CC BY
84
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
УДК 62-83:621/.69
Б.И. Абрамов, д-р электротехники РАЭН, ген директор, (499) 580-35-80, abramov@electroprom .com (Россия, Москва, ООО «Электропром»),
Б.М. Парфенов, канд. техн. наук, гл конструктор группы перспективных проектов, (499) 580-35-80, [email protected] (Россия, Москва, ООО «Электропром»),
М.М. Ташлицкий, канд. техн.наук, ведущий инженер, (499) 580-35-80, [email protected] (Россия, Москва, ООО «Электропром»), П.Р. Люлькович, главный энергетик, (499) 580-35-80 , [email protected] (Россия, Москва, ООО «Бургаз»), А.Н. Казачков, технический эксперт, (499) 580-35-80, [email protected] (Россия, Москва, ООО «Сименс-Москва»)
РАБОТЫ ООО «ЭЛЕКТРОПРОМ» В ОБЛАСТИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА БУРОВЫХ УСТАНОВОК
Показана деятельность ООО «Электропром» в направлении современного частотно-регулируемого электропривода для буровых установок.
Ключевые слова: частотно-регулируемого электропривод, тиристорные и транзисторные преобразовательные устройства.
Коллектив ООО «Электротехническая промышленная компания» (ООО «Электропром») в течение многих лет работает в области создания комплектных электроприводов, тиристорных и транзисторных преобразовательных устройств (КТУ) для мощных электроприводов постоянного и переменного тока, а также низковольтных комплектных устройств (НКУ), предназначенных для объектов нефтегазовой промышленности, в первую очередь - для буровых установок.
В период с 1980-х годов и до настоящего времени преобладающее распространение на отечественных буровых установках (БУ) имел тири
сторный электропривод постоянного тока [1]. Однако опыт показывает, что при эксплуатации в северных районах весьма затруднительно обеспечить надежную работу электродвигателей постоянного тока.
Освоение новых месторождений нефти и газа на севере Урала и Западной Сибири вызвало необходимость создания новых буровых установок, способных надежно работать в условиях низких температур, в труднодоступных местах, удаленных от баз обслуживания на многие сотни километров. Проведенный ООО «Электропром» анализ показал, что наиболее полно указанным требованиям отвечает частотно-регулируемый электропривод переменного тока на базе транзисторных преобразователей частоты инверторного типа с микропроцессорным управлением. Важнейшим преимуществом такого электропривода является применение асинхронных двигателей с к. з. ротором, которые значительно надежнее двигателей постоянного тока благодаря отсутствию щеточно-коллекторного аппарата и меньшему влиянию окружающей среды на сопротивление изоляции (в связи с отсутствием открытых токоведущих частей).
Для регулируемых электроприводов переменного тока применяются электродвигатели специальной конструкции, рассчитанные на питание от преобразователей частоты.
При разработке новых буровых установок были учтены особые требования, предъявляемые заказчиком к удобству освоения и эксплуатации применяемого электропривода, к его повышенной заводской готовности и монтажеспособности для сокращения сроков монтажа-демонтажа при перемещении установок на новые точки бурения.
Основным источником питания для всех БУ на данном месторождении является автономная промысловая система электроснабжения, содержащая несколько газотурбинных электростанций. Электропитание на группы буровых установок подается по воздушной линии электропередачи напряжением 35 кВ. От промежуточных подстанций 35/6 кВ получают питание одна или две буровых по одноцепным линиям 6 кВ длиной до 3 км.
В связи с повышенной ответственностью проведения буровых работ в северных районах принята 1-я категория электроснабжения БУ. Для обеспечения этого на каждой установке предусмотрены дизельные электростанции в блочно-модульном исполнении на напряжение 6,3 кВ, рассчитанные на полную мощность буровой установки и вводимые в действие в случае потери питания от электрической линии.
Для главных механизмов БУ (буровых насосов, лебедки и ротора) выбран единый (однотипный) асинхронный двигатель 1200 кВт, 1000/1500 об/мин зарубежного производства. Для питания двигателей принято преобразовательное оборудование современной серии Sinamics S120, поставляемое фирмой «Siemens» и модифицированное для тяжелых условий эксплуатации в соответствии с техническими требованиями ООО «Электропром». Разработаны и поставлены комплектные электроприводы
переменного тока для девяти установок БУ-4200/250 ЭК-БМЧ (с условной глубиной до 4200 м), изготовленных ЗАО «УРБО» для бурения на одном из крупнейших нефтегазовых месторождений (полуостров Ямал, Бованен-ковское НГКМ). Аналогичное электрооборудование поставлено также для нескольких других БУ.
Схема частотно-регулируемых электроприводов БУ характерна применением трехобмоточного преобразовательного трансформатора Т1 мощностью 3200 кВА с двумя вторичными обмотками напряжением 690 В (со схемами соединения обмоток «звезда» и «треугольник») и общего выпрямительного устройства с 12-пульсным выпрямлением. Такая схема обеспечивает относительно высокий коэффициент мощности (около 0,96) и пониженное содержание высших гармоник. Благодаря этому в наиболее сложном случае питания двух установок от одной подстанции 6300 кВА может быть обеспечено нормальное напряжение на вводе БУ: при наибольшей нагрузке электроприводов расчетное снижение напряжения не более 10%.
Предусмотрена схема питания двигателей от инверторов, подключенных к общим шинам постоянного тока. Цепь постоянного тока формируется модулями линейного ввода LCM1, LCM2 и выпрямителями BLM1, BLM2, подключенными к соответствующим вторичным обмоткам преобразовательного трансформатора Т1. Применение общих шин постоянного тока для главных электроприводов удобно и экономично, т.к. характер работы механизмов не одновременен, что позволяет оптимально выбрать параметры системы шин как по мощности, так и по конструкции. Такое решение позволяет упростить конструкцию преобразователей и минимизировать их габариты. В состав главных электроприводов входят двигатели МН1, МН2, МЛ, МР (соответственно для буровых насосов, лебедки и ротора), получающие питание от инверторов - «моторных модулей» ММ1-ММ4. В КТУ применены унифицированные инверторы мощностью 1200 кВт, номинальный выходной ток 1270 А. Электропривод буровой лебедки выполняет все необходимые функции при спуско-подъемных операциях, в том числе торможение лебедки при спуске бурильной колонны. Энергия спуска через транзисторные прерыватели СВМ передается на тормозные резисторы BR. Благодаря этому исключается применение специального электромагнитного тормоза лебедки.
Автоматизированная система управления (АСУ) предназначена для управления главными приводами буровой установки [2]. Командные аппараты для задания режимов электроприводов находятся на пультах (ПН - пульт управления насосами, ПБ - пульт бурильщика для управления лебедкой и ротором). Микропроцессорный контроллер МПК расположен в КТУ. Связь между преобразователями (в пределах КТУ) осуществляется по сети Profibus DP. Все устройства, входящие в АСУ, включены в единую сеть Ethernet.
Наиболее сложным по структуре и выполняемым функциям является электропривод буровой лебедки. Регулирование двигателя лебедки -
двухзонное. В диапазоне скорости от нуля до номинальной (1000 об/мин) регулирование осуществляется при постоянном моменте двигателя изменением частоты и напряжения преобразователя. В диапазоне от 1000 до 1500 об/мин регулирование скорости двигателя производится изменением частоты питающего напряжения при постоянной величине напряжения. Система регулирования привода лебедки обеспечивает плавное регулирование скорости двигателя во всем диапазоне (в зависимости от веса на крюке); ограничивает темпы разгона и замедления лебедки; поддерживает заданную скорость (в режимах подъема и спуска); ограничивает момент двигателя во всех 4 квадрантах механической характеристики; производит (кратковременно) удержание груза в неподвижном состоянии.
На осциллограмме работы привода лебедки при подъеме и спуске колонны относительно небольшого веса. Как видно из осциллограммы, степень точности отработки скорости весьма высока (кривые заданной и фактической скорости вращения двигателя полностью совпадают). Это свидетельствует о высоких динамических качествах привода. В установившихся режимах подъема и спуска момент двигателя положительный (соответственно 1-й и 4-й квадранты поля механических характеристик). В переходном процессе замедления при подъеме момент изменяет знак, что приводит к интенсивному снижению скорости (2-й квадрант). В переходном процессе разгона в направлении спуска момент отрицательный (так называемый режим «силового спуска», 3-й квадрант). Таким образом, привод устойчиво действует во всех четырех квадрантах механических характеристик. В кривых момента и тока имеются незначительные колебания, определяемые упругостью подъемного каната.
Конструктивно всё преобразовательное оборудование размещено в специальном контейнере, представляющем собой теплоизолированное помещение. В нем размещаются также шкафы с коммутационной аппаратурой и другие устройства, обеспечивающие питание некоторых вспомогательных электроприводов. Контейнер КТУ имеет следующие особенности. Шкафы управления и регулирования, размещенные в КТУ, имеют одностороннее обслуживание. Для быстрого монтажа и демонтажа КТУ на буровой предусмотрены быстроразъемные штепсельные соединения для подключения кабелей силовых цепей и цепей управления. Подключение осуществляется с внешней стороны контейнеров. Разъемы и зажимы располагаются в нишах, которые в транспортном и рабочем положениях закрываются крышками.
КТУ имеет климатическое исполнение УХЛ1. Достаточно высокая степень защищенности от климатических воздействий обеспечивается внешней оболочкой в исполнении 1Р 53. Контейнер КТУ оснащен системами вентиляции, обогрева и системой регулирования температуры, которая поддерживает температуру внутри контейнера в диапазоне от +10 до +40 °С при изменении внешней температуры от -45 до +45 °С и при потерях энергии внутри теплоизолированной части контейнера от 0 до 40 кВт.
В комплект электрооборудования также входят: контейнер с тормозными резисторами (КТР), шкаф с удаленными входами/выходами лебедочного блока, пульт бурильщика (взрывозащищенный), пульт управления буровыми насосами и некоторые другие устройства, которые устанавливаются в технологических модулях БУ.
В настоящее время уже введены в эксплуатацию 6 установок типа БУ-4200/250 ЭК-БМЧ, которые действуют достаточно успешно, отзывы эксплуатирующих предприятий положительные. Продолжается ввод в эксплуатацию других поставленных установок.
Выводы
1. Применение частотно-регулируемого электропривода переменного тока следует считать важным новым этапом в развитии привода буровых установок для нефтегазовой отрасли.
2. Необходимо принять меры для дальнейшего совершенствования комплексов электрооборудования главных электроприводов буровых установок в направлении снижения габаритов и дальнейшей адаптации к тяжелым условиям эксплуатации, а также к условиям электроснабжения ограниченной мощности.
3. Следует ускорить завершение работ по созданию отечественных асинхронных электродвигателей в диапазоне мощностей 500 - 1200 кВт, на напряжение 660...690 В, имеющих специальную конструкцию для питания их от преобразователей частоты, в том числе должно быть предусмотрено взрывозащищенное исполнение двигателей.
Список литературы
1. Электротехнические комплексы буровых установок и экскаваторов. /Б.И. Абрамов [и др.]// Тр.У Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007», г. Санкт-Петербург, 18-21 сентября 2007.СПб.,2007. С. 307-311.
2. Цифровая модульная сетевая система управления электроприводами /М.А. Шалагин [и др.]// Электропривод и сетевые технологии: докл научно-практического семинара.04.02.2003 г. М., Изд МЭИ, 2003. С.115-122.
B. Abramov, B. Parfenov, M. Tashlickyi, P. Luylkovich, A. Kazachkov
Works of Open Company "ELECTROPROM" in the field of the frequency-regulated electric drive of drilling units
The activity "Electroprom Ltd" in direct modern frequency-controlled electrical drives for drilling rigs is shown.
Keywords: frequency-controlled electrical drives, thyristor and transistor converting devices.
Получено 06.07.10
