По данным международных аналитических компаний рост потребления жидких углеводородов, в основном, нефти и газового конденсата, будет расти постоянно. К 2030 году мировая торговля жидкими углеводородами возрастет более чем на половину ее нынешних объемов, что требует постоянного увеличения энергетических показателей и производительности буровых установок (БУ). Следует отметить, что БУ свойственны тяжелые климатические и технические условия эксплуатации. Они работают как при высоких (в южных районах), так и низких (в северных широтах) температурах окружающей среды. БУ, как правило, отдалены от технических баз обслуживания, имеют ограничения в высококвалифицированных специалистах в области электропривода их механизмов. Технологические режимы работы механизмов БУ весьма напряженны, их нагрузки меняются в широкомдиапазоне и могут иметь случайный характер. Из-за отдаленности местоположения БУ мощность питания их электроустановок ограничена. При этом к бесперебойности работы БУ предъявляются высокие требования, поскольку останов технологического или электротехнического оборудования может привести к авариям в скважине и крупным экономическим потерям.
Техническая сложность и высокая себестоимость технологических систем БУ делают проблемным с экономической точки зрения их закупку и ввод в эксплуатацию для большинства отечественных потребителей. Отсюда понятно стремление к модернизации уже действующих установок и совершенствованию систем управления их электроприводами в направлении повышения надежности, энергетических показателей и производительности БУ.
Характерной тенденцией автоматизированных электроприводов механизмов БУ является все более широкое применение асинхронных двигателей (АД), управляемых от преобразователей частоты (ПЧ). Эти двигатели технически, более просты и надежны-в эксплуатации, могут длительно работать при повышенных скоростях, в агрессивных средах с заметными перепадами температур, что свойственно БУ. АД требуют меньше цветных металлов, имеют меньшие массу, габариты и стоимость. Ясно, что применение асинхронных частотно-регулируемых электроприводов механизмов БУ потребует дополнительной коррекции в системах и алгоритмах управления БУ, свойственных приводам постоянного тока, их более глубокого исследования и анализа, а также оценки технических и энергетических возможностей новых электроприводов.
Стабильность работы БУ определяется системой управления электроприводами ее механизмов и потому необходима разработка и применение наиболее развитых принципов и алгоритмов их управления на основе современной микропроцессорной техники. Сюда следует отнести' также разработку и применение аппаратно-программных средств реализации интерфейса «человек — машина» и технического диагностирования состояния электроприводовБУ.
Внедрение в БУ новых технических средств на основе микропроцессорной техники одновременно сопровождается проблемой обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС) в реальных промышленных условиях эксплуатации, что требует анализа электромагнитной обстановки (ЭМО) в районе расположения элементов электроприводов БУ, а также разработки способов и технических средств по обеспечению их ЭМС.
Ясно, что решение указанных проблем при внедрении асинхронного частотно-регулируемого электропривода механизмов БУ будет способствовать повышению их надежности, технико-экономических показателей и производительности.
Целью диссертационной, работы является совершенствование, исследование и диагностирование систем и алгоритмов управления асинхронного частотно-регулируемого электропривода механизмов БУ, способствующих повышению надежности, технико-экономических показателей и. производительности БУ. Достижение поставленной цели потребовало:
— анализа технологических режимов работы, типовых нагрузочных диаграмм электроприводов различных механизмов БУ, и на их основе обоснования мощности приводных двигателей и механических характеристик АЭП главных механизмов;
— разработки алгоритмов рационального согласования и выбора мощности I асинхронного электродвигателя для приводов главных механизмов БУ;
— оценки и сравнительного анализа энергетических показателей электротехнического комплекса БУ на основе регулируемых электроприводов постоянного тока и асинхронных частотно-регулируемых электродвигателей;
— разработки и исследования систем управления электроприводами механизмов БУ, отличающихся их повышенной технологической безопасностью работы;
— разработки алгоритмови логики управления технологическими режимами работы асинхронными* частотно-регулируемыми электроприводами главных механизмов БУ;
— разработки систем сбора, обработки и визуализации переменных электроприводов БУ, а также аппаратно-программных средств, осуществляющих интерфейс «человек-машина»;
— разработки алгоритмов и систем диагностирования технического.
I I состояния асинхронного частотно-регулируемого электропривода главных механизмов БУ;
— экспериментального исследования ЭМО в районе расположения элементов электропривода механизмов БУ и на их основе обоснования способов и средств обеспечения их ЭМС.
— апробации теоретических и технических разработок на основе экспериментальных исследований электроприводов действующих БУ с регулируемыми приводами постоянного тока и асинхронными частотно-регулируемыми электродвигателями.
Содержание работы изложено в четырех главах.
В первой главе представлен полный состав электротехнического комплекса БУ. Для главных механизмов БУ (насосов, лебедки, ротора и подачи долота) дан анализ технологических режимов работы и требований к их автоматизированным электроприводам АЭП.
На основе кинематических схем и технологических режимов работы электроприводов механизмов БУ обоснованы типовые диаграммы изменений их нагрузок в функции скорости движения и времени работы механизмов, определены мощности, допустимые режимы работы и целесообразные механические характеристики асинхронных электроприводов главных механизмов БУ.
По технологическим характеристикам насоса и его обобщенной втулке для асинхронных двигателей разных типов и для различных передаточных отношений клиноременной передачи предложен алгоритм выбора мощности двигателя, обеспечивающий наиболее рациональное и эффективное ее согласование с мощностью насоса.
Дано обоснование суммарной потребляемой мощности электроприводов механизмов БУ. I.
Во второй главе рассмотрена система силового питания и распределения электрической энергии по приводам отдельных механизмов БУ. Дана оценка и сравнительный анализ энергетических показателей электротехнического комплекса БУ на основе регулируемых электроприводов постоянного тока и асинхронных частотно-регулируемых электродвигателей. Оценка показателей выполнена на основе программ расчета на ЭВМ уравнений, характеризующих соотношения электрических переменных и параметров системы электроснабжения БУ соизмеримой мощности.
Для главных механизмов БУ обоснована целесообразность и эффективность применения асинхронных частотно-регулируемых электроприводов. Предложены системы управления асинхронных частотно-регулируемых электроприводов лебедки и главного насоса БУ, отличающиеся введением функциональных блоковавтоматического и взаимосвязанного ограничений рабочих скоростей и моментов их электродвигателей, обеспечивающих технологическую безопасностью работы лебедки и главного насоса БУ. Представлены структурные схемы и определены параметры регуляторов системы управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом лебедки БУ, обеспечивающие требуемые технологические показатели привода лебедки.
Предложена система управления спуско-подъемными операциями привода лебедки с использованием подроторного датчика положения, обеспечивающая высокую производительность БУ за счет точности определения положения талевого блока при работе БУ с буровыми колоннами из свечей различных длин без предварительного их измерения.
Разработаны алгоритмы и логика управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом лебедки БУ в режимах спуско-подъемной операции и подачи с учетом их технологических взаимосвязей, способствующих надежности работы привода и обеспечивающих ясность и наглядность операций со стороны обслуживающего БУ персонала. ;
Третья глава посвящена разработке и исследованию систем технологического управлениям диагностирования электроприводов БУ.
Обоснованы основные функции и технологические требования к системам логического управления электроприводами главных и вспомогательных механизмов БУ на основе асинхронного частотно-регулируемого привода. Предложена блок-схема программного обеспечения на ПЛК алгоритмов управления электроприводами основных механизмов БУ. Разработана система регистрации, обработки и визуализации переменных электроприводов БУ, включая формирование аварийно-предупредительных сообщений, для обслуживающего БУ персонала.
На основе аппаратных и программных средств разработанной системы предложены, алгоритмы диагностирования технического состояния отдельных элементов и всей системы логического управления электроприводами БУ.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований энергетических и технологических режимов работы электроприводов главных механизмов БУ-3200/200 М-ДЭП на основе электродвигателей постоянного тока и БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ на основе асинхронных частотно-регулируемых электродвигателей, подтверждающие работоспособность разработанных систем и алгоритмов их управления.
Учитывая сосредоточенность силовых элементов электропривода и элементов управления в едином контейнерном исполнении электроприводов БУ, где актуальным является обеспечение их электромагнитной совместимости, особое внимание уделено экспериментальному исследованию электромагнитной обстановки в районе их расположения. Представлены спектральные характеристики напряженностей электрических и магнитных полей в районе расположения элементов силовой части электроприводов (в районе силовых кабельных вводов и выводов, полупроводниковых элементов, источников питания), элементов управления и линий их связи с внешними устройствами и панелями управления БУ. Обоснованы способы и рекомендации по обеспечению их электромагнитной совместимости.
Методика исследований. Теоретические исследования основывались на общих положениях теории электропривода и теории автоматического управления, методов структурного моделирования, аппарата булевой алгебры и теории электромагнитного поля. Экспериментальные исследования проводились на действующей БУ осциллографированием переменных электроприводов с использованием пакета Drive ES Starter v.4.1 и программного обеспечения системы визуализации процесса SIMATIC WinCC v6.0. Для исследования электромагнитной обстановки использовался комплект анализаторов электрического и магнитного полей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Обобщены технологические и допустимые режимы работы главных механизмов. БУ и на их базе обоснованы технологические и эксплуатационные требования к асинхронным частотно-регулируемым электроприводам механизмов БУ.
2. По технологическим характеристикам насоса БУ и его обобщенной втулке для асинхронных двигателей различных типов и передаточных отношений клиноременной передачи предложен алгоритм определения мощности двигателя, обеспечивающий наиболее рациональное и эффективное ее согласование с мощностью насоса.
3. Доказана целесообразность и эффективность применения для главных механизмов БУ асинхронных частотно-регулируемых электроприводов, обеспечивающих более высокий (~ в 1,5 раза) средневзвешенный коэффициент мощности питающей сети, не зависимый от диапазона регулирования скорости приводов, снижение расчетной мощности трансформатора питания электроустановок БУ до 10%, — уменьшение искажения питающего их напряжения без установки дополнительных фильтро-компенсирующих устройств, снижение практически вдвое падения напряжения питающей сети на входе БУ в функции длины линии питания по сравнению с БУ на основе приводов постоянного тока.
4. Разработаны способы и системы управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами лебедки и главного насоса БУ, отличающиеся введением функциональных блоков автоматического и взаимосвязанного ограничений — рабочих скоростей и моментов их электродвигателей, обеспечивающих технологическую безопасностью работы лебедки и главного насоса БУ.
5. Разработаны способы и система управления спуско-подъемными операциями привода лебедки БУ с использованием подроторного датчика положения, обеспечивающая высокую производительность БУ за счет точности определения положения талевого блока при работе БУ с буровыми колоннами из свечей различных длин без предварительного их измерения. I 5.
6. Разработаны алгоритмы и логика управления технологическими режимами работы асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов БУ;
7. Разработаны алгоритмы диагностирования' технического состояния асинхронных частотно-регулируемых главных электроприводов БУ, включая диагностирование элементов их систем управления.
8. Определены спектральные характеристики напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения элементов управления и силовой части электроприводов БУ, сосредоточенных в едином контейнерном исполнении. Обоснованы способы и рекомендации по обеспечению электромагнитной" совместимости элементов электропривода БУ.
Практическая ценность и реализация работы заключаются в следующем:
1. На основе кинематических схем и технологических, режимовработы электроприводов главных механизмов БУ обоснованы типовые диаграммы изменений их нагрузок в функции скорости движенияи времени работы механизмов.
2. Предложена методика и дан пример выбора мощности приводных асинхронных двигателей автоматизированных электроприводов главных механизмов БУ.
3. Технически реализованысистемы управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами лебедки и главного насоса БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ с автоматическим и взаимосвязанным ограничением рабочих скоростей и моментов их электродвигателей, обеспечивающих технологическую безопасностью их работы. ;
4. Технически, реализована система управления спуско-подъемными операциями привода лебедки БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ с использованием подроторного датчика положения, обеспечивающая высокую производительность БУ за счет точности определения положения тщювого блока при работе БУ с буровыми колоннами из свечей различных длин без предварительного их измерения.
5. Определены параметры регуляторов системы управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом лебедки БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ, обеспечивающие требуемые технологические показатели привода лебедки.
6. Технически реализованы алгоритмы логического управления электроприводами БУ и аппаратно-программные средства на основе программируемого логического контроллера SIMATIC S7−300, сетевой коммуникационной платы Simatic NET CP 5611, монитора SIMATIC FLAT PANEL, а также программного обеспечения SIMATIC WinCC v6.0 и Simatic Manager v. 5.4, осуществляющие интерфейс «человек-машина», а также диагностирование технического состояния электроприводов БУ.
7. Предложены технологические защиты и блокировки систем управления электроприводами БУ по быстродействию превышающие штатные системы защит.
8. На примере буровой установки БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом главных механизмов обоснована суммарная электрическая мощность электроприводов механизмов при различных длинах линии питания БУ, определены основные параметры силовых элементов электроприводов механизмов БУ.
9. Определены и дана сравнительная оценка энергетических показателей электротехнического комплекса БУ на основе регулируемых электроприводов постоянного тока и асинхронных частотно-регулируемых электродвигателей.
10. Определены спектральные характеристики напряженности электрического и магнитного полей в районе расположения элементов электроприводов БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ. Обеспечена их электромагнитная совместимость. s.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований ¡-нашли.
I практическое применение при внедрении БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ, обеспечив jj заметное увеличение энергетических показателей по сравнению с БУ на постоянном токе. В итоге для БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ отпала необходимость применения фильтро-компенсирующих устройств. При этом время простоя БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ из-за возможных аварий по линии электрооборудования за счет более высокой надежности асинхронных электродвигателей, их систем управления и диагностирования сократилось не менее, чем в три раза. Разработанная видеотерминальная станция и принципы диагностирования электрооборудования БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ нашли применение и для вновь разрабатываемых в ООО «Электропром» (г. Москва) электроприводов БУ.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены правомерностью принятых исходных допущений и предпосылок, корректным применением методов теорий электропривода и автоматического управления, результатами практической реализации и экспериментальных исследований разработанных алгоритмов и систем управления, а — также энергетических режимов работы асинхронных частотно-регулируемых электроприводов БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Обобщенные технологические и допустимые режимы работы асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов БУ.
2. Алгоритмы выбора типа и мощности асинхронного двигателя привода насоса БУ для наиболее рационального и эффективного его согласования с мощностью насоса БУ по технологическим характеристикам насоса, его обобщенной втулке и передаточным отношениям клиноременной передачи.
3. Техническая целесообразность и эффективность применения асинхронных частотно-регулируемых электроприводов для главных механизмов БУ, обеспечивающих ~ в 1,5 раза больший средневзвешенный коэффициент мощности питающей сети вне зависимости от диапазона регулирования скорости приводов, снижение расчетной мощности трансформатора питания электроустановок БУ до 10%, уменьшение искажения питающего их напряжения без установки дополнительных фильтро-компенсирующих устройств, снижение практически вдвое падения напряжения питающей сети на входе БУ в функции длины линии питания по сравнению с БУ на основе приводов постоянного тока.
4. Способ и система управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами лебедки и главного насоса БУ, обеспечивающие технологическую безопасностью их работы за счет автоматического и взаимосвязанного ограничений рабочих скоростей и моментов их электродвигателей.
5. Способ и система управления спуско-подъемными операциями привода лебедки БУ с использованием подроторного датчика положения для увеличения точности определения положения талевого блока при работе БУ с буровыми колоннами из свечей различных длин без предварительного их измерения!
6. Алгоритмы и логика управления технологическими режимами работы асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов БУ;
7. Алгоритмы диагностирования технического состояния асинхронных частотно-регулируемых главных электроприводов' БУ, включая диагностирование элементов их систем управления.
8. Система сбора, обработки и визуализации переменных электроприводов БУ, обеспечивающая диагностирование технического состояния и режимов работы асинхронного частотно-регулируемого электропривода БУ.
9. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанных алгоритмов и систем управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами главных механизмов БУ, их энергетических режимов работы и спектральных характеристик напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения элементов управления и силовой части электроприводов БУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.), на XII, XV, XVI Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2006, 2009, 2010 гг.), в 683, 684 трудах МЭИ «Электропривод и системы управления «(г. Москва, 2007, 2009 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7 печатных трудах, в том числе в двух изданиях, входящих в перечень, рекомендованных ВАК РФ по направлению «Энергетика».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 54 наименований и 5 приложений. Ее содержание изложено на 216 страницах основного текста, содержит 87 рисунков и 13 таблиц.
Выводы.
1. Экспериментальные исследования электроприводов БУ-3200/200 М-ДЭП, где были внедрены разработанные алгоритмы и системы их управления применительно к приводу постоянного тока, подтвердили удовлетворительное качество установившихся и переходных процессов во всех режимах работы главных механизмов БУ.
2. Исследования асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ подтвердили работоспособность и высокое качество регулирования технологических переменных БУ для разработанных алгоритмов и систем их управления. Обеспечено: плавное регулирование скорости приводов во всем его диапазоне, ограничение темпов разгона и торможения приводов, стабилизация заданной скорости подъема и спуска талевого блока, точный останов талевого блока в заданном положении, стабилизация заданной нагрузки на долото в режиме бурения, удержание груза в неподвижном состоянии.
3 Исследования энергетических режимов и показателей работы электроприводов БУ на основе двигателей постоянного тока и асинхронных с частотным их регулированием подтвердили более высокие энергетические показатели последних даже при отсутствии в питающей их сети дополнительных фильтро-компенсирующих устройств.
4. Исследование ЭМО в районе расположения основных элементов электропривода БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ показали, что максимальные значения напряженностей магнитного поля до 90 А/м на частоте 19 531 Гц и электрического поля до 1180 В/м на частоте 4000 Гц соответственно имеют место вблизи силового диодного выпрямителя питания ПЧ.
5. В районе расположения элементов управления технологическими процессами БУ, расположенными в шкафу контроллера напряженности магнитного поля не превышают 40 А/м и электрического поля 600 В/м. I.
6. Предложены способы и внедрены рекомендации по обеспечению ЭМС элементов и устройств управления технологическими процессами БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Обобщены технологические и допустимые режимы работы главных механизмов БУ и на их базе обоснованы технологические и эксплуатационные требования к асинхронным частотно-регулируемым электроприводам механизмов БУ. На основе кинематических схем и технологических режимов работы электроприводов главных механизмов БУ обоснованы типовые диаграммы изменений их нагрузок в функции скорости движения и времени работы механизмов.
2. По технологическим характеристикам насоса БУ и его обобщенной втулке для асинхронных двигателей различных типов и передаточных отношений клиноременной передачи предложен алгоритм определения мощности двигателя, обеспечивающий наиболее рациональное и эффективное ее согласование с мощностью насоса.
3. Доказана целесообразность и эффективность применения для главных механизмов БУ асинхронных частотно-регулируемых электроприводов, обеспечивающих более высокий (~ в 1,5 раза) средневзвешенный коэффициент мощности питающей сети, не зависимый от диапазона регулирования скорости приводов, снижение расчетной мощности трансформатора питания электроустановок БУ до 10%, уменьшение искажения питающего их напряжения без установки дополнительных фильтро-компенсирующих устройств, снижение практически вдвое падения напряжения питающей сети на входе БУ в функции длины линии питания по сравнению с БУ на основе приводов постоянного тока.
4. Разработаны и технически реализованы способ и системы управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами лебедки и главного насоса БУ с автоматическим и взаимосвязанным ограничением рабочих скоростей и моментов их электродвигателей, обеспечивающих технологическую безопасностью работы лебедки и главного насоса.
5. Разработаны и технически реализованы способ и система управления спуско-подъемными операциями привода лебедки БУ с использованием подроторного датчика положения, обеспечивающая высокую производительность БУ за счет точности определения положения талевого блока при работе БУ с буровыми колоннами из свечей различных длин без предварительного их измерения.
6. На примере буровой установки БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом главных механизмов обоснована суммарная электрическая мощность электроприводов механизмов при различных длинах линии питания БУ, определены основные параметры силовых элементов электроприводов механизмов БУ.
7. Разработаны и технически реализованы алгоритмы логического управления технологическими режимами работы асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов БУ и аппаратно-программные средства на основе программируемого логического контроллера SIMATIC S7−300, сетевой коммуникационной платы Simatic NET CP 5611, монитора SIMATIC FLAT PANEL, а также программного обеспечения SIMATIC WinCC v6.0 и Simatic Manager v. 5.4, осуществляющие интерфейс «человек-машина.
8. Разработаны алгоритмы диагностирования технического состояния асинхронных частотно-регулируемых главных электроприводов БУ, включая диагностирование элементов их систем управления.
9. Определены спектральные характеристики напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения элементов управления и силовой части электроприводов БУ, сосредоточенных в едином контейнерном исполнении. Обоснованы способы и рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости элементов электропривода БУ.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли практическое применение при внедрении БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ, обеспечив заметное увеличение энергетических показателей по сравнению с БУ на постоянном токе. В итоге для БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ отпала необходимость применения фильтро-компенсирующих устройств. При этом время простоя БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ из-за возможных аварий по линии электрооборудования за счет более высокой надежности асинхронных электродвигателей, их систем управления и диагностирования сократилось не менее, чем в три раза. Разработанная видеотерминальная станция и принципы диагностирования электрооборудования БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ нашли применение и для вновь разрабатываемых в ООО «Электропром» (г. Москва) электроприводов БУ.
