CC BY
17
УДК 621.316.719.3
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА МОРСКОЙ БУРОВОЙ ПЛАТФОРМЫ
С. А. Ёрохов
В статье рассмотрена структура электротехнического комплекса морской буровой платформы, обосновано применение системы электропривода с общим активным выпрямителем и асинхронным электродвигателем. Предложено в качестве способа повышения энергоэффективности электропривода буровой лебедки использовать комбинированное торможение. Проведено имитационное моделирование работы электропривода в различных режимах работы в среде ЫмЬаЪ $1ти11пк. Приведены графики результатов моделирования и проведен анализ полученных результатов. Предложена блок-схема алгоритма осуществления комбинированного торможения. Выдвинуты предложения по дальнейшим направлениям исследований.
Ключевые слова: электропривод, морская буровая платформа, активный выпрямитель, электромагнитная совместимость, рекуперация.
В настоящее время невозможно представить развитие государства и общества без развития и модернизации такой отрасли промышленности, как энергетика. Россия, вне всяких сомнений, остаётся самой мощной энергетической державой на всем мировом пространстве.
В настоящее время активно ведутся разработки шельфовых месторождений нефти и газа, что является экономически обоснованным и закономерным процессом [1,2] так как, добыча углеводородов на материке становится весьма затратной и технически сложной задачей. Основным производственным комплексом добычи углеводородов на шельфе являются морские буровые платформы различных типов [3]. Буровая платформа в независимости от конструкции и размеров представляет собой сложное инженерное сооружение, с множеством систем, осуществляющих производство и распределение энергии, добычу полезного ископаемого, его хранение и отгрузку, позиционирование и предотвращение загрязнения окружающей среды, а также защищающие саму платформу от воздействия ледовых масс.
В состав современной буровой платформы входят две основные группы агрегатов: это технологический комплекс, предназначенный для бурения скважин и добычи полезных ископаемых и система позиционирования, которая удерживает буровую платформу над устьем скважины. Технологический комплекс современной буровой платформы, обеспечивающий процесс добычи углеводородов, представляет собой группу механизмов со своим индивидуальным приводом, режимы работы которых взаимосвязаны между собой и оказывают в процессе эксплуатации влияние друг на друга, как напрямую, так и опосредованно [4].
Электротехнический комплекс обеспечивает полноценную и безаварийную работу буровой платформы или установки. В его состав входят следующие системы: системы питания и распределения энергии - силовые трансформаторы, высоковольтные комплектно-распределительные устройства, дизельные электростанции; система электроприводов главных механизмов - буровой лебедки, насосов, ротора, верхнего привода; системы вспомогательных электроприводов - аварийный привод буровой лебедки, вспомогательные приводы, электроприводы циркуляционных систем, система управления. Структурная схема электротехнического комплекса представлена на рис. 1.
Рассмотрим подробнее технологический комплекс, так как эффективность его работы напрямую влияет на экономические показатели буровой платформы. В связи с этим актуальной является разработка структуры и алгоритмов эффективного управления электроприводом данного комплекса. Электропривод выбран в качестве основного
не случайно, так как он, в отличие от дизельного привода, применяемого ранее, позволяет гораздо эффективнее управлять рабочим органом, мгновенно реагировать на изменение режима работы, экономить электроэнергию и повышать безопасность и удобство работ.
Рис. 1. Структурная схема электротехнического комплекса морской буровой платформы: СГ1,2,3 — синхронные генераторы; Т — трансформатор;
АВН — активный выпрямитель; К — конденсатор; С — тормозное сопротивление;
АИН — автономный инвертор напряжения; ОСН — общесудовая нагрузка;
ЭДН — электродвигатели буровых насосов; ЭДР — электродвигатель ротора;
ЭДЛ — электродвигатель буровой лебедки
Структура энергоэффективного электропривода технологического комплекса. Электропривод технологического комплекса в свою очередь состоит из электропривода лебедки, буровых насосов, ротора и вспомогательных механизмов (подпорные насосы и прочее). Причём нельзя не отметить тот факт, что наиболее мощными электроприводами из всего перечисленного являются электроприводы буровых насосов и буровой лебедки, а самым тяжелым в плане нагрузки на питающую сеть является турбинное бурение, когда буровой раствор, закачиваемый буровыми насосами, помимо промывки скважины приводит в действие своим потоком турбобур. Зачастую данные режим работы характеризуется также и одновременной работой и буровой лебедки. В связи с этим большую роль в повышении эффективности буровой платформы, а, следовательно, и улучшении её экономических показателей, играет структура и алгоритм работы данных электроприводов, ведь даже небольшое улучшение характеристик за счёт большой мощности электропривода даёт значительный экономический эффект.
В качестве наиболее эффективного и экономически оправданного является асинхронный двигатель (АД), так как он конструктивно прост, надежен в эксплуатации, поэтому имеет низкую себестоимость и высокую рентабельность по сравнению с другими типами электродвигателей такой же мощности [5]. Однако АД достаточно сложен в управлении, но благодаря развитию существующих и появлению новых алгоритмов управления данный недостаток не является существенным. В качестве системы управления электроприводом предлагается использовать векторное управление, как для буровых насосов, так и для буровой лебедки, т.к. оно позволяет осуществлять точное управление электроприводом, с хорошими показателями качества регулирования и малым временем переходных процессов [6].
Для дальнейшего повышения электромагнитной совместимости (ЭМС) предлагается использовать активный выпрямитель напряжения (АВН), который позволяет регулировать коэффициент мощности и осуществлять двухсторонний обмен энергией, при этом форма тока при рекуперации энергии близка к синусоиде [7]. АВН - преобразователь энергии, построенный на полностью управляемых элементах (ЮВТ-транзисторах) и представляет собой обращенный инвертор напряжения. Сегодня наиболее разработанными и распространенными являются системы векторного и ги-стерезисного управления активным выпрямителем. Нельзя не отметить тот факт, что гистерезисная система проще в настройке, чем векторная, однако обладает несколько худшими энергетическими показателями [8]. В связи с этим в качестве системы управления активным выпрямителем было выбрано векторное управление. Данное управление позволяет обеспечивать высокую электромагнитную совместимость и регулировать коэффициент мощности.
Применение комбинированного торможения в электроприводе буровой лебедки. Не стоит забывать и тот факт, что повышение энергоэффективности также можно достичь более полно используя режимы работы электродвигателя [9]. Если электродвигатели буровых насосов работают в длительном режиме с постоянным моментом на валу электродвигателя, то электродвигатель лебедки работает в повторно-кратковременном режиме. Повторно-кратковременный режим работы электропривода буровой лебедки можно разделить на три подрежима - пуск, установившийся режим работы, торможение. Применение комбинированного торможения позволит более полно использовать электродвигатель в последнем режиме работы. Для реализации данной схемы необходимо в систему управления электроприводом добавить блок режимов работы электропривода, который в свою очередь будет получать сигналы с датчиков тока и напряжения, как до активного выпрямителя, так и после инвертора, а также сигнал с датчика напряжения звена постоянного тока. Функциональная схема системы представлена на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная схема системы комбинированного торможения электропривода: БРБЛ - блок режима работы буровой лебедки; ВК - вычислитель координат; БУАВ - блок управления АВН; ОПК - обратный преобразователь координат; СУАВ - схема управления активным выпрямителем; СУАИН - схема управления автономным инвертором напряжения; СДТ — сопротивление динамического торможения; К — ключ; АД — асинхронный
двигатель
На основании предложенной структурной схемы было проведено имитационное моделирование в системе МайаЬ 81шиНпк. Результаты моделирования представлены на рис. 3.
Рис. 3. График изменения момента двигателя в различных режимах работы, при подъеме, опускании и останове (двигательном, генераторном, тормозном)
Из графика видно, что в генераторном режиме момент двигателя при изменении знака внешнего момента также меняет знак, однако абсолютное значение остается таким же.
Алгоритм управления генерацией энергии с учетом применения комбинированного торможения
Для корректной работы системы генерации энергии на морской буровой платформе с учётом комбинированного торможения необходимо разработать алгоритм, учитывающий особенности автономных источников энергии, потребности потребителей, как в составе технологического комплекса, так и в составе системы позиционирования, общесудовых потребителей, вспомогательных электроприводов.
На основании полученных данных и данных о режиме работы дизель-генераторных электростанций и других электроприводов будет приниматься решение о возвращении энергии в сеть или при отсутствии в ней необходимости, рассеивании её на тормозном резисторе путём замыкания ключа К тормозного сопротивления. Для корректной работы данной системы предложен алгоритм, блок - схема которого приведена на рис. 4.
Рис. 4. Блок-схема алгоритма управления системой электроснабжения с учётом комбинированного торможения буровой лебедки
642
На блок - схеме приняты следующие обозначения: условие №1 - «ЭП БЛ работает в рекуперативном режиме?»; условие №2 - «Есть ли потребность в дополнительной энергии?»; условие №3 - «Есть ли дополнительная энергия?»; условие №4 - «Есть ли ещё необходимость в дополнительной энергии?»; £/БЛ - напряжение звена постоянного тока ЭП БЛ; ]УБЛ - частота вращения ЭП БЛ; МБЛ - вычисленное значение момента на валу ЭП БЛ; £/бнр,осн,эпсп - напряжение в звене постоянного тока буровых насосов (БН), ротора (Р), в участке сети, питающем общесудовую нагрузку (ОСН), электроприводы системы позиционирования (ЭП СП); Ur - напряжение на выводах дизель-генераторного агрегата (ДГА).
Предложенный алгоритм может быть реализован в любой среде программирования (например, при помощи языка программирования FBD [10]).
Заключение
Можно утверждать, что электропривод с применением активного выпрямителя и асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором обеспечивает высокие показатели качества регулирования электропривода и может быть применен при модернизации и проектировании новых систем электропривода технологических комплексов морских буровых платформ
Из графика изменения момента электродвигателя видно, что в генераторном режиме работы момент электродвигателя изменяет свой знак, но остается таким же по величине, а следовательно и мощность, имеет такие же свойства, т.е. становиться отрицательной. В связи с этим комбинированное торможение позволяет более полно использовать буровую лебедку в режиме опускания груза, что в свою очередь положительно сказывается на эффективности всей буровой платформы.
Перспективным направлением дальнейших исследований являются вопросы согласования режима работы дизель-генераторных установок и мощных электроприводов технологического комплекса морской буровой платформы при работе электропривода буровой лебедки в рекуперативном режиме. Также интересным для исследования, по мнению автора, являются вопросы разработки и применения регуляторов на основе прогнозирующего управления (МРС-регуляторы) в системе рекуперации и управления электропривода.
Список литературы
1. Тасмуханова А.Е., Шигапова P.P. Особенности разработки шельфовых месторождений нефти // Вестник Евразийской науки, 2018 №2, URL: https://esi .today/ PDF/53NZVN218.pdf (дата обращения: 04.02.2019).
2. Трофимов С.Е. Российский арктический шельф и новые геополитические вызовы // Известия СПбГЭУ. 2015. №2 (92). URL: https://cvberleninka.m/article/n/ ros-siyskiy- arkticheskiy-shelf-i-novye-geopoliticheskie-vyzovy (дата обращения: 04.02.2019).
3. Аношина K.B. Современные технологии разработки нефтегазовых месторождений арктического шельфа // Экспозиция Нефть Газ. 2013. №7 (32). URL: https://cyberleninka.ru/ article/ п/ sovremennve-tehnologii-razrabotki-neftegazovyh-mesto roz hdeniy-arkticheskogo-shelfa (дата обращения: 04.02.2019).
4. Козярук А.Е. Опыт создания и перспективы развития электромеханических комплексов - технологических, движения и позиционирования технических средств освоения шельфа // Записки Горного института, 2016. № 221. URL: https://cyberleninka ,ru/ article/n/opyt-sozdaniya-i-perspektivy-razvitiya-elektromehanicheskih-kompleksov-tehno logi cheskih- dvizheniya-i-pozitsionirovaniya (дата обращения: 04.02.2019).
5. Козярук А.Е. Энергоэффективные электромеханические комплексы горнодобывающих и транспортных машин // Записки Горного института. 2016. № 218. URL: https://cvberleninka.ru/article/n/energoeffektivnve-elektromehanicheskie-kompleksv-gorno-dobyvavuschih-i-transportnyh-mashin (дата обращения: 04.02.2019).
6. Момот Б. А. Сравнение различных схем выпрямления в составе электроприводов переменного тока / Б.А. Момот, В.С. Горбик // Естественные и технические науки, 2014. №1. С. 153-155.
7. Козярук А.Е., Васильев Б.Ю. Методы и средства повышения энергоэффективности машин и технологий с асинхронными электроприводами [Электронный ресурс] / Козярук А.Е., Васильев Б.Ю. // Вестник ЮУрГУ. 2015. №1/15. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/metody-i-sredstva-povysheniya-energoeffektivnosti-mashin-i-tehnologiy-s-asinhronnymi-elektroprivodami (дата обращения: 04.02.2019).
8. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Нелинейные и оптимальные системы. СПб.: Питер, 2006. 336 с.
9. Степанов В.М., Котеленко С.В. Анализ технических решений по рекуперации электрической энергии // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2011. Вып. 6. Ч. 1. С. 152 - 158.
10. Минаев И. Г. и др. Программируемые логические контроллеры в автоматизированных системах управления / И.Г. Минаев, В.М. Шарапов, В.В. Самойленко, Д.Г. Ушкур. 2-е изд., перераб. и доп. Ставрополь: АГРУС, 2010. 128 с.
Ёрохов Станислав Алексеевич, аспирант, stas_ yorohov@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE ELECTRIC DRIVE OF THE TECHNOLOGICAL COMPLEX OF THE SEA DRILLING PLA TFORM
S.A. Erokhov
The article describes the structure of the electrical complex of the offshore drilling platform, justified the use of an electric drive system with a common active rectifier and an asynchronous electric motor. It is proposed to use combined braking as a way to increase the energy efficiency of an electric winch drive. Simulation modeling of the electric drive operation in various operating modes in the MatLab Simulink environment was carried out. The graphs of the simulation results are presented and the analysis of the results is carried out. A block diagram of the algorithm for the implementation of the combined braking. Suggestions are made for further research areas.
Key words: electric drive, offshore drilling platform, active rectifier, electromagnetic compatibility, recuperation.
Erokhov Stanislav Alekseevich, postgraduate stas yorohovamail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining University
