CC BY
12
2001
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ
СЕРИЯ: ГОРНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Вып.12
II. ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 622.24.05.055
И.А.Бердов, Н.Б.Ситников, И.Г.Макаров
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ УДЕЛЬНЫХ ЭНЕРГОЗАТРАТ ДЛЯ СТАНКОВ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНОГО БУРЕНИЯ
В Уральской государственной горно-гсологичсской академии на кафедре электрификации горных предприятий разработана и испытана в условиях Степной экспедиции (ГРП-92) система автоматизации станка БС-500/800, имеющего плавнорегулируемый привод вращателя* Плавнорегулируемый привод, наличие высокочувствительных датчиков технологических параметров и показателей процесса позволяют в настоящее время вести процесс бурения на оптимальных (или близких к ним) режимах. На рисунке представлена схема размещения на буровом станке регуляторов, датчиков, исполнительных двигателей, включения регистрирующих приборов и питания силовой и регулирующей аппаратуры.
Двигатель М1 механизма вращателя и обмотка его возбуждения получают питание от тиристорного преобразователя постоянного тока; тахогенератор BRI выполняет роль жесткой отрицательной обратной связи по скорости в системе тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока. Поскольку между колонкой бурильных труб и двигателем вращателя имеется коробка передач с четырьмя ступенями регулирования скорости, то прямая связь между напряжением преобразователя и скоростью вращения породоразрушающего инструмента отсутствует. Для непосредственного определения скорости вращения породоразрушающего ин-
• В разработке, наладке и испытаниях системы принимал участие инженер В.Т.Трапезников
струмснта используется тахогенератор ВЯ2 (коническая передача между коробкой скоростей и колонной бурильных труб имеет постоянное передаточное отношение, поэтому напряжение тахогенератора ВЯ2 однозначно соответствует скорости вращения породоразрушающего инструмента). Осевое усилие на забой создается с помощью гидроцилиндров подачи. Гидросистема станка содержит маслобак МБ и маслонасос МН, который приводится во вращение с помощью асинхронного двигателя М2, регулирование давления в гидроцилиндрах системы подачи производится с помощью гидродросселя ГД. Датчик осевого усилия ДОУ, содержащий дриллометр Др и сельсин ВЕ, служит для получения сигнала, пропорционального осевому усилию на забой скважины.
581 мг эв>
О О О
»4 31
О О О
5в» ЯР
О О
Система автоматической оптимизации удельных энергозатрат для станков геологоразведочного бурения
К измерительной аппаратуре, смонтированной на буровом станке, относятся датчики: угловой скорости вращения бурового инструмента ВЯ2, механической скорости ДС и осевого усилия на забой ДОУ. К регулирующей аппаратуре относятся: потенциометр задания ЯР, расположенный на пульте у правления ПУ, экстремальный регулятор ЭР, регулятор нагрузки РН и исполнительный двигатель МЗ с электромагнитной муфтой УС для вращения рукоятки гидродросссля системы подачи ГД с целью изменения осевого усилия на забой скважины.
Силовая аппаратура (тиристорный преобразователь и двигатель маслонасоса) получаст питание от сети трехфазного переменного тока напряжением 380 В, экстремальный регулятор получает питание от стабилизированного источника - блока питания БП. Регистрационная
аатратура (пятиканальный самописец) подключена к пульту регистрации параметров ПРП. расположенному в тиристорном преобразователе VZ. С помощью этого самописца производилась рстктрация угловой скорости вращения а>, механической скорости бурения V и осевого усилия Р гюой скважины.
Система регулирования состоит из двул подсистем: подсистемы стабилизации осевого Ьолия на забой скважины и скорости вращения (Ры - const) и экстремальной подсистемы шагового типа. Таким образом, она имеет два контура регулирования: внешний - по угловой ворости вращения со и внутренний - по стабилизации величины Рсо. Кроме того, она допускает Ж способа управления - ручной и автоматический.
При ручном способе управления регулятор нагрузки и экстремальный регулятор не зс-~\чают питания, однако и в этом случае с пульта регистрации параметров ПРП можно получить чоднмую информацию о ходе протекания процесса бурения.
Входным сигналом для системы при ручном способе управления является напряжение и я У„ которое подастся на вход тиристорного преобразователя с пульта управления с Ьомощью потенциометра задания RP. В этом случае система не получаст никакой информации об >: ;сктивности процесса бурения скважины.
При автоматическом способе управления система имеет два сигнала задания: первый ежгнат для тиристорного преобразователя формируется как алгебраическая сумма напряжения задания V, и напряжения, получаемого с выхода экстремального регулятора: второй сигнал \станавливается на основании априорной информации, получаемой при бурении на предыдущем шаге работы системы для регулятора нагрузки PH. В этом случае система получает информацию об эффективности процесса бурения. Так, например, экстремальный регулятор получает сигнал с выхода системы, пропорциональный механической скорости бурения: произведя пробные изменения напряжения, экстремальный регулятор устанавливает такое напряжение тиристорного преобразователя (утловой скорости вращения <о), которому отвечает максимум механической скорости бурения. Практически максимум механической скорости бурения от утловой скорости вращения чаще всего недостижим. С целью получения условного максимума механической скорости бурения и увеличения стойкости породоразрутающего инструмента в систему введена подсистема стабилизации произведения Рсо, которая функционирует одновременно с экстремальной подсистемой [1].
Регулятор нагрузки РН имеет два входа: на первый вход поступает сигнал с датчика осевого усилия ДОУ, на второй - сигнал от тахогенератора BR2, пропорциональный утловой скорости о. В функциональном преобразователе регулятора нагрузки производится умножение этих сигналов и сравнение величины полученного произведения с базовым уровнем, соответствующим произведению Pax для которого величина проходки на один оборот максимальна. Полученная разность отрабатывается исполнительным двигателем МЗ, который (с
помощью электромагнитной муфты YC) таким образом вращает рукоять гидродросееля ГД системы подачи, что величина произведения Рсо восстанавливается до заданного значения. Необходимость отработки рассогласования возникает каждый раз, когда экстремальный регулятор изменит величину скорости вращения бурильной колонны или сместится точка базового режима работы.
Экстремальный регулятор ЭР, регулятор нагрузки РН и блок питания находятся в шкафу тиристорного преобразователя. На буровом станке расположены датчики угловой скорости BR2, механической скорости ДС, осевого усилия ДОУ, исполнительный двигатель МЗ с электромагнитной му фтой, пульт у правления ПУ и концевой выключатель, отключающий систему оптимизации в период перехвата буровой колонны. Дтя передачи информации о ходе процесса бурения и посылки управляющих воздействий (на исполнительный двигатель и вход тиристорного преобразователя) проложен многожильный кабель от тиристорного преобразователя к буровому станку на пульт управления ПУ и на станке - от датчиков исполнительного двигателя и концевого выключателя к пульту у правления.
На пульте управления ПУ расположены следующие элементы: кнопки SB1, SB2 для включения и выключения тиристорного преобразователя, кнопка SB3 («пуск» системы автоматики), SB4 («стоп» системы автоматики); переключатель скорости QS1 на три положения, которым соответствует соотношение скоростей 1:2:3, переключатель QS2, служащий для изменения полярности сигнала датчика осевого усилия. Он имеет два положения, одно положение соответствует работе системы на «задавливанис» бурового снаряда, т.е. гидравлическая система развивает усилие согласно с направлением силы веса бурильной колонны, второе положение переключателя соответствует работе системы при разгрузке бурильной колонны, т.е. осевое усилие на забой равно разности веса бурильной колонны и усилия, развиваемого гидросистемой. Кроме того, на пульте находится потенциометр задания RP, с помощью которого вручную устанавливается выходное напряжение тиристорного преобразователя и производится пуск, торможение, регулирование скорости и остановка двигателя вращателя.
Основным элементом системы является цифровой экстремальный регулятор шагового типа, разработанный в УГГТА. При своем функционировании он отыскивает такую угловую скорость вращения породоразрушающего инструмента, которой соответствует максимальное значение механической скорости бурения при постоянном значении произведения Ры. Экстремальный регулятор с помощью пробных шагов, увеличивая или уменьшая угловую скорость со на основании сравнения значений механической скорости бурения на соседних шагах, определяет оптимальное значение утловой скорости вращения, которой соответствует локальный максимум скорости проходки. Полный цикл работы экстремального регулятора складывается из времени измерения выходного параметра, характеризующего качество процесса бурения (времени усреднения на определенном интервале углубления скважины); времени сравнения выходного
на данном и предыдущих шагах и времени посылки управляющего воздействия. Если кая скорость бурения на втором шаге оказалась больше, чем на первом, то льный регулятор делает новое подшагиванис в ту же сторону и т.д. до тех пор, пока не ет уменьшение механической скорости бурения, после чего экстремальный регулятор знак приращения угловой скорости со. В конструкции экстремального шагового имеется возможность в процессе его работы изменять величину шага Л со. Выходной л экстремального регулятора сравнивается с сигналом задания тиристорного зователя, который изменяет напряжение питания обмотки якоря двигателя вращателя и самым - скорость вращения со. Входным сигналом экстремального регулятора является енис. снимаемое с датчика механической скорости бурения ДС.
К датчику механической скорости бурения предъявляются следующие требования: точность измерения, помехоустойчивость, независимость показаний датчика от ных режимов, усреднение показателя механической скорости на каком-то отрезке времени глубины скважины. Очевидно, что предъявляемые требования достаточно жесткие и ворсчивые, например, требования точности и помехоустойчивости, которые могут быть летворены только компромиссным путем, т.е. в определенных пределах со строго аченными границами
Применяемые в настоящее время датчики механической скорости не могут быть льзованы в системах автоматического регулирования процесса бурения ввиду того, что их дном сигнал колеблется в широких пределах из-за колебаний мгновенных значений ичсской скорости. Датчик, усредняющий значения механической скорости на определенном вале глубины скважины, разработан на кафедре электрификации горных предприятий УГТГА |2]. Датчик прошел длительные производственные испытания в Сосновском и Степном ПГО и показал удовлетворительные результаты.
Датчик изготовлен на базе серийно выпускаемых бесконтактных путевых переключателей На его работу не оказывают влияние количество, расположение и длина токоведущих проводов, а также непосредственная близость больших металлических масс. Кроме того, эти переключатели обладают высокой надежностью прн значительных колебаниях питающего напряжения и температуры окружающей среды, высокой ударопрочностью, виброустойчизостью и малыми габаритами. Высокая точность датчика обусловлена низкой погрешностью путевого переключателя.
При длительных испытаниях датчика скорости выявился его недостаток, выражающийся в ложных срабатываниях путевого переключателя, которые обусловлены продольной вибрацией бурильной колонны в процессе проходки сильнотрсщиноватых пород. Устранение влияния вибрации на показания датчика осуществлено применением двойного секторного диска особой формы [2]. Предложенная конструкция датчика механической скорости устраняет ложные
срабатывания, но при этом несколько снижается точность измерения механической скорости бурения.
Усилие подачи породоразрушающего инструмента на забой скважины в настоящее время измеряется приборами плунжерного типа - дриллометрами. Эти приборы обладают достаточно для практической цели точностью. Однако они не позволяют производить запись осевого усилия самопишущими приборами и не могут быть использованы в качестве элементов систем автоматического управления. На базе дркилометра, входящего в комплект бурового станка, разработан прибор с электрическим выходом ДОУ, который кроме известных элементов дриллометра имеет в своем составе сельсин. Ротор сельсина соединен с зубчатой рейкой измерительной части дриллометра. При изменении давления масла в гидросистеме происходит перемещение поршня дриллометра, вместе с которым перемещается зубчатая рейка, связанная с ротором сельсина, угол поворота ротора сельсина пропорционален изменению осевого усилия Таким образом, на выходе сельсина появляется напряжение, пропорциональное осевому усилию на забой скважины. Достоинством датчика является высокая чувствительность, линейность характеристики на всем диапазоне изменения осевого усилия и надежность используемых в нем элементов. Датчик не требует дополнительного места для размещения его на станке.
Система может работать в следующих структурах:
1. Поддержание максимума механической скорости бурения при постоянной мощности двигателя вращателя.
2. Определение технологических параметров (осевого усилия на забой Р и угловой скорости вращения со), оптимальных по проходке на один оборот породоразрушающего инструмента.
3. Стабилизация процесса бурения на режимах, близких к оптимальным по стоимости проходки одного метра скважины. Относительная ошибка поддержания оптимального режима не превышает 5 %.
Система прошла длительные испытания в условиях геологоразведочной партии Степной экспедиции. В процессе испытаний не было ни одного отказа экстремального регулятора и регулятора нагрузки. Проверка исправности всех элементов системы и наладка регуляторов требует затрат времени не более одной смены и может производиться не чаше одного раза в месяц.
Испытания показали, что система способствует снижению стоимости 1 м проходки и снижению общих и удельных энергозатрат на бурение скважины.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. A.c. 1194071 (СССР) МКИ Е21В 45/00. Устройство оптимизации процесса вращательного бурения геологоразведочных скважин У Н.Б.Ситников. Г.А.Багаугинов, И.А.Бердов. В.Т.Трапезников. Г.С.Куцснко: Свердловский горный институт (СССР) - 3592718; Заям. 20.05.83.; Опубл. 11.85. Бюл.43.
2. A.c. 1065587 (СССР) МКИ Е 21 В 45/00. Устройство для измерения средней скорости проходки ори бурении скважин / Г.А.Багаутинов, Н.Б.Ситников. И.А.Бердов. В.Т.Трапезников: Свердловский горный институт (СССР) 3456637; Заявл. 23.06.82. Бюл.1.
УДК 622.24.05.055
Н.Б.Ситников, И.А.Бердов, В.Т.Трапезников
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КРИТЕРИЯ МИНИМУМА УДЕЛЬНЫХ ЭНЕРГОЗАТРАТ
С ДРУГИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ОТРАБОТКИ САМОЗАТАЧИВАЮЩЕГОСЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Одним из основных показателей процесса бурения глубоких скважин в настоящее время являются удельные (на 1 метр проходки) затраты энергии. Этому показателю посвящено значительное количество трудов отечественных исследователей [5, 1, 3, 9, 11]. Многие считают, что «... энергоемкость должна являться одним из критериев оценки целесообразности технологических и технических мероприятий, влияющих на баланс расходования мощности, полноту использования мощности привода и достигнутую скорость бурения» [5].
По мнению автора данной статьи, основными показателями, влияющими на величину удельных энергозатрат, являются механическая скорость бурения, мощность, доводимая до забоя скважины, проходка на один оборот породоразрушающего инструмента, диаметр скважины и технологические параметры. Все эти показатели и параметры связаны между собой и по-разному влияют на величину удельных энергозатрат. Анализ оптимальных значений показателей процесса бурения и технологических параметров, а также их взаимное расположение в плоскости осевого усилия и угловой скорости вращения помог бы прояснить степень их влияния на величину удельных энергозатрат. С целью исключения субъективных факторов исследование и оптимизация основных показателей процесса бурения первоначально проводилась в общем виде, т.е. на основании только функциональных -зависимостей без применения формул частного вида. Полученные таким образом результаты и выводы проверялись на конкретном числовом примере.
