Разработка системы электропривода лебёдки буровой установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

Кафедра «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: «РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЛЕБЁДКИ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ»

по курсу: «Моделирование в системах электропривода»

Разработчик: Вертинский А.А.

Руководитель: Лысова О.А.

Тюмень, 2015

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Целью данной курсового проекта является разработка электрического привода для лебедки буровой установки. Выбор рабочего механизма. Качественный выбор электрического привода на основании предоставленных требований к электрическому приводу. Разработка замкнутой и разомкнутой схем. Построение схем моделей разомкнутой и замкнутой схем в среде MatLab Simulink.

Краткие технические характеристики буровой лебедки ЛБУ-1100-ЭТ-З

РЕФЕРАТ

Всего курсовой проект включает в себя пояснительную записку и графические материалы в объеме 43 страниц, 15 иллюстраций. 3 таблиц. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД, ЛЕБЕДКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, ОПТИМИЗАЦИЯ, РАЗРАБОТКА, СХЕМА, ИССЛЕДОВАНИЕ, РЕЖИМ РАБОТЫ, ЗАМКНУТАЯ, РАЗОМКНУТАЯ, НАГРЕВ, ТАХОГРАММА, СТАТИЧЕСКИЙ, ДИНАМИЧЕСКИЙ, НАГРУЗОЧНАЯ ДИАГРАММА.

Данная курсовая работа содержит краткое описание технологического процесса буровой лебедки. Качественный и количественный выбор электрического привода для буровой лебедки. Разработанные разомкнутую и замкнутую схемы и модели этих схем.

Список используемых терминов: ЛБУ- лебедка буровой установки, ЭТ- электрический привод и торможение, БУ- буровая установка, СУ- система управления, САУ- система автоматического управления, САР- система автоматического регулирования, ЭП- электрический привод, ТП - тиристорный преобразователь, ДПТ - двигатель постоянного тока.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ВЫБОР ОСНОВНОГО СИЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

1.2 ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА

1.3 КАЧЕСТВЕННЫЙ ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА

1.4 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА

1.5 ПРОВЕРКА ПО НАГРЕВУ

1.6 ВЫБОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

2.1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЭП

2.2 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

3.1 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ

3.2 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Буровые лебёдки являются основными исполнительными механизмами для подъёма-спуска бурильной колонны, удержания её навесу или медленного опускания при подаче долота на забой в процессе бурения, спуска обсадных колонн и других работ. В основном, все современные буровые лебедки выполняются по одной и той же модели, поэтому все они имеют в основном одинаковые как преимущества, так и недостатки. Так как в настоящее время около 70% энергетической потребности в мире покрывается за счет нефти и газа, то и потребность в качественном и надежном нефтедобывающем оборудовании растет. В условиях крайнего севера любая техника переносит сильнейшие перегрузки в связи с суровым климатом, следствием являются высокая частота выхода оборудования из строя, но в труднодоступные места новое оборудование доставить очень сложно, в следствии чего компании несут огромные убытки в связи с простоем. Поэтому качество бурового оборудования и его надежность должны быть на высоте. Буровая лебедка как один из основных механизмов буровой установки, без которого бурение невозможно обязана удовлетворять всем предъявленным к ней требованиям без исключения. В условиях сурового климата есть множество вариантов выхода буровой лебедки из строя, такие как обрыв талевого каната, выход из строя электрического привода, цепных колес, тормозных шкивов барабана, антифрикционных втулок, роликоподшипников, кулачковых муфт, шинно-пневматических муфт ПМ-500, ПМ-700. Но Несмотря на резкое различие лебедок, многие применяемые в них узлы совершенно одинаковы и взаимозаменяемы либо конструктивно одинаковы я различаются только размерами.Это значительно облегчает изготовление и ремонт лебедок, обслуживание их, а также обеспечение запасными частями. Работа буровой лебедки целиком зависит так же от ее электрического привода. Качественно выбранный электрический привод для буровой лебедки это основная задача при разработке привода так как без него лебедка попросту не будет работать или неправильный расчет приведет к необоснованным затратам и нецелесообразности процесса. Современные электрические приводы не полностью удовлетворяют качеству и надежности работы, следовательно требуется оптимизация современных двигателей и механизмов. Целью курсового проекта является разработка качественного электрического привода.

А так же оптимизация разработанного электрического привода с целью повышения его целесообразности относительно требований предъявленный к нему.

1. ВЫБОР ОСНОВНОГО СИЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Буровая лебедка является основным агрегатом спуско-подъемного комплекса буровой установки. Она предназначена для создания тягового или тормозного усилия в ведущей ветви талевого каната. Лебедка необходима для подъема и спуска бурильной колонны, ненагруженного элеватора, спуска обсадных колонн, удержания на весу неподвижной колонны или медленного опускания при подаче долота на забой в процессе бурения или расширения скважины. Катушечный вали пневмораскрепитель лебедки часто используют для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурильных и обсадных труб. Лебедка применяется для подтаскивания и подъема труб, грунтоносок и других грузов, а также при монтаже буровых вышек и оборудования на них. Лебедки монтируют на уровне пола буровой или под полом. Каждый из способов имеет свои преимущества или недостатки[6]. Буровая лебедка состоит из жесткой сварной металлической рамы, на которой смонтированы на подшипниках качения подъемный вал с барабаном для навивки талевого каната, катушечный и трансмиссионный валы. Бурильная колонны из скважины поднимается при больших затратах мощности, а спускается под действием собственного веса. Поэтому лебедки должны иметь достаточно мощный привод и надежную тормозную систему для поглощения энергии спуска колонн[6]. С целью обеспечения высокого коэффициента использования мощности привода лебедки должны быть многоскоростными[6]. Для подъема ненагруженного элеватора лебедки должны иметь независимую повышенную скорость. Поочередное включение одной из этих передач производится с помощью оперативных фрикционных муфт, которыми управляют с пульта бурильщика. В процессе подъема колонн переменной массы скорости в коробке передач переключаются периодически. Лебедки оснащены основным и вспомогательным тормозов в качестве основной тормозной системы применяются механические спаренные ленточные тормоза. Тормозные шкивы основной тормозной системы соединены непосредственно с барабаном подъемного валаВалы соединяются кулачковыми муфтами[6]. Вспомогательные тормоза могут быть гидравлическими или электрическими.

Буровые лебёдки серии "ЭТ" (электрический привод и торможение электродвигателем), по сравнению с традиционными лебёдками с цепными передачами, имеют следующие преимущества.

1. Упрощенная конструкция:

- цепные передачи;

- шинно-пневматические муфты;

- вспомогательный тормоз (электромагнитный, электрический индуктивный, гидродинамический);

- ленточный тормоз;

- рукоятка управления тормозом.

2. Лебёдки имеют уменьшенные габаритные размеры, а их масса меньше на 20...30 % по сравнению с лебёдками с цепными передачами.

3. Лебёдки имеют идеальную подъёмную характеристику, регулирование скорости подъёма и спуска осуществляется на 100 %.

4. Привод регулируемый. Электродвигатель (электродвигатели) главного привод может быть как постоянного, так и переменного тока. Электродвигатель лебёдки может использоваться в режимах:

- приводного электродвигателя, при подъёме бурильной колонны;

- тормозной машины, при спуске бурильной колонны;

- регулятора подачи долота, при бурении.

5. В зубчатой трансмиссии применены высококачественные стали, зубья имеют специальное упрочнение с применением новых технологий.

6. Лебедки имеют дисковые тормоза с системой аварийного торможения, роль которых заключается в фиксации груза при статическом положении талевого блока и затормаживании при срабатывании блокировок.

7. Бесконтактные уплотнения валов исключают протекание масла наружу и проникновение пыли и влаги во внутрь трансмиссии.

8. Переключение передач в зубчатой трансмиссии с "быстрой" на "тихую" производится редко вследствие того, что работа с бурильной колонной практически всегда обеспечивается на "быстрой" передаче.

Все лебёдки имеют одинаковое конструкторское решение и подобные кинематические схемы. Кинематическая схема лебедки представлена на рис.1.1.

Рис. 1.1. Кинематическая схема лебедки ЛБУ-1100ЭТ-3

1.2 ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА БУРОВЫХ ЛЕБЕДОК

Требования к приводу буровой лебедки обусловлены ее функциональным назначением и технологическими особенностями работы в составе спуско-подъемного агрегата. Таким образом электрический привод буровой лебедки должен:

1. Обеспечение повторно-кратковременного режима работы, так как колонна бурильных труб перемещается дискретно на длину одной свечи.

2. Регулирование скорости при изменении количества свечей в колонне бурильных труб выполняется при постоянной мощности.

3. Диапазон регулирования скорости широкий - до 20 к 1 (максимальная скорость в 20 раз больше минимальной). Установившаяся скорость колонны номинальной массы определяется из условия отбора от двигателя номинальной мощности, примерно 0.4 метра в секунду.

4. Необходимо ограничивать скорость перемещения колонны бцрильных труб исходя из ее массы. Спуск колонны осуществляется за счет собственной массы , при этом двигатель работает в режиме рекуперации.

5. Для увеличения производительности спуско - подъемных операций при малых перегрузках двигатель должен иметь систему реверса.

6. Электропривод должен быть реверсивным с точки зрения мощности.

7. Система электрического привода должна обеспечивать перегрузку в пределах 1.8-2.2 по моменту для обеспечения интенсивного разгона.

8. Жесткость механических характеристик должна быть такой, чтобы статическое падение скорости не превышало 5-8% от номинальной. При этом должна быть возможность резкого снижения жесткости характеристики.

9. Система электрического привода должна обеспечивать остановку крюка талевой системы с точностью (30-40)мм, что необходимо для исключения ударов свечи о колонну бурильных труб и правильного позиционирования ключа, свинчивающего и развинчивающего колонну.

10. Электрический привод буровой лебедки целесообразно выполнять двух скоростным с возможностью регулирования скорости на каждой ступени, при этом скорость первой ступени является рабочей, а второй вспомогательной, необходимой для ликвидации аварий.

Структура условного обозначения лебедки: ЛБУ- лебедка буровой установки, 1100 - номинальная мощность на входе в лебедку, ЭТ - электрический привод и торможение электродвигателем, З - категория размещения.[6]

Таблица 1.1 Краткие технические характеристики буровой лебедки ЛБУ-1100-ЭТ-З

1.3 КАЧЕСТВЕННЫЙ ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА ЛЕБЕДКИ

При наличии уменьшающегося момента статического сопротивления на валу двигателя некоторой мощности ё наибольшая производительность лебедки (без учета времени переходных процессов) может быть достигнута, если по мере подъема труб скорость подъема увеличивается, т.е. если выполняется условие (5)[1]:

; (1.1)

где M_с -- момент сопротивления на валу барабана лебедки; w₆ - угловая скорость барабана лебедки; з - КПД передач от двигателя к барабану лебедки. Электропривод постоянного тока для лебедок буровых установок весьма перспективен при использовании надежных и дешевых мощных тиристорных преобразователей, отвечающих т ребованиям электропривода буровых установок. Для предварительного определения требуемой мощности (кВт) двигателя наиболее простой является формула (6)[1]:

1.2)

где Qн - номинальная грузоподъемность на крюке, кН; Vкр- установившаяся скорость подъема крюка с номинальной нагрузкой, соответствующая оптимальному значению мощности, м/с; _пу = 0,7-5-0,8 - КПД подъемной установки от вала двигателя до крюка при номинальной грузоподъемности; k_п = 1,3-5-1,45 - коэффициент возможной перегрузки двигателей[1]. На основании вышеизложенного воспользуемся методом выбора двигателя по мощности.

1.4 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА

Величина статического момента на валу барабана при подьеме бурильной колонны определяется формулой (1.3)[1]:

1.3)

где - момент на валу барабана, кН-м;

- коэффициент потери массы при погружении колонны в буровой раствор;

G- номинальная масса колонны в воздухе, кН;

- диаметр барабана буровой лебедки, м;

-передаточное отношение и коэффициент полезного действия талевой системы;

= 0,85 -- коэффициент, учитывающий трение колонны о стенки скважины.

1.4)

Угловая скорость вращения барабана связана со скоростью движения колонны соотношением (1.5)[1]:

1.5)

где -угловая скорость вращения барабана, рад/с;

установившаяся скорость подьема бурильной колонны, м/с.

1.6)

Приведение скорости статического момента и момента инерции к валу двигателя осуществляется по формулам (1.7),(1.8),(1.9):

1.7)

1.8)

1.9)

где - угловая скорость вращения вала электродвигателя, рад/с;

-передаточное число редуктора;

-момент статического сопротивления, приведенный к валу двигателя, кН*м

-коэффициент полезного действия редуктора;

-приведенный суммарный момент инерции, кг*

-моменты инерции двигателя и барабана соответственно;

- ускорение свободного падения.

 1.10)

1.11)

1.12)

Мощность двигателя Р определяется по формуле (1.10):

; (1.13)

;

По данным расчета из каталога [10] был выбран двигатель 4ПС-450-1000 УХЛ2, технические характеристики двигателя представлены в табл. 1.3.

Структура условного обозначения двигателя: 4-порядковый номер серии, П - двигатель постоянного тока; С - специальный для наземных буровых установок (для морских установок вместо С вводится М); 450 - габарит по ЕСКД; далее указывается номинальная мощность, климатическое исполнение и категория размещения УХЛ - объединение умеренного и холодного макроклиматических районов2 - эксплуатация под навесом (защита от вертикальных струй воды, допускается обрызгивание, попадание пыли, снега)[7].

Таблица 1.3 Технологические характеристики двигателя 4ПС-450-1000 УХЛ 2 [10]

1.5 ПРОВЕРКА ПО НАГРЕВУ

Поскольку двигатель представленный в п.1.4 табл.1.3, работает в повторно - кратковременном режиме, следует провести проверку двигателя по нагреву. Для этого строится нагрузочная диаграмма и тахограмма выбранного двигателя.

; 1.14)

; 1.15)

где - момент статического сопротивления, приведенный к валу двигателя;

- динамический момент двигателя;

- суммарный момент инерции привода, приведенный к валу двигателя;

- момент инерции электродвигателя;

- приведенные к валу электродвигателя моменты инерции механизма.

1.16)

Так как при расчетах ускорение двигателя считается постоянным, то от бесконечно малых приращений можно перейти к конечным и тогда запишется как

1.17)

где - статическая (установившаяся скорость двигателя);

- время разгона или торможения.

Рассчитаем установившуюся скорость двигателя, имею ввиду то, что двигатель работает в повторно-кратковременном режиме

1.18)

где i-передаточное число редуктора;