальном числе силовых переключающих ап­ паратов и тиристорных преобразователей.

Кроме того, унификация электрооборудования главных тех­ нологических механизмов для всех типов морских буровых ус­ тановок позволит разработать унифицированную систему уп­ равления, контроля и регулирования электроприводов, а это связано с унификацией комплекта шкафов и комплектных уст­ ройств управления. В свою очередь, такая унификация позво­ лит разработать унифицированные чертежи расположения электрооборудования и прокладки кабелей в электротехничес­ ких помещениях. Таким образом, все это обеспечит создание единого для всех установок электротехнического блока.

Унификация электрооборудования связана с применением напряжения 690 В для электроэнергетических установок. В связи с этим в качестве источников питания будут установ­ лены синхронные генераторы мощностью 2000 кВт в единице напряжением 690 В, 50 Гц. Применение повышенного напряже­ ния потребует создания нового электрооборудования, новой эффективной технологии его изготовления, ремонта и техниче­ ского обслуживания.

В морских буровых установках возможно образование взры­ воопасной зоны вокруг наружных установок (вибросит, жело­ бов, приемных емкостей, дегазаторов) в нормальных условиях эксплуатации буровой установки при циркуляции в системе промывочной жидкости, содержащей до 10% добавок нефти. Опасность возникновения взрывоопасных смесей с воздухом

251

нефтяных паров существует также в закрытых помещениях бу­ ровых и цементировочных насосов и в помещениях для хране­ ния бурового раствора.

При классификации взрывоопасных смесей пары нефти от­ носятся к категории ПА и группе ТЗ; взрывоопасные зоны по­ мещений морских буровых установок классифицируются в со­ ответствии с действующими нормативными документами.

7.5.2. Электрооборудование вспомогательных механизмов

Независимо от типа электропривода главных механизмов привод большей части вспомогательных механизмов осуществ­ ляется асинхронными двигателями с короткозамкнутым рото­ ром напряжением 380 В с дистанционным управлением. Элект­ ропривод компрессора низкого давления после его пуска уп­ равляется автоматически в зависимости от давления сжатого воздуха. После увеличения давления до 0,8—0,9 МПа реле от­ ключает электропривод; при снижении давления до 0,6—- 0,7 МПа — вновь включает его.

Всхемах управления предусмотрены различные блокиров­ ки, обеспечивающие требуемую последовательность включения вспомогательных и главных механизмов. Все двигатели вспо­ могательных механизмов имеют защиту минимального напря­ жения, защиту от коротких замыканий, перегрузки и однофаз­ ного включения, осуществляемую расцепителями установочных автоматов и тепловыми реле пускателей. Аппараты управления

изащиты сосредоточены на соответствующих станциях и пультах управления.

Вустановках с неавтономным приводом главных механиз­ мов питание электроприводов вспомогательных механизмов подается от электрической сети через трансформатор 6000/400 В. От этого же трансформатора питаются цепи освещения. При перерывах в электроснабжении буровой установки вспомога­ тельные механизмы питаются от резервной дизель-генератор- ной электростанции. В установках с автономным приводом,

(дизельных или дизель-электрических) независимо от рода тока электроприводов главных механизмов двигатели вспомо­ гательных механизмов питаются от дизель-генераторной элект­ ростанции переменного тока. Для автоматического регулирова­ ния напряжения этой электростанции применена схема регуля­ тора с фазным компаундированием.

Современные буровые установки оснащены комплексом^ механизмов для автоматизации спуско-подъема АСП, позволя­ ющим совмещать развинчивание, свинчивание и перестановку свечей с перемещением порожнего элеватора. В качестве при­ вода тележки и стрелы механизмов АСП применены асинхрон-

252

Рис. 7.22. Принципиальная схема управления механизмами АСП

ные	двигатели	с	короткозамкнутым	ротором		МТК-Ш-6-
(3,5	кВт, 380 В,	870 об/мин при ПВ-25%).			Принципиальная
схема управления АСП показана на рис. 7.22.
Напряжение на цепи управления подается через автомати­
ческий выключатель Л2. Перемещением тележки						или	стрелы-
управляют постановкой соответствующего					командоаппарата.
{ККТ или ККС)		в	нужное положение	(«вправо»		или	«влево»,

«назад» или «вперед»). Остановка полностью зависит от опера­ тора. Включают и отключают двигатели ДТ и ДС пускатели с тепловой защитой ПЛ, ПП, ПВ и ПН. В исходном положении все контакты в цепях катушек пускателей замкнуты и схема подготовлена к работе. Исходным (нулевым) положением те­ лежки и стрелы считают положение, когда тележка находится

точно между магазинами, а	стрела — в	крайнем, отведенном
от центра скважины (в этом	положении	нажат конечный вы­

ключатель ВК.С1). Для выдвижения стрелы вперед оператор включает командоконтроллер ККС в положение «вперед», при этом включается пускатель ПВ и подключает двигатель стрелы, ДС к сети. Стрела выдвигается до упора в свечу.

Для защиты двигателя от стопорного режима служит ша­ риковая муфта, которая в момент упора стрелы в свечу начи­ нает проворачиваться. Оператор поворотом командоконтрол­

25&

лера ККС в нулевое положение отключает двигатель ДС от сети. Движение стрелы «назад» происходит аналогично.

Схема управления тележкой подобна схеме управления стрелой. Контакты командоконтроллера ККТ включают пуска­ тели ПП («вправо») или ПЛ («влево») в зависимости от вы­ бранного магазина. Точность остановки тележки напротив лю­ бой из кассет зависит от оператора.

В целях управления тележкой и стрелой имеются блоки­ ровки, которые не допускают одновременного включения пус­ кателей ПП и ПЛ, ПВ и ПН, а также блокировки от удара талевым блоком по стреле.

Блокировки осуществляются при помощи конечных выклю­ чателей стрелы ВКС1 и ВКС2. Конечный выключатель ВКС1 срабатывает, когда стрела полностью убрана от центра сква­

жины, выключатель ВКС2— когда стрела	выдвинута	на 1,5 м
от нулевого положения.
Для сигнализации положения стрелы служат лампы ЛК и
ЛЗ. Кратковременное включение двигателя	тележки	при не­

полностью убранной стреле возможно с помощью кнопки КТ. При наличии в буровой установке вспомогательной лебедки для ее привода применяют асинхронный двигатель с фазным ротором МТВ-312-6 (16 кВт, 380 В, 960 об/мин при ПВ = 25%). Для плавного пуска и кратковременного регулирования скоро­ сти в цепь ротора двигателя включены резисторы; управление осуществляется контроллером. Двигатель постоянного тока вспомогательной лебедки плавучих морских буровых установок

питается от тиристорного преобразователя.

Для повышения надежности работы основного электрообо­ рудования в схемах принято раздельное питание цепей освеще­ ния и цепей управления. Освещение буровой установки общей мощностью 14 кВт разбито на группы: вышка освещена 14 све­

тильниками;	буровая	площадка	и блок	двигателей— 16 све­
тильниками;	насосный	блок, система		глиноприготовления и
территория— 12 светильниками;			освещение «безопасности» —

12 В; аварийное освещение получает питание от аккумулятор­ ной батареи. Члены буровой бригады и электромонтеры снаб- -жены также переносными аккумуляторными фонарями.

Контрольные вопросы

1.Какие виды привода механизмов буровых установок Вам известны? •Каковы преимущества буровых установок с электроприводом?

2.Опишите схему распределения Электроэнергии на буровой и объясните назначение всех аппаратов.

3.Каковы требования к электроприводу долота при роторном бурении и бурении электробуром?

4.Для какой цели служат отпайки обмоток трансформатора, питающего двигатель электробура?

•554

5.Изложите принцип действия автомата подачи долота типа РПДЭ.

6.Изложите требования к электроприводу буровой лебедки.

7. Как определить мощность приводного двигателя буровой лебедки?

8.Изложите принцип действия электропривода буровой лебедки с тнри!- сторным регулятором скольжения.

9.Как определить мощность приводного двигателя бурового насоса?

10.Как осуществляется форсировка тока возбуждения синхронного двига­ теля бурового насоса?

11.Изложите принцип действия вентильного двигателя.

12.Каким образом осуществляется электропривод основных механизмов* морских буровых установок?

13.Что является источником электроснабжения на самоподъемных и полупогружных морских буровых установках?

14.От каких источников получают питание двигатели вспомогательных ме­ ханизмов буровой установки?

Глава 8

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ УСТАНОВОК ДЛЯ НАСОСНОЙ ДОБЫЧИ НЕФТИ

8.1. Общие сведения

Значительную часть добываемой в СССР нефти получают из скважин, оборудованных для механизированной добычи, ко­ торую осуществляют насосным и компрессорным способами. Насосная эксплуатация возможна при помощи как штанговых плунжерных насосов, так и бесштанговых погружных центро­ бежных электронасосов. Область экономически целесообраз­ ного применения того или другого вида насосной установки определяется сочетанием суточной производительности скважи­ ны Q и глубины подвески насоса Я п.

Для глубиннонасосных штанговых установок эта область,

характеризуется	значениями Q= 5—50 м3/сут при Я п до 1600 м
и достигает Q= 300 м3/сут			при	уменьшении Я пдо			400 м. Бес-
штанговые погружные		насосы		используются		на скважинах с
форсированным	отбором		жидкости		при значениях Q =400—
500 м3/сут и на скважинах с меньшей производительностью Q =
= 40—300 м3/сут при Я п от 2800 до 400 м.							плунжерный'
В глубиннонасосной		установке			(рис. 8.1, а)
глубинный насос	1 подвешивается				на колонне	насосных труб

5; при помощи колонны штанг 4 плунжеру насоса сообщается возвратно-поступательное движение с передачей плунжеру энергии от балансира 7 станка-качалки, станок-качалка с элек­ тродвигателем 12 и редуктором 10 преобразует вращательное' движение в возвратно-поступательное движение балансира.

Собственно насос (рис. 8.1,6) содержит цилиндр 5, внутрш которого перемещается плунжер 4. При ходе плунжера вверх.

255*.

а

iPuc. 8.1. Основные элементы глубин­ нонасосной установки

открывается нижний (приемный) клапан 5 при закрытом верх­ нем клапане 2 плунжера. Жидкость из скважины засасывается в цилиндр насоса.

При ходе плунжера вниз клапан 5 закрывается, а нефть через открывающийся клапан 2 выдавливается в пространство насосных труб, идущих от устья скважины, к которым прикре­ плен насос с помощью верхней муфты 1.

Колонна штанг в нижней части соединена с плунжером на­

соса	2 (см. рис. 8.1, а),	а	на устье	скважины она через устье­
вой	шток 5 соединена	с	головкой	балансира станка-качал­

ки 6. Балансир 7 с помощью шатунов 8 связан с кривошипами

9, вал которых через редуктор		10	и клиноременную передачу
11 связан с электродвигателем		12.	Изменяя		расстояние		от
кривошипного вала до места присоединения шатунов						к	кри­
вошипу, можно в определенных		пределах регулировать					ход
полированного истока, т. е. длину			хода	точки	подвеса	штанг,
а значит, и плунжера насоса.
Для уравновешивания нагрузки подвижной системы станка-
жачалки и двигателя при	ходе	колонны		штанг	вниз	и вверх
-применены балансирный	13 и кривошипный 14 противовесы.

.256

Частоту качаний балансира можно изменять путем установки шкивов различных диаметров у клиноременной передачи 11. Диапазон изменения частоты качаний у разных типов станковкачалок составляет от 4,7 до 15 в 1 мин.

Согласно действующему в настоящее время ГОСТу предус­ матривается девять базовых моделей (и 20 типоразмеров) стан­ ков-качалок от СКЮ до СК.9 с наибольшей допустимой нагруз­

кой 1—20 т, максимальной длиной	хода точки подвеса	штанг
42—600 дм и наибольшей частотой	качаний балансира от 5 до
12 в 1 мин. Мощность электродвигателей для привода		этих
станков составляют 1,7—55 кВт.
Если не снабдить станок-качалку приспособлениями		для

уравновешивания, то нагрузки приводного электродвигателя при ходе плунжера вверх и вниз будут резко отличаться, что значительно ухудшает энергетические показатели привода. При ходе плунжера вверх в точке подвеса штанг приложена стати­ ческая нагрузка, создаваемая весом столба жидкости над плун­ жером, весом самих штанг и силами трения. Последние обус­ ловлены трением плунжера о стенки цилиндра насоса, трением штанг о жидкость и внутреннюю поверхность насосных труб, гидравлическими сопротивлениями при перемещении жидкости через насос и трубы. Эта нагрузка не прикладывается внезап­ но, а постоянно возрастает в начальный период хода вверх благодаря демпфирующему действию упругих деформаций штанг и труб. Кроме статической нагрузки, к точке подвеса штанг оказываются приложенными и динамические силы, воз­ никающие вследствие инерционных свойств масс штанг и стол­ ба жидкости и вследствие продольных колебаний последних. Результирующая сила, приложенная в точке подвеса штанг, при ходе плунжера вверх направлена против движения и соз­ дает момент сопротивления, который преодолевается двигате­ лем. При ходе плунжера вниз результирующая статическая на­ грузка в точке подвеса штанг действует в направлении движе­ ния и разгружает двигатель. Она определяется весом штанг за вычетом веса занимаемого ими объема жидкости и сил трения. Вес жидкости над плунжером не действует на штанги. Так как верхний клапан насоса открыт, а нижний закрыт, то этот вес через нижний клапан передается насосным трубам. При изме­ нении направления движения плунжера усилие в точке подве­ са штанг не принимает мгновенно своего установившегося зна­ чения, а постепенно убывает вследствие упругих деформаций

штанг и труб.

Момент, обусловленный динамическими силами, при ходе плунжера вниз направлен против движения. Результирующий момент сопротивления при ходе плунжера вниз у неуравнове­ шенного станка-качалки много меньше, чем при ходе плунжера вверх, и в ряде случаев он даже может менять знак, т. е. сов-

17—234

257

а	о
Я, кВт	Я, кВт

Рис. 8.2. Графики мощности Р на валу электродвигателя станка-качалки, соответствующие 10 качаниям в 1 мин:

а — уравновешенного; б — неуравновешенного

падать по направлению с направлением движения. При этом двигатель переходит в генераторный режим и работает в каче­

стве тормоза с отдачей в сеть электрической	энергии. Точка
подвеса штанг А (см. рис. 8.1, а) при работе	станка-качалки

совершает колебательное движение, перемещаясь по вертикали благодаря цепной подвеске устьевого штока. Соответству­ ющий конец балансира перемещается по дуге. В связи с этим скорость перемещения точки А изменяется по закону, близкому к гармоническому. При определенной нагрузке, приложенной к точке подвеса штанг, момент и мощность будут изменяться гармонически во времени.

На основные пульсации мощности, определяемые сказан­ ным, накладываются дополнительные затухающие со временем пульсации, возникающие в результате продольных колебаний штанг.

За один цикл работы насоса — одно качание — каждый из графиков (рис. 8.2) имеет два максимума и два минимума. Максимумы относятся к средним положениям балансира, а ми­ нимумы — к крайним. Станок-качалка уравновешивается с по­ мощью противовесов, устанавливаемых на плече балансира, противоположном точке подвеса штанг, либо на кривошипах. В первом случае говорят о балансирном уравновешивании, во втором — о кривошипном уравновешивании. Часто применяют комбинированное уравновешивание (см. рис. 8.1, а), при кото­ ром противовесы размещаются и на балансире, и на кривоши­ пах.

При уравновешивании станка-качалки исходят из необходи­ мости обеспечения наименьшего среднеквадратичного значения вращающего момента за полный цикл работы, которому соот­ ветствуют ходы плунжера вверх и вниз. Опыт показывает, что при этом практически обеспечивается и равенство максимумов вращающего момента за оба полуцикла, т. е. при ходе плун-

258

жера вверх и при ходе его вниз, а также равенство работ, со­ вершаемых двигателем за оба полуцикла.

Таким образом, достаточно уравновесить станок-качалку таким образом, чтобы соблюдалось условие равенства макси­ мумов момента за оба полуцикла. Соблюдение этого условия может быть очень просто проверено, поскольку сила тока про­ порциональна вращающему моменту электродвигателя. По пи­ ковым значениям тока статора двигателя при ходе плунжера вверх Iв и вниз Iн можно судить о моментах. У применяемых для привода станков-качалок короткозамкнутых асинхронных двигателей при достаточно большой загрузке ток статора и момент без больших погрешностей можно принимать пропор­ циональными друг другу. Поэтому при идеальном уравновеши­ вании /в = /н.

Под степенью неуравновешенности станка-качалки понима­

ют
е	= 2	( / . - / „ ) / ( / » + /„).	(8.1)
При этом считается,	что	станок-качалку следует	доуравнове-

сить, если е^2=0,1. Силу тока обычно измеряют измерительными клещами.

Погружные бесштанговые центробежные насосы приводятся в действие электродвигателем, помещенным в скважине совме­ стно с насосом. Благодаря этому устраняется длинная движу­ щаяся механическая связь (штанги) между приводом и насо­ сом, входящая основным элементом в глубиннонасосную уста­ новку с плунжерными насосами. Это позволяет повысить мощ­ ность погружного насоса, т. е. его напор и подачу, применить центробежный тип насоса, наиболее подходящий для высоких отборов жидкости из скважины. Полезные мощности бесштанговых насосов, достигаемые при эксплуатации скважин, в 1,5— 3 раза больше, чем мощности штанговых. Вместе с тем при использовании бесштанговых насосов хотя и упрощается комп­ лекс сооружений на поверхности, но сильно усложняется по­ гружное оборудование.

Бесштанговая насосная установка с погружными центробеж­ ными насосами состоит из следующих основных элементов (рис. 8.3): погружной центробежный насос 3 с сетчатым фильт­ ром и специальный электродвигатель 1 с гидрозащитой (про­ тектором) 2, подвешенные в скважине на насосных трубах; питающий кабель 5, прикрепляемый к насосным трубам с по­ мощью скоб, кабель намотан на барабан 7; трансформатор 8 и станция управления 9. В колонне труб выше насоса устанав­ ливается обратный клапан 4, предназначенный для удержива­ ния столба жидкости при остановке насоса и облегчения усло­ вий последующего пуска. Выше обратного установлен спускной клапан 6, обеспечивающий слив жидкости при подъеме агрега-

17'

259