ГЕЙМУР В.О., УСТИНОВ С.О., ХАСАНОВ Р.М.
СТРУКТУРА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ВЕРХНЕГО ПРИВОДА ДЛЯ
ПРОГРАММНОЙ СИМУЛЯЦИИ РАБОТЫ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ
Геймур В.О., магистрант, Vladimir.Geymur@bentec.com
Устинов С.О., магистрант, Sergey.Ustinov@bentec.com
Хасанов Р.М., магистрант, Renat.Khasanov@bentec.com
г. Тюмень, Тюменский индустриальный университет
Аннотация.
В настоящее время буровые установки становятся все более
автоматизированными, следовательно, оборудование, используемое при строительстве
скважин, постоянно совершенствуется и усложняется. Одним из самых современных
механизмов буровой установки является система верхнего привода, которая
обеспечивает выполнение целого ряда первоочередных функций и сложных
технологических операций в процессе бурения нефтяных и газовых скважин. Так как
данное оборудование является достаточно сложным, для облегчения работы с ним
предлагается создание обучающего режима в рамках штатного интерфейса АРМ
персонала буровой установки. Для решения этой задачи в первую очередь необходимо
разработать структуру модели системы верхнего привода.
Ключевые слова:
буровая установка, система верхнего привода, модель, программная
симуляция
Оптимизация процесса строительства скважин, в частности бурения,
требует рационального, комплексного подхода, позволяющего снизить
капитальные затраты на строительство скважин. Необходимо обеспечить
выбор лучших типов долот и оптимальных режимных параметров бурения,
оптимизировать конструкцию шарошек, обеспечить надежную передачу
информации с забоя на устье скважины, примененить принципы
адаптивных систем управления, модернизировать буровое оборудование.
Успешное решение данных задач возможно путем организации
автоматического или автоматизированного управления подсистем
идентификации, оптимизации и адаптации, а также при выявлении
закономерностей в процессе бурения на основе уточнения его моделей.
Вариантом применения таких моделей может быть обучающая программа
для буровой бригады, симулирующая процесс бурения [1]. Актуальность
создания данного симулятора работы буровой установки была рассмотрена
в статье «Программная симуляция работы буровой установки». Целью же
данной статьи является определение структуры модели системы верхнего
привода как части модели буровой установки.
Буровая установка - это технически сложный производственный
объект, включающий в себя множество механизмов и технологических
установок. Одним из самых крупных узлов современной буровой
установки является система верхнего привода.
25
В настоящее время системы верхнего привода буровых установок
получают повсеместное распространение в общемировой практике. Данная
система по своей сути представляет собой подвижную разновидность
вращателя, совмещающую функции вертлюга и ротора. Это означает, что в
первую очередь система верхнего привода способствует непрерывному
вращению бурильной колонны в ходе процесса бурения скважин. Система
также оснащена комплексом средств для работы с бурильными трубами
при выполнении спуско-подъёмных операций.
Для построения модели системы верхнего привода необходимо
разбить эту систему на компоненты (Рис.1). Такими компонентами
являются преобразователь частоты главного двигателя, главный двигатель,
редуктор и вспомогательные гидравлические механизмы.
Рис. 1. Структурная схема системы верхнего привода
Почти все гидравлические механизмы системы верхнего привода
действуют по принципу «включено/выключено» или «открыт/закрыт»,
например, гидравлический тормоз, шаровый кран, трубный зажим.
Поэтому данные механизмы в модели будут иметь только 2 состояния. И
только отклонитель штроп и трубный манипулятор в качестве своей
модели будут иметь уравнения равномерного движения, так как они
просто двигаются с определенной скоростью в определенном диапазоне.
Механический редуктор представляет собой устройство, которое
способно преобразовывать крутящий момент между двигателем и
исполнительным механизмом. Существует несколько видов механических
редукторов: одноступенчатый и многоступенчатый [2]. В системе верхнего
привода редуктор преобразует высокую скорость вращения главного
двигателя в более низкую и пропорционально увеличивает крутящий
момент на выходном валу. Используется двухступенчатый редуктор с
косыми зубьями и передаточным числом 14:1. Это означает, что крутящий
26
момент, создаваемый главным двигателем, при помощи редктора
увеличивается в 14 раз.
В качестве главного двигателя используется асинхронный двигатель
с короткозамкнутым ротором. Данный тип двигателя отличается простотой
конструкции,
простотой
эксплуатации,
высокой
надежностью,
способностью к перегрузкам. В отличие от двигателей постоянного тока, у
асинхронного двигателя отсутствует щеточно-коллекторный узел,
имеющий ограниченный срок службы и требующий постоянной замены
щеток. Он также лишен недостатков синхронных двигателей, к которым
относятся выпадение из синхронизма при перегрузке и сложность системы
управления [3].
К недостаткам асинхронных двигателей с короткозамкнутым
ротором можно отнести большой пусковой ток при сравнительно
небольшом пусковом моменте, а также ступенчатый диапазон
регулирования частоты вращения (изменением числа пар полюсов).
Однако эти недостатки можно исключить путем использования частотных
преобразователей, которые в последнее время становятся все более
доступными благодаря развитию полупроводниковых технологий.
Полупроводниковые преобразователи частоты состоят из силовой
части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления
на базе микроконтроллеров. Различают преобразователи частоты с
непосредственной связью с питающей сетью и устройства с
промежуточным звеном постоянного тока [4]. В системе верхнего привода
используются последние, так как непосредственные преобразователи
частоты не способны давать на выходе частоту, большую, чем в сети, что
делает ограниченным их применение.
Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного
тока состоят из следующих основных блоков:
–
Выпрямителя, который может быть построен на диодах и на
тиристорах. В рассматриваемой системе используется диодный
выпрямитель, так как он отличается высоким качеством постоянного
напряжения с практически полным отсутствием пульсации, низкой
стоимостью и надежностью.
–
Фильтра (в данном случае емкостного) для сглаживания пульсаций
напряжения.
–
Инвертора, состоящего из шести IGBT-транзисторов и
микроконтроллера, управляющего их открытием и закрытием для
формирования выходной синусоиды с требуемыми для управления
двигателем значениями частоты и напряжения.
Так как существуют разнообразные математические модели
рассмотренных элементов, дальнейшим направлением работы является
выбор оптимальных, наиболее полным образом описывающих физику
работы системы верхнего привода.
27
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Программная симуляция работы буровой установки / В. О. Геймур
[
и др.] // Новые технологии – нефтегазовому региону: материалы
Международной научно-практической конференции. – Тюмень, 2018. – С.
165-167.
2. Механический редуктор [Электронный ресурс] // Промышленный
каталог статей МФЗ. – Режим доступа: https://www.12821-
80.ru/articles/a5622.
3.
Ягопольский, А. Г. Особенности применения современных
электроприводов в оборудовании прокатных комплексов [Электронный
ресурс] / А. Г. Ягопольский // Современные проблемы науки и
образования. – 2015. – № 2. – Режим доступа: https://www.science-
education.ru/article/view?id=20309.
4.
Преобразователи частоты [Электронный ресурс] // Danfoss Drives.
–
Режим доступа: http://drives.ru/stati/chastotnye-preobrazovateli/.
Научный руководитель: Козлов В.В., канд. техн. наук, доцент
УДК 681.5
Do'stlaringiz bilan baham: |