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

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