СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДАМИ ГЛАВНЫХ МЕХАНИЗМОВ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к области электроэнергетических систем, используемых в оборудовании буровых установок, точнее - к автоматизированному частотно-регулируемому приводу буровых установок.
Известна система управления приводами главных механизмов буровой установки, сведения о которой выложены на веб-странице: http://leg.co.ua/knigi/oborudovanie/sistemy-elektroprivodov-ispolnitelnyh-mehanizmov-burovyh-ustanovok (выбрана в качестве ближайшего аналога). Данная система содержит: преобразователи частоты приводов главных (исполнительных) механизмов буровой установки с промежуточным звеном постоянного тока на основе автономных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией с диодным выпрямителем и общими шинами постоянного тока. Электродвигатели главных механизмов управляются через инверторы микропроцессорами, объединенными с блоком управления в информационную сеть. Блок управления выполнен с устройством ввода-вывода, данный блок управления способен: получать сигнал с выходов микропроцессоров о состоянии электрических параметров соответствующих электродвигателей, вырабатывать управляющее воздействие для электродвигателей, передавать данные об управляющем воздействии на входы микропроцессоров. Указанные функции соответствуют заложенному в блоке управления программному обеспечению.
Данной системе присущи некоторые особенности, приводящие к отрицательному результату. Так, одной из основных задач создания буровой установки является ее компактность. Однако данное электрооборудование, представляющее собой комплекс различных средств, содержит автономные инверторы по числу электродвигателей главных механизмов. Следовательно, связь каждого автономного инвертора с соответствующим электродвигателем препятствует достижению указанного ниже технического результата.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в снижении габаритов и массы модуля управления приводами буровой установки, достижении компактного расположения электрооборудования на соответствующем модуле буровой установки за счет использования стандартных компонентов привода с сокращением автономных инверторов, приходящихся на один электродвигатель.
Поставленная задача решается тем, что система управления приводами главных механизмов буровой установки, включающая преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока на основе автономных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией с диодным выпрямителем и общими шинами постоянного тока, при этом электродвигатели главных механизмов управляются инверторами напряжения через микропроцессоры, связанные по локальной информационной сети с содержащим устройство ввода/вывода блоком управления, представляющим собой программируемый логический контроллер с функциями в соответствии с программным обеспечением: получения сигнала с выходов микропроцессоров о состоянии электрических параметров соответствующих электродвигателей, выработке управляющего воздействия для электродвигателей, передаче данных об управляющем воздействии на входы микропроцессоров. В заявляемом устройстве минимум одна пара электродвигателей, предназначенных для поочередной работы в паре, объединена в группу, в которой каждая пара электродвигателей связана с одним инвертором напряжения, при этом каждый электродвигатель из пары соединен с инвертором напряжения через соответствующий выключатель, снабженный блок-контактом, связанным с одним из входов устройства ввода/вывода для передачи сигнала о выбранном электродвигателе.
Заявляемая полезная модель может быть выполнена в соответствии со следующими вариантами.
Система управления приводами снабжена силовым блоком тормозного прерывателя с модулем сопротивления, при этом вход силового блока тормозного прерывателя соединен с общими шинами постоянного тока, а его силовой выход - с модулем сопротивления.
В системе управления приводами в качестве общего выпрямителя используется 12-ти импульсный диодный выпрямитель.
В системе управления приводами качестве приводов главных механизмов используются приводы буровой лебедки, бурового насоса, цементировочного насоса, ротора и верхнего привода (системы верхнего привода (СВП), причем две пары электродвигателей: ротора и СВП, бурового насоса и цементировочного насоса объединены в группу.
В системе управления приводами в качестве локальной информационной сети информационной сети используется сеть Ethernet.
В системе управления приводами программируемый логический контроллер содержит блок хранения данных об управляющем воздействии, при этом программируемый логический контроллер связан с модемом для установления связи системы с удаленной информационной системой.
Сущность полезной модели поясняется следующим образом.
Технология строительства буровых скважин содержит циклы, в которых используются те или иные главные механизмы, приводы которых одновременно не включаются в работу. Так, в технологическом цикле «спуско-подъемные операции» используется привод буровой лебедки, в технологическом цикле «бурение» -используются привод ротора и привод системы верхнего привода (СВП) (в зависимости от типа бурения), в то же время в указанных технологических циклах используется привод бурового насоса. Дополнительным технологическим циклом является «цементирование скважины», в нем используется привод цементировочного насоса.
В системе приводов главных механизмов буровой установки в качестве регулирующего устройства используются преобразователи частоты на основе автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией с диодным выпрямителем и общими шинами постоянного тока.
Применение общего диодного выпрямителя и соответственно общих шин постоянного тока с силовым блоком тормозного прерывателя и модулем сопротивлений создает наиболее выгодную функциональную системную конструкцию, в которой обеспечивается одно направление потока энергии - от питающей сети к шинам постоянного тока. Таким образом, данная система приводов характеризуется универсальностью, поскольку наличие диодного выпрямителя и общих шин постоянного тока с блоком тормозного прерывателя и модулем сопротивлений позволяет использовать альтернативные источники питания: линии электропередач, автономную дизельную электростанцию или, например, газотурбинная электростанция.
Использование 12-импульсного диодного выпрямителя объясняется простотой и надежностью данного типа выпрямителей, т.к. он обеспечивает оптимальную пульсацию выпрямителя напряжения и минимальное потребление электрической мощности.
Компонентами системы приводов являются также автономные инверторы напряжения.
Технологические условия работы кустовой буровой установки предполагают, что, по крайней мере, приводы двух главных механизмов буровой установки, являющиеся различными по выполняемой функции, включаются в работу поочередно, участвуя в различных технологических циклах. К таким «парным» механизмам относятся, например, ротор/система верхнего привода (СВП), буровой насос/цементировочный насос.
Данное обстоятельство позволяет объединить пары приводных электродвигателей главных механизмов в одну группу. Отличительной особенностью данной группы является управление каждой парой электродвигателей одним инвертором напряжения. В то же время, каждый из остальных электродвигателей управляется соответствующим инвертором напряжения.
В выделенную группу может входить минимум одна пара электродвигателей, например, привод ротора и привод СВП.
Таким образом, с учетом характера работы главных механизмов заявляемая система управления приводами данных механизмов содержит меньшее количество инверторных блоков по сравнению с известной схемой. Сокращение числа инверторов, приходящихся на один электродвигатель, приводит к уменьшению габаритов и массы приводного блока, влияющего на улучшение массо-габаритных характеристик всего модуля управления приводами, входящего в буровую установку.
Система управления приводами главных механизмов буровой установки содержит программируемый логический контроллер (ПЛК), выполняющий функции блока управления и связанный с микропроцессорами инверторов напряжения в локальную информационную сеть.
В заявляемой полезной модели ПЛК в соответствии с заложенным программным обеспечением способен обеспечивать прием сигнала о состоянии электрических параметров каждого электродвигателя, вырабатывать управляющее воздействие для каждого электродвигателя и передавать данные об управляющем воздействии каждому инвертору.
Для выбора соответствующего электродвигателя из пары связь инвертора с рабочим приводом осуществляется через выключатель, который может быть ручным или автоматическим.
Для передачи информации в ПЛК о выбранном для работы электродвигателе из пары каждый выключатель снабжен блок-контактом.
В качестве локальной информационной сети возможно использовать распространенную для этой цели технологию Ethernet, обеспечивающую обмен данными между микропроцессорами и ПЛК.
Оптимальный вариант использования системы управления характеризуется возможностью установления связи с удаленной информационной системой с помощью модема, связанного с ПЛК и адаптированного для стандартов GSM/GPRS и CDMA.
При обеспечении удаленного доступа происходит, по меньшей мере, передача информации, хранящейся в блоке памяти ПЛК, например, как минимум информации об управляющем воздействии на каждый электродвигатель.
На фигуре изображена функциональная схема электроприводов главных механизмов буровой установки.
Представленная схема электроприводов содержит асинхронные двигатели 1, 2, 3, 4, 5 с короткозамкнутым ротором, связанные через инверторы 6, 7, 8 напряжения с общими шинами 9 постоянного тока и общим диодным выпрямителем 10.
К электродвигателям относятся: электродвигатели 1 привода бурового насоса, электродвигатели 2 привода цементировочного насоса, электродвигатель 3 привода буровой лебедки, электродвигатель 4 привода ротора, электродвигатель 5 СВП.
Две пары электродвигателей 1-2 (буровой насос - цементировочный насос) и одна пара 4-5 (ротор и СВП) объединены в группу, при этом в каждой паре электродвигатели работают поочередно. Другая комбинация электродвигателей в одной паре невозможна.
Парные электродвигатели 1-2 и 4-5 управляются соответствующим одним инвертором 6, 8 через микропроцессоры (на чертеже не обозначены).
Для управления приводами выбраны частотные преобразователи Siemens S120.
Для обеспечения тормозного режима электродвигателей 1-5 главных механизмов заявляемая система управления приводами может быть снабжена силовым блоком 11 тормозного прерывателя с модулем 12 сопротивления, соединенного с общими шинами 9 постоянного тока. Кроме того, наличие такого блока 11 позволяет возложить в режиме бурения функции регулятора подачи долота на привод буровой лебедки.
Привнесение режима торможения электроприводом в работу главных механизмов повышает надежность работы механизмов в части уменьшения износа механических тормозов и оптимизации тормозных режимов в части контроля момента и время торможения.
Микропроцессоры каждого инвертора 6, 7, 8 объединены с блоком 13 управления в локальную информационную сеть Ethernet.
В качестве блока 13 управления выбран программируемый логический контроллер (ПЛК 13) ControlLogic (фирма Alien Bradley).
Что касается электродвигателя 3 привода буровой лебедки, то управление данным приводом осуществляется инвертором 7 через микропроцессор (на чертеже не обозначен), связанный с ПЛК 13.
Привод парных электродвигателей 1-2 и 4-5 осуществляется с использованием выключателей с блок-контактами, связанным с одним из входов устройства ввода-вывода ПЛК 13.
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом.
В технологическом цикле цементирования скважины к инвертору 6 путем перевода выключателя в соответствующее положение подключается электродвигатель 2 привода цементировочного насоса. Одновременно происходит отключение электродвигателя 1 привода бурового насоса.
В режиме роторного бурения к инвертору 8 подключается электродвигатель 5 ротора и отключается электродвигатель 4 верхнего привода (СВП).
При переключении выключателя блок-контакт обеспечивает передачу сигнала от выключателя о выбранном для работы электродвигателе 2 привода цементировочного насоса на соответствующий вход устройства ввода-вывода ПЛК 13. На основании поступившего сигнала о состоянии электрических параметров электродвигателя 2 цементировочного насоса ПЛК 13 вырабатывает управляющее воздействие в соответствии с заложенным программным обеспечением и передает данные об управляющем воздействии на вход микропроцессора инвертора 6 напряжения для управления приводом 2.
Таким же образом осуществляется управление приводом ротора и СВП.
Применение заявляемой системы управления приводами обеспечивает согласованную работу главных механизмов буровой установки за счет оптимизации функциональной схемы, в которой несколько приводов связаны с одним инвертором напряжения.