ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА БУРОВОГО НАСОСА

Разработка структурной схемы частотнорегулируемого электропривода бурового насоса

Основными параметрами, характеризующими работу насоса, являются его подача Q и давление /?, развиваемое при заданной подаче. Мощность привода насоса определяется произведением Qp.

В начале бурения скважины давление, создаваемое насосом, невелико. По мере углубления скважины, вследствие увеличения гидравлического сопротивления труб возрастает и давление на выходе насоса, которое ограничено прочностью деталей насоса. Поэтому, начиная с определенной глубины скважины, подачу насоса необходимо ограничивать. С точки зрения снижения потерь мощности оптимальный режим работы БН характеризуется постоянством развиваемой мощности, равной номинальной Рном., то есть [24, 90]

При выполнении этого условия приводной ЭД будет работать с наибольшим КПД. Условию (2.1) в координатах p-Q соответствует кривая, изображенная на рисунке 2.1.

Приблизиться к режиму постоянства мощности при нерегулируемом приводе можно за счет применения цилиндровых втулок разного диаметра, однако мощность привода будет недоиспользована и ЭД БН будет недогружен.

Предположим, что бурение начинается в точке 1 при давлении на нагнетательном патрубке р < ръ при втулке диаметром D3 и продолжается до точки 2. Продолжать работу с втулкой диаметром D3 выше точки 2 нельзя, так как давление поднимается выше /?з (что недопустимо) и, кроме того, будет перегружен привод. Поэтому в точке 2 необходимо заменить втулку диаметром D3 на втулку диаметром D2. Это приведет к изменению гидравлической характеристики насоса. При этом подача насоса уменьшится от Q3 до Q2 и в соответствие с гидравлической характеристикой манифольда и скважины давление, развиваемое насосом, снизится скачком от /?з (в точке 2) до давления, соответствующего точке 3.

Режим работы бурового насоса НВ1, НВ2, НВ3 - характеристики насоса при различных диаметрах втулок; ML 1, ML2, ML2 - характеристики манифольда и скважины в зависимости от глубины скважины

Рисунок 2.1 - Режим работы бурового насоса НВ1, НВ2, НВ3 - характеристики насоса при различных диаметрах втулок; ML 1, ML2, ML2 - характеристики манифольда и скважины в зависимости от глубины скважины

Если продолжать бурение с втулкой диаметром D2, то по мере углубления скважины давление в точке 4 достигнет /?2, т.е. предельного значения, при котором необходимо заменить втулку диаметром D2 на втулку диаметром D. Следовательно, в случае нерегулируемого привода насоса и периодической замены втулок процесс протекает по отрезкам 1-2, 3-4, 5-6 (рисунок 2.1). Увеличивая число типоразмеров втулок, можно только приблизиться к кривой p'Q= const, но мощность привода будет использована не полностью [11,24, 90].

При регулируемом ЭП можно приблизиться к кривой постоянства мощности путем снижения частоты вращения приводного двигателя. Тогда процесс будет протекать по ступенчатой ломаной линии 1-2- 3’-4-5’-6, причем по отрезкам 1-2, 3’-4, 5’-6 бурение идет при постоянной скорости вращения ЭД, а по горизонтальным отрезкам 2-3’ и 4- 5’- при регулируемой скорости (рисунок 2.1) [91].

Бесступенчатое изменение частоты вращения привода БН в достаточном диапазоне возможно при ручном управлении приводным ЭД

[6]. Предполагается, что, устанавливая необходимую подачу и соответственно давление на выкиде БН, оператор учитывает характер разбуриваемой породы, степень износа породоразрушающего инструмента, глубину забоя, конструкцию скважины, величину осевой нагрузки на долото и т.п.

Структурная схема частотно-регулируемого электропривода БН приведена на рисунке 2.2. Требуемый закон частотного регулирования формируется в блоке формирования закона управления БФЗУ.

Пуск электропривода (блоком ПО - «пусковой орган»), а также задание требуемых значений давления (блок ЗД) и подачи (блок ЗП) производится на пульте бурильщика ПБ. Сигнал задания давления ?/3.д. в блоке сравнения БС1 сравнивается с сигналом U0.c.д. с датчика давления (рисунок 2.2) [92, 93].

Структурная схема частотно-регулируемого электропривода БН

Рисунок 2.2 - Структурная схема частотно-регулируемого электропривода БН

В начале процесса бурения давление на выходе насоса меньше допустимого для данной втулки, разность сигналов ?/3.д-?/0.с.д. положительна, и на выходе блока сравнения БС1 сигнал не появляется. При этом ПЧ управляется сигналом с выхода пускового органа ПО и частота на выходе преобразователя частоты ПЧ равна 50 Гц. Если давление на выходе насоса достигает давления, заданного на пульте бурильщика, на выходе блока БС1 сигнал U’ принимает отрицательное значение и на выходе регулятора давления РД появляется сигнал управления давлением (/у.д., который поступает на блок сравнения БС2. При превышении давления на выходе насоса сигнал задания частоты на выходе блока БС2 снижается и частота на выходе ПЧ становится меньше 50 Гц.

Уставка по минимальной подаче насоса может задаваться на пульте бурильщика по величине подачи или частоте вращения ЭД, либо по частоте напряжения, подводимого к ЭД. Сигнал задания требуемой подачи в устройстве контроля скорости У КС сравнивается с сигналом от датчика частоты ДЧ. При достижении равенства сигналов Сз.п. и Сдл. срабатывает устройство контроля скорости У КС и подается сигнал на пульт бурильщика. При получении сигнала бурильщик принимает решение о продолжении процесса бурения или о смене втулки. Г рафики изменения частоты на выходе ПЧ, а также подачи и давления насоса приведены на рисунке 2.3.

Перед началом бурения бурильщиком устанавливаются две уставки: максимальное давление рмакс. для втулки наибольшего диаметра задатчиком ЗД и минимальная подача для этой втулки QMин. задатчиком ЗП. Бурение начинается при частоте питающего напряжения на выходе преобразователя частоты /= 50 Гц. Подача насоса QHm. при этом определяется параметрами БН. По мере углубления скважины давление растет, а, следовательно, растет и сигнал от датчика давления ДД. В некоторый момент времени t достигается равенство сигналов (/З.д. и Uо.с.д. от датчика давления и от задатчика давления.

Начиная с этого момента, автоматически начинается снижение величины питающего напряжения и его частоты на выходе ПЧ. Это приводит к снижению скорости вращения ЭД и, как следствие, к снижению подачи. Если регулирование частоты и напряжения производится при постоянном моменте, то снижение подачи насоса происходит при постоянстве развиваемого давления. В некоторый момент времени С подача насоса снижается до значения уставки по подаче. При этом имеет место равенство сигналов задания подачи U2 n с пульта бурильщика и сигнала ?/д.ч. от датчика частоты (рисунок 2.2). Происходит срабатывание устройства контроля скорости У КС и подается сигнал на пульт бурильщика о том, что подача достигла заданного значения.

Диаграммы изменения частоты, подачи и давления

Рисунок 2.3 - Диаграммы изменения частоты, подачи и давления

Для более точного измерения подачи насоса на выходном патрубке совместно с датчиком давления может быть установлен датчик расхода. Тогда сигнал на устройство сравнения У КС должен поступать от упомянутого датчика [92, 93].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >