авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Совершенствование, исследование и диагностирование систем управления асинхронного частотно-регулируемого электропривода механизмов буровой установки

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Бабкин Евгений Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ И

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

АСИНХРОННОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕХАНИЗМОВ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2010

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Осипов Олег Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

нов Г.М.ИВАНОВ Гелий Ми ха Микитченко Анатолий Яковлевич

- кандидат технических наук

Борисович Безаев Владимир Григорьевич

Ведущее предприятие - ГОУ ВПО Российский государственный

университет нефти и газа

имени И.М. Губкина

Защита диссертации состоится «19» ноября 2010 года в аудитории М-611 в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 Московского энергетического института (технического университета) по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корпус М..

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью), просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан «18» октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

канд. техн. наук, доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. 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). Эти установки отличаются технической сложностью и высокой себестоимостью. Их закупка и ввод в эксплуатацию для большинства отечественных производителей являются проблематичными с экономической точки зрения задачами. 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 их технических и энергетических возможностей.

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. Это касается и аппаратно-программных средств реализации интерфейса «человек – машина» и технического диагностирования состояния электроприводов БУ.

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 асинхронных электродвигателей и механических характеристик АЭП главных механизмов БУ;

- разработки алгоритмов рационального согласования и выбора мощности 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 алгоритмов и 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 состояния асинхронного частотно-регулируемого электропривода главных механизмов БУ;

- 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.

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 способ 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 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. 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 режимов работы электроприводов главных механизмов БУ обоснованы типовые диаграммы изменений их нагрузок в функции скорости движения и времени работы механизмов.

2. Предложена методика и дан пример выбора мощности приводных асинхронных двигателей автоматизированных электроприводов главных механизмов БУ.

3. Технически реализованы системы 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 талевого 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 определена суммарная потребляемая 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.

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.

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» (МЭИ, г. Москва, 2006, 2009, 2010 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе представлен полный состав электротехнического комплекса БУ. Для главных механизмов БУ дан анализ технологических режимов и требований к их автоматизированным электроприводам АЭП. На основе кинематических схем и технологических режимов работы электроприводов БУ обоснованы типовые диаграммы изменений их нагрузок в функции скорости движения и времени работы механизмов БУ, определены мощности приводных двигателей и целесообразные механические характеристики асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов.

На примере БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ дан анализ применения различного типоисполнения асинхронных электродвигателей для приводов лебедки, буровых насосов, ротора, регулятора подачи долота (РПД). 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 (рис.1), обеспечивающий наиболее рациональное и эффективное согласование с мощностью насоса.

Рис.1. Алгоритм согласования мощности электродвигателя бурового насоса



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.