Рассмотрены особенности применения пневматических систем в буровом оборудовании для добычи нефти и газа. Для повышения надежности предлагается ввести регламент испытательных мероприятий для основного элемента пневмосистемы – компрессора. Разработана автоматизированная система для испытаний компрессоров, реализующая все программные режимы и позволяющая определить степень работоспособности компрессора
энергоносители, энергоснабжение, нефть и газ, буровые установки, пневмосистема, преобразователи частоты, автоматизированное управление, контроллер
Уровень энергопотребления определяет качественные и количественные характеристики промышленных предприятий. Энергохозяйство является неотъемлемой частью большинства добывающих, промышленных, бытовых, энергетических предприятий. Одним из основных видов энергоносителей является сжатый воздух. Он необходим для многих технологических процессов, поэтому такое оборудование используется на разных предприятиях. Наличие пневмосистемы, ее характеристики и технические решения, определяются видом технологического процесса.
Добыча углеводородов является важной и ответственной работой, от результатов которой зависит нормальная деятельность большинства потребителей энергии. Технология добычи большинства жидких и газообразных энергоносителей связана с бурением скважин, с последующим извлечением ископаемых с помощью насосного оборудования, либо за счет внутреннего давления в газовых и нефтяных пластах. Современные буровые установки являются сложными многофункциональными техническими объектами, в которых реализуются разнообразные формы преобразования и потребления электроэнергии:
- механическое вращение сверлильного долота, поступательные движения обсадной колонны;
- гидравлические перемещения бурового раствора;
- пневматические перемещения сжатого воздуха для управления агрегатами и механизмами в процессе бурения.
Пневматическая система (ПС) служит для дистанционного управления агрегатами и механизмами буровой установки при эксплуатации, а также для питания сжатым воздухом пневмораскрепителей, пневматических двигателей буровых ключей, применяемых для свинчивания и развинчивания труб [1].
В ПС управления входят:
- агрегаты и оборудование снабжения сжатым воздухом — компрессорные установки (станции), воздухосборники (ресиверы), охладители, устройства для очистки и осушения воздуха, предохранительные разгрузочные и обратные клапаны, клапаны-разрядники, вертлюжки, трубопроводы;
- исполнительные устройства — пневматические муфты, при помощи которых соединяются или разобщаются валы трансмиссий, и цилиндры, посредством которых приводятся в действие механизмы;
- управляющие устройства — краны различных конструкций, вентили и регуляторы, смонтированные на пультах, при помощи которых управляют оборудованием буровой установки;
- контрольно-измерительные приборы для контроля за исправностью пневмосистемы.
ПС буровой установки является сложной технической системой, являющейся неотъемлемой частью основного бурового оборудования. Надежность работы ПС определяет работоспособность и производительность всей буровой установки. Анализ статистики неисправностей элементов пневмосистемы позволил определить наиболее слабые элементы пневмоустройства. При этом следует учитывать специфику работы буровых установок, связанную с удаленным расположением и ограниченными ремонтными возможностями (как правило, использование собственных ремонтных ресурсов). Специфика устройства ПС определяет наличие только одного источника сжатого воздуха – компрессорной установки. От ее исправности зависит работоспособность всей ПС буровой установки. В зависимости от типа привода компрессора в буровом оборудовании применяется либо механический привод с шинно-пневматической муфтой, либо электропривод с упругой муфтой. Качественный ремонт компрессора в «полевых» условия практически исключен, и, целесообразно максимально повысить надежность его работы путем проведения комплексных испытаний для определения соответствия требуемых и имеющихся характеристик.
Компрессор имеет следующую программу испытаний:
а) обкатка без клапанных коробок, холодильника и вентилятора;
б) испытание на нагрев;
в) испытание при противодавлении 10 кгс/см2;
г) проверка на производительность;
д) проверка плотности.
Обкатку компрессора следует проводить при следующих режимах, представленных в таблице 1.
Таблица 1
Режимы обкатки компрессоров
|
Частота вращения коленчатого вала, об/мин |
Продолжительность обкатки, мин |
Примечание |
|
270-300 |
30 |
На режимах компрессор должен работать безостановочно |
|
400-440 |
30 |
|
|
750-850 |
30 |
Стендовые испытания компрессора предполагают собой применение определенного типа привода, позволяющего регулировать обороты, соответствующие режимам обкатки:
- механически, переключением ступеней редуктора, изменением диаметров ведущего и ведомого шкивов и пр.;
- электрически, путем изменения частоты вращения приводного асинхронного электродвигателя.
Более перспективным определен второй способ регулируемого привода, электромеханический. Проведен расчет требуемых нагрузок для выбора мощности приводного двигателя. Для проведения испытаний подходит двигатель АИР 280 S6, параметры которого приведены в таблице 2.
Таблица 2
Характеристики двигателя
|
Наименование показателя |
Номинальное значение |
|
Мощность на валу (P2), кВт |
75 |
|
Напряжение линейное (U1л), В |
380 |
|
Ток фазный, (I1ф), F |
142 |
|
Частота тока статора, Гц |
50 |
|
Частота вращения (n), об/мин |
1000 |
|
Момент на валу (M), Н*м |
716,25 |
|
КПД, (%) |
93,5 |
|
Коэффициент мощности (cos φ) |
0,86 |
|
Соединение фаз обмотки |
Звезда |
|
Масса, кг |
590 |
Для этого электродвигателя произведен выбор преобразователя частоты (ПЧ), способного регулировать частоту вращения по заданному закону с требуемыми параметрами [2]. Для этого в ПЧ должен быть встроен ПИД-регулятор, а также реализована возможность подключения датчика обратной связи какого-либо технологического параметра. Всем необходимым параметрам соответствует ПЧ серии Altivar 71 АTV 71hd75m3x. Он отвечает самым строгим требованиям по применению, благодаря использованию разнообразных законов управления двигателем и многочисленным функциональным возможностям. На рисунке 1 приведена схема подключения электродвигателя к ПЧ.
Рисунок 1 – Схема подключения ПЧ серии Altivar 71 АTV 71hd75m3x
ПЧ адаптирован для решения наиболее сложных задач электропривода:
- момент и повышенная точность при работе на очень низкой скорости и улучшенные динамические характеристики с алгоритмами векторного управления потоком в разомкнутой или замкнутой системе привода;
- расширенный диапазон выходной частоты для высокоскоростных двигателей;
- параллельное включение двигателей и специальные приводы с использованием скалярного закона управления;
- точность поддержания скорости и энергосбережение для разомкнутого привода с синхронным двигателем;
- плавное, безударное управление несбалансированными механизмами с помощью системы адаптации мощности (Energy Adaptation System – ENA).
ПЧ обеспечивает надежное в заданном диапазоне регулирование частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Это позволяет провести качественные испытания компрессора в соответствии с заданной программой.
Для управления работой автоматизированной станции испытания компрессора пневмосистемы буровой установки предлагается использовать компактный модульный программируемый контроллер, полностью отвечающий требованиям концепции Totally Integrated Automation. По классификации SIEMENS программируемые контроллеры S7-1200 относятся к классу базовых контроллеров. Он управляет работой ПЧ и специальной аппаратура: термореле, электроконтактные манометры, датчики давления. Режимы испытаний и результаты измерений выводятся на экран компьютера (рисунок 2).
Рисунок 2 – Окно программного испытания компрессора
Совместная работа ПЧ и контроллера реализует мощную систему программирования, конфигурирования и технической диагностики.
Разработанное техническое решение позволяет проводить испытания основного элемента ПС буровой установки - компрессора. Технические возможности автоматизированной установки позволяют реализовать комплекс испытаний в соответствии с заданной программой, обработку и фиксацию полученных результатов, их наглядное отображение на экране компьютера. Проведение испытательных мероприятий позволит повысить надежность работы как пневмосистемы, так и всего бурового оборудования.
1. Мухин, В.М. Бурение нефтяных и газовых скважин : учебно-методическое пособие / В. М. Мухин, А. Д. Коробов. - Москва; Саратов : ОАО «Центральный коллектор библиотек «БИБКОМ», 2015. - 44 с. : 21 см. - Библи-огр.: с. 41-42. - 100 экз. - ISBN 978-5-905563-57-7. - Тест непосредственный.
2. Муминов, М. М. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод буровой лебедки / М. М. Муминов, З. У. Бойхонов, Ф. Н. Юлдашев, А. А. Хаши-мов. - Текст : непосредственный // Молодой ученый. - 2016. - № 20 (124). - С. 176-179. - URL: https://moluch.ru/archive/124/34266/ (дата обращения: 10.05.2023).
