Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) электрифицированные буровые установки (с электрическим приводом основных исполнительных механизмов) при бурении на глубину более 4500 м и в сложных геологических условиях на меньшую глубину, а также буровые установки на море относятся к потребителям первой категории.
Буровые установки при бурении до 4500 м в неосложненных геологических условиях относятся к потребителям второй категории.
Несмотря на многообразие структурных схем буровых установок, предопределенное широким спектром требований к глубинам бурения (только по этому параметру ГОСТ 16293-89 различает 11 классов), назначению и условиям эксплуатации, их число может быть ограничено типовыми структурами электротехнических комплексов (ЭТК), применение которых на установках различных исполнений сводится в основном к количественному изменению параметров используемого электрооборудования.
Типовая структура электропривода постоянного тока для буровых установок всех классов, как с централизованным, так и с автономным электроснабжением, изображенная на рис. 1, ориентирована на применение глубоко регулируемых электроприводов главных механизмов на базе электродвигателей постоянного тока и силовых тиристорных преобразователей, а также на унификацию электроснабжения. Буровая установка питается от сетей энергосистемы или группы дизель-генераторов переменного тока, число которых определяется единичной мощностью дизель-генераторов и суммарной единовременной мощностью исполнительных механизмов при наличии необходимого резерва. При схеме автономного электроснабжения высокого напряжения, как и при питании от энергосистемы, между общими шинами и преобразователем устанавливается соответствующий понижающий трансформатор, поэтому с точки зрения построения структуры уровень первичного напряжения не имеет принципиального значения.
Мощность дизель-генераторов суммируется на общих шинах распределительного устройства. Здесь же установлены выключатели для подсоединения тиристорных преобразователей главных электроприводов и вспомогательных электропотребителей. Набор переключателей или контакторов, обеспечивающих различные рабочие варианты схемы подключения главных электропотребителей к тиристорным преобразователям (на стороне постоянного тока), представляет собой обычно отдельное комплектное устройство. Для любого электродвигателя главных приводов система электроснабжения предусматривает наличие резервного тиристорного источника питания.
При применении низкого (400 или 690 В) напряжения дизель-генератора энергетический блок в неэлектрифицированных районах представляет набор дизель-генераторов, а в электрифицированных - набор ячеек комплектного распределительного устройства (КРУ) и трансформаторов, понижающих напряжение сети до необходимого уровня.
В связи с увеличением глубин бурения возникла необходимость повышения мощности главных электроприводов буровых установок. Однако для принятого в настоящее время уровня напряжения питания 380 В (выпрямленное напряжение постоянного тока 440 В) предельная мощность электродвигателей постоянного тока, выпускаемых в РФ, составляет не более 600 кВт.
Рис. 1. Типовая схема электротехнического комплекса буровой установки с электроприводами постоянного тока исполнительных механизмов:
Д - дизель; G - генератор переменного тока; ФКУ - фильтрокомпенсирующее устройство; КРУ - комплектное распределительное устройство высокого напряжения; TV - силовые понижающие трансформаторы; ТП -силовые тиристорные преобразователи; А1 - комплектное устройство с силовыми переключателями постоянного тока; МЛ, МН, МР, МП - электродвигатели соответственно буровой лебедки, бурового насоса, ротора и регулятора подачи долота; ТВ - тиристорные возбудители; А2 - шкаф управления электроприводами вспомогательных механизмов
Рис. 2. Однолинейная схема электроснабжения буровой установки БУ-3900/225-ЭПК БМ:
КРУ1, КРУ2 — комплектное распределительное устройство КРУЭ-6(10)У2В; АСДА — дизель-электрическая станция для питания вспомогательных приводов АСДА-200, 200 кВт, 400 В, 50 Гц; ФКУ1, ФКУ2 — фильтро-компенсирующее устройство; ТРСЗП — силовой трансформатор 1600 кВА, 6/0,69 кВ; ТМБ-630 — силовой трансформатор ТМБ-630, 630 кВА, 6/0,4 кВ; ШВГ — шкаф ввода питающего напряжения (главный); ШВВ — шкаф ввода питающего напряжения (вспомогательный); ПВ — панель ввода переменного тока; КУ — комплектное устройство КУ-БУ-3900/225; ГРШ — групповой распределительный шкаф; ШУЛ — шкаф управления лебедкой; ШУР — шкаф управления ротором; ШУН1, ШУН2 — шкафы управления насосом; ШУТ — шкаф управления электромагнитным тормозом; ШУП — шкаф управления регулятором подачи долота; ЭМТ — индукционный электромагнитный тормоз; МЛ — электродвигатель привода лебедки, 750 кВт, 800 В; МР — электродвигатель привода ротора, 630 кВт, 800 В; МН1, МН2 — электродвигатель привода бурового насоса, 750 кВт, 800 В; МП — электродвигатель подачи долота, 65 кВт, 440 В; QS1, QS2, QS3 — переключатели
Для дальнейшего увеличения мощности приводных электродвигателей потребовался переход на повышенное напряжение питания 660 В (выпрямленное напряжение 800 В). На базе электрооборудования для буровых установок, созданного ранее ОАО «Электропривод» и ОАО «Электросила», был разработан и изготовлен комплект электрооборудования буровой установки с питанием от электрической сети БУ-3900/225 — ЭПК БМ. Однолинейная схема электрооборудования с питанием главных электроприводов повышенным напряжением изображена на рис. 2.
Для всех главных механизмов используется унифицированный электродвигатель постоянного тока мощностью 750 кВт, выбор которого произведен на основании тщательного технико-экономического анализа. Повышение напряжения позволило повысить мощность главных электроприводов с сохранением и даже некоторым уменьшением габаритов и массы комплектных устройств, а также массы кабелей.
В процессе разработки электротехнического комплекса БУ-3900/225 — ЭПК БМ был использован ряд оригинальных технических решений, позволяющих получить повышенные технические и энергетические характеристики систем электропривода. Основой явилось рациональное использование зоны регулирования скорости электропривода от номинального до максимального значения с помощью ослабления магнитного потока двигателя.
В частности, передаточные отношения коробки передач буровой лебедки и механические характеристики электропривода выбраны таким образом, что в общей характеристике буровой лебедки отсутствуют «провалы», а в точке наибольшей рабочей нагрузки электродвигатель и тиристорный преобразователь работают при номинальном напряжении.
Аналогичные решения приняты для электроприводов буровых насосов и ротора. В результате достигнуты наилучшие энергетические показатели электропривода и минимизированы массогабаритные характеристики фильтро-компенсирующих устройств (на электрических БУ) и оптимальные режимы работы дизель-электростанций (на автономных буровых установок).
Из типовой схемы, изображенной на рис. 2, видно, что на электрических и дизель-электрических буровых установок может быть использовано одинаковое электрооборудование всех буровых механизмов; различие состоит лишь в том, что в первом случае используются понижающие трансформаторы и соответствующие комплектные распределительные устройства, а во втором — дизель-электростанция на напряжение 660 В.
Для буровой лебедки применен новый электромагнитный тормоз индукционного типа ТЭИ-710-45, обладающий более высокой теплорассеивающей способностью по сравнению с ранее применяемым ферропорошковым тормозом ТЭП-45, что позволило повысить скорость спуска КБТ.
На рис. 3 изображена структура электротехнического комплекса буровой установки с частотно-регулируемыми электроприводами исполнительных механизмов. Работы по созданию буровых установок с частотно-регулируемыми электроприводами находятся в России в стадии исследовательских работ.
С 1998 г. компанией АВВ налажен выпуск системы многодвигательных асинхронных частотно-регулируемых электроприводов под фирменным обозначением ASC 600 Multe Drive. Структура многодвигательного электропривода с общим звеном постоянного тока изображена на рис. 4.
Рис. 3. Структура электротехнического комплекса буровой установки с частотно-регулируемыми электроприводами исполнительных механизмов:
G — генераторы постоянного тока или переменного тока; ПЧ — преобразователи частоты; остальные обозначения см. на рис. 6.10
Частотно-регулируемые электроприводы исполнительных механизмов буровых установок нашли широкое применение на технологических установках, ведущих эксплуатацию месторождений углеводородного сырья в акватории Северного моря.
Корпорацией Триол (г. Москва) разработаны частотно-регулируемые электроприводы Триол АТ08, предназначенные для управления технологическими установками, приводом которых служат асинхронные электродвигатели с напряжением 660 В. Ряд АТ08 содержит 6 типоисполнений приводов мощностью 132, 160, 200, 250, 320, 450 кВт. Электроприводы обеспечивают следующие режимы работы исполнительных механизмов:
плавный частотный пуск;
длительный режим работы в заданном диапазоне регулирования скорости;
автоматическое регулирование скорости и других параметров;
рекуперативное, динамическое торможение и останов; реверсирование;
защиту электрического и механического оборудования.
Рис. 4. Структура многодвигательного электропривода Multy Drive с общим звеном постоянного тока:
1 — шкаф источников питания собственных нужд; 2 — шкаф ввода с разъединителем и предохранителями; 3 — шкаф силового выпрямителя (на диодах или тиристорах) преобразователя многодвигательного электропривода; 4 — шкафы модулей инверторов преобразователей многодвигательного электропривода; 5 — шкаф системы управления многодвигательного электропривода; 6— система управления инвертором индивидуального электропривода; 7 — контроллер управления технологическим процессом; 8 — промышленный интерфейс; 9 — электродвигатели исполнительных механизмов; 10— аппараты коммутации и защиты инвертора; 11— пульт управления и контроля параметров индивидуального электропривода; 12— устройство контроля параметров технологического процесса; 13— рабочее место оператора
Электроприводы АТ08 могут быть использованы для буровых установок.
Основные параметры и характеристики АТОв
Питающая сеть.............................................. 3x660 В, +10 %, - 15 %, 50(60) Гц
Выходное напряжение................................ 3x(0...660 В)±2 %
Выходная частота.......................................... 0...50(100) Гц±0,05 %
Тип перегрузки............................................. 150 % номинального значения в течение 60 с
КПД, не менее............................................... 0,97 (без двигателя)
Коэффициент мощности (сети), не ниже....................................................................... 0,95
Электропривод сохраняет работоспособное состояние при кратковременных отклонениях напряжения питающей сети на 40 %. Климатическое исполнение УХЛ4 либо УХЛ3. Степень защиты IP21 или IP54 (в зависимости от типа).
В состав электропривода АТ08 входят:
шкаф электропривода с силовым преобразователем частоты, системой управления, защиты и сигнализации; пульт дистанционного управления;
блок выходного фильтра ограничения напряжения на двигателе;
блок тормозного резистора.
В преобразователях частоты и других устройств использованы диодно-тиристорные и транзисторные IGBT-модули на напряжение 1700, 1800 В. Управление электроприводом осуществляется с помощью микроконтроллера.