Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности
..pdfЗа рубежом, в основном в США, развитию неавтономного привода препятствует неэкономичность применения в бурении централизованного электроснабжения, являющаяся следствием частной собственности на землю. Вследствие увеличения глубин бурения скважин, широкого развития бурения на внешних и внутренних водоемах, потребности в передвижных установках и стремления к полной автоматизации процессов бурения про мышленность США обратилась к выпуску буройых установок с дизель-электрическим приводом. В последние годы 10 % изго товляемых в США буровых установок оснащаются дизельэлектрическим приводом.
Число основных и вспомогательных механизмов и их элек тровооруженность определяются классом и назначением буро вой установки. В настоящее время в нашей стране действует ГОСТ 16853—82, который регламентирует основные параметры буровых установок. Согласно этому ГОСТу предусматривается выпуск восьми классов буровых установок, однако в эксплуата ции находится много буровых установок, изготовленных в соот ветствии с более ранними стандартами. В ОСТе оговорены па раметры, определяющие производительность основных механиз мов, мощности, передаваемые на вал этих механизмов, а также характеристики буровых сооружений, вспомогательных агрега тов и др. (табл. 2).
Наглядное представление о составе и расположении обору дования в буровой установке дает рис. 2.
На основании вышки установлен ротор /, предназначенный для вращения бурильного инструмента, поддержания и вра щения колонны бурильных и обсадных труб при свинчивании и развинчивании. Для подъема и спуска бурильного инструмента и обсадных труб и передачи вращения ротору 1 используется буровая лебедка 2 с приводными двигателями 4. Она может применяться также при различных вспомогательных операциях, особенно в случае отсутствия специальной вспомогательной лебедки.
Привод ротора 1 может осуществляться через карданный вал или цепную передачу от приводного вала лебедки 2. Воз можен также индивидуальный привод ротора.
Буровые установки комплектуются автоматическим регуля тором подачи долота, исполнительный двигатель 16 которого кинематически связан с валом буровой лебедки. При эксплуа тации бывают случаи, когда вследствие отсутствия электро энергии, поломки приводных двигателей и других причин для предотвращения прихвата инструмент поднимают аварийным приводом, функции которого выполняет двигатель 16. Он по
лучает |
питание |
от двигатель-генератора 15, получающего, |
в свою |
очередь, |
питание от аварийной дизель-электростан |
ции 8. |
|
|
В привышечных сооружениях установлены два буровых на соса 12 с приводными двигателями И, обеспечивающие подачу
п
бурового раствора в скважину. Для снабжения установки сжа тым воздухом служат компрессоры с приводными двигате лями 13.
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
Технические данные нормального ряда буровых установок |
|
|||
|
Показатели |
|
Класс буровой установки |
||
|
Б У-2000 |
Б У-2500 |
Б У-3000 |
Б У-4000 |
|
|
|
||||
Условная глубина бурения при массе |
|
2500 |
3000 |
4000 |
|
бурильной колонны 30 кг/м, м |
2000 |
||||
Нагрузка на крюке, допускаемая в про |
|
|
|
|
|
цессе |
проводки и крепления сква- |
|
1400 |
1700 |
|
жины, |
кН |
1200 |
2000 |
||
Наибольшая оснастка талевой системы |
4X5 |
4X5 |
5X6 |
5X6 |
|
Наибольшая скорость подъема крюка, |
|
|
1.7 |
1.7 |
|
м/с |
|
1.8 |
1.8 |
||
Мощность на барабане лебедки, кВт |
>440 |
>550 |
>660 |
>880 |
|
Число буровых насосов |
1— 2 |
2 |
2 |
2 |
|
Приводная мощность бурового насоса, |
>600 |
>750 |
|||
кВт |
|
||||
Наибольшее давление на выходе на- |
|
25 |
|
32 |
|
coca, МПа |
|
|
|||
|
|
|
Продолжение табл. 2 |
||
|
Показатели |
|
Класс буровой установки |
||
|
БУ-5000 |
БУ-6500 |
БУ-8000 |
Б У-10 000 |
|
|
|
||||
Условная глубина бурения при массе |
5000 |
6500 |
8000 |
10 000 |
|
бурильной колонны 30 кг/м, м |
|||||
Нагрузка на крюке, допускаемая в про- |
|
|
|
|
|
цессе проводки и крепления сква- |
2500 |
3200 |
4000 |
5000 |
|
жины, |
кН |
||||
Наибольшая оснастка талевой системы |
6X7 |
6X7 |
6X7 |
7X8 |
|
Наибольшая скорость подъема крюка, |
|
|
|
|
|
м/с |
|
1,6 |
1.6 |
1,6 |
1,6 |
Мощность на барабане лебедки, кВт |
>1100 |
>1600 |
>2200 |
>2940 |
|
Число буровых насосов |
2 |
2 |
2 |
2 |
|
Приводная мощность бурового насоса, |
>950 |
>1180 |
|||
кВт |
|
||||
Наибольшее давление на выходе на- |
|
32 |
|
40 |
|
coca, МПа |
|
|
Для торможения подъемного вала буровой лебедки 2 в про цессе спуска инструмента используется вспомогательный тор моз 3 (гидравлический или электромагнитный). Вспомогатель ные механизмы буровой установки (вибросито, кран-балка, водяной насос и др.) оснащаются индивидуальным электропри водом. Для перемещения и расстановки свечей имеется автомат спуско-подъема с электрическими приводами перемещения те лежки и стрелы.
Аппаратура управления двигателями лебедки смонтирована в станциях управления 14, буровых насосов — в станциях 10,
13
а дизель-электростанции, вспомогательных механизмов и ав томатического регулятора подачи долота — в станциях 9,
6 и 5. |
Управляется буровая установка с пульта буриль |
щика |
17. |
Внепосредственной близости от буровой установки монти руется распределительное устройство (РУ) 6 кВ 7, в котором, кроме ячеек, могут быть установлены также понижающие трансформаторы.
ВСССР бурение скважин осуществляется вращательным способом, при котором долото приводится во вращение с по верхности ротором через колонну бурильных труб или с по
мощью погружных двигателей, турбобуров или электробуров. В последнем случае комплект буровой установки дополняется понижающим трансформатором и станцией управления элек тробуром.
2. ВНЕШНЕЕ И ВНУТРЕННЕЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
БУРОВЫХ УСТАНОВОК
С точки зрения надежности электроснабжения, согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), электрифици рованные буровые установки при бурении на глубину более 4500 м и в сложных геологических условиях на меньшую глу бину, а также буровые установки на море относятся к потре бителям первой категории.
Буровые установки при бурении до 4500 м в неосложнен ных геологических условиях относятся к потребителям второй категории. [
Для присоединения электрических нагрузок буровых уста новок строятся воздушные линии электропередачи напряже нием 110; 35; 6(10) кВ и понизительные трансформаторные подстанции 110/35/6; 110/6(10); 35/6(10) кВ с трансформаторами мощностью 6,3; 4 или 2,5 МВ • А (рис. 3). На месторождениях Западной Сибири применяются временные кабельные линии электропередачи, выполненные кабелем КШВГ-6 или АВПБ-6, который прокладывают по поверхности земли (болот) в лотках. Отдельные отрезки кабеля соединяют в воздушных кабельных коробках, внутри которых осуществляется «сухая» разделка концов кабеля.
Схема электроснабжения буровой |
установки выбирается |
|
в зависимости от места расположения |
и |
мощности источника |
электроэнергии, а также от типа буровой |
установки. |
Буровые установки с неавтономным приводом основных ме ханизмов (БУ-75БрЭ, «Уралмаш-125БЭ» и «Уралмаш-4Э»), предназначенные для работы в электрифицированных районах, получают питание от одной линии напряжением 6 кВ, а буровые установки БУ-5000ЭУ и БУ-6500Э — от двух ЛЭП 6 кВ. Для распределения электроэнергии на этих установках используются унифицированные распределительные устройства высокого на
14
пряжения типа КРНБ-6У, состоящие из шести ячеек, и пуско вые устройства ПБГ-6 наружной установки.
[Для буровых установок, имеющих установленную мощность электрооборудования более 3000 кВт и удаленных более чем на 5—6 км от источника электронергии, целесообразно применять схему глубокого ввода, т. е. напряжение 110—35 кВ подавать непосредственно к буровой установке. По схеме глубокого ввода при буровой установке сооружают трансформаторную подстан
цию |
110/6 |
или 35/6 |
|
кВ; |
при |
|
|
|
|
||
этом |
возможно |
использование |
|
Энергосистема |
|||||||
распределительного |
|
устрой |
|
j |
(~) Шины 35кВ районной |
||||||
ства буровой установки в ка |
35нВ |
Т ^ |
подстанции |
||||||||
|
|
35пВ |
|||||||||
честве |
распределительного |
|
|
|
|
||||||
устройству понизительной |
под |
|
Нефтепромысловые, |
||||||||
станции. / |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
передвижной |
|
подстанции |
|||||||
Примером |
|
6кВ |
БкВ |
|
БкВ |
||||||
комплектной |
трансформатор |
|
Шины 5кВ буровой |
||||||||
ной |
подстанции |
напряжением |
|
|
|
|
|||||
35/6 |
кВ, предназначенной |
для |
|
|
Двустороннее |
||||||
электроснабжения |
отдельных |
|
|
питание буровой |
|||||||
и группы |
буровых |
установок, |
|
1 3 V 4 H |
|||||||
является |
однотрансформатор |
|
|||||||||
ная |
подстанция |
КТПН-4000- |
|
Электроснабжение буровых от |
|||||||
35/6 |
с трансформатором мощ |
|
внутрипромыеловых ВЛ БкВ |
||||||||
ностью 4МВ • А |
(рис. 4). Под |
|
|
|
Электроснабжение |
||||||
|
_ |
„ v |
буровойна нопрпжениа |
||||||||
станция |
предназначена |
для |
|
35кВ по схеме глубоко- |
|||||||
работы в умеренном |
климате |
|
БкВТ |
го ввода |
|||||||
(исполнение |
У1) |
и состоит из |
|
|
|
|
|||||
четырех |
отдельных |
|
блоков. |
Рис. 3. Варианты схем электроснаб |
|||||||
Блок 1 ячейки ввода 35 кВ со |
жения от энергосистемы буровых ус |
||||||||||
держит приемный портал, вен |
|
тановок с |
электроприводом |
||||||||
тильные |
разрядники |
со |
счет |
|
|
|
|
чиками срабатывания в каждой фазе, трехполюсный разъедини тель РЛНДЗ-2-35/1000 с двусторонними заземляющими ножами и ручным приводом ПРН-220М, масляный выключатель типа С-35 (ВТ-35) со встроенными трансформаторами тока и приво
дом ПП-67К- Блок 2 силового трансформатора содержит силовой транс
форматор ТОНБ-4000/35 мощностью 4000 кВ • А. Трансформа тор оснащен консерватором, газовым реле с двумя парами контактов, термосифонным фильтром. Температуру трансформа торного масла контролируют ртутный термометр и термометри ческий сигнализатор.
Блок 3 распределительного устройства 6 кВ содержит семь ячеек (ячейка ввода, ячейка трансформатора собственных нужд
с трансформатором |
30 кВ • А, четыре |
ячейки отходящих |
фи |
деров с воздушными |
выводами, ячейка |
питания батареи |
ста |
тических конденсаторов) и один шкаф для запасных частей, монтерского инструмента и защитных средств. Стены распре-
15
делительного устройства б кВ выполнены двойными с заполне нием теплоизоляционным материалом, а само устройство оборудовано внутренним обогревом с ручным и автоматическим управлением.
Блок 4, состоящий из статических конденсаторов 6 кВ об щей мощностью 600 квар и двух разрядных конденсаторов, полностью закрыт металлическим кожухом.
Все блоки смонтированы на санях-основаниях, позволяю щих передвигать их волоком за трактором со скоростью до 5 км/ч. Блоки устанавливают на предварительно спланирован ной и засыпанной щебенкой площадке. Территория подстанции огораживается металлической сеткой-забором, а блоки-осно вания присоединяются к заземляющему контуру.
1 Z 3 4
I I
1 а
Рис. 4. Комплектная блочная трансформаторная подстанция
Кроме описанной подстанции, на нефтяных промыслах при меняют также двухтрансформаторные подстанции типа ST-7 производства ПНР.
Варианты схем распределения электроэнергии на буровой установке приведены на рис. 5. От воздушной линии 6 кВ на пряжение подводится, как правило, отдельными ответвлениями: к ячейке № 1 трансформатора ТС вспомогательных приводов — непосредственно от линии, к ячейке ввода № 3 — через уста новленный на концевой опоре воздушной линии разъединитель. В ячейке № 1 установлены разъединитель и предохранители для включения и защиты трансформатора ТС питания приво дов вспомогательных механизмов установки. В ячейке № 2 ус тановлены разъединитель, измерительный трансформатор на пряжения ТН, контрольно-измерительная аппаратура и вентиль ный разрядник. Защита трансформатора ТН осуществляется предохранителями, а включение — разъединителем.
Через разъединитель перед ячейкой № 3 ввода трансформа тор ТС и измерительные приборы могут получать питание при
16
снятом с остальных ячеек напряжении, что создает удобство для обслуживания распределительного устройства и при ре
монтных работах.
В ячейке № 3 установлены разъединитель и масляный либо вакуумный выключатель ВМ ввода, через который подается напряжение на шины ячеек № 4, 5 и 6 питания двигателей основных механизмов. Ячейки № 4 и 5 для включения син хронных двигателей буровых насосов имеют разъединители,
6
Рис. 5. Схемы |
распределения |
электроэнергии |
на буровых |
установках: |
|
а — БУ-75БрЭ н «Уралмаш-125БЭ»; |
|
б — БУ-2500БЭ; |
в — «Уралмаш- |
1603»; ТС — силовой трансформа тор для питания вспомогательных приводов; ТН — измерительный трансформатор напряжения; СДН, СДЛ и СДА — синхронные двига тели привода насосов, лебедки и преобразовательного агрегата; АДН и АДЛ — асинхронные дви
гатели |
насоса н |
лебедки; |
ЭММ — |
|||
электромагнитная |
муфта; |
ДР — |
||||
двигатель |
ротора; |
ГН |
и |
ГР — ге |
||
нераторы |
постоянного |
тока |
для |
|||
питания |
приводов |
насоса |
и |
ротора |
а также нереверсивные вакуумные контакторы напряжением
6кВ.
Вячейке № 6, предназначенной для включения приводного двигателя буровой лебедки, установлены разъединитель и два вакуумных контактора напряжением 6 кВ, включенные по ре версивной схеме.
Вотличие от однодвигательного привода лебедки буровой установки БУ-75БрЭ на установках «Уралмаш-125БЭ» и «Уралмаш-4Э» предусмотрено по два электродвигателя ле бедки, в связи с чем для управления вторым двигателем в ком плект электрооборудования включено пусковое устройство ПБГ-6, по схеме и конструкции идентичное ячейке № 6 рас пределительного устройства КРНБ-6У. Питание на пусковое устройство подается воздушной перемычкой с ячейки № 6 распределительного устройства.
17
Распределительные устройства КРНБ-6У для всех буровых установок с электроприводом идентичны по схеме и различа ются только параметрами защитных элементов. Все разъеди нители ячеек снабжены заземляющими ножами. Во всех ячей ках, за исключением ячейки № 1, и в пусковых устройствах ПБГ-6 установлены трансформаторы тока, предназначенные для питания катушек реле максимального тока и электроизме рительных приборов.
Реле максимального тока, установленные во вводной ячейке и в ячейках питания электродвигателей, настраивают таким образом, чтобы при перегрузке двигателей отключался соот ветствующий контактор, а при коротких замыканиях — выклю чатель ввода. Такая селективность действия защиты обеспе чивает предохранение контакторов от разрыва токов корот кого замыкания.
Технический учет активной и реактивной энергии осущест вляется счетчиками, установленными в ячейках № 1 и 3.
Поскольку буровая лебедка установки «Уралмаш-4Э» имеет двухдвигательный привод, осуществляемый двигателями на напряжение 500 в, в этой установке применены понижающие трансформаторы, монтируемые на трансформаторной подстан ции буровой установки вблизи РУ 6 кВ. Трансформаторы под ключают к ячейке № 6 распределительного устройства КРНБ6У и к пусковому устройству ПБГ-6 вместо приводных двига телей лебедки.
Технические данные трансформаторов для буровых устано вок приведены в табл. 3.
Технические данные вакуумных контакторов, монтируемых в ячейках КРНБ-6У и ПБГ-6
Тип аппарата |
. |
. |
. . |
|
КВВ-6/320 |
Номинальное напряжение, |
кВ |
|
6 |
||
Номинальная сила тока, А ................... |
320 |
||||
Номинальная сила тока отключения, кА |
2 |
||||
Сила тока термической стойкости (1 с), кА |
4 |
||||
Сила тока динамической стойкости, кА |
10 |
||||
Номинальная сила тока цепи управления, А |
4 |
||||
Время включения с приводом, с |
|
0,1 |
|||
Время отключения с приводом, с |
|
0,04 |
|||
Износостойкость |
циклов «включено-отключено» |
Ы 0 б |
|||
Допустимое число включений в 1 |
ч . |
200 |
|||
Температура окружающего воздуха, |
°С |
От —55 до -+-40 |
|||
Масса, кг |
|
|
|
|
105 |
Для бурения на море выпускаются шкафы серии КРУБ, монтируемые в виде комплектного блока, исполнения Ml, с об щей крышей и коридором обслуживания. Электрическая схема блока обеспечивает ввод электроэнергии от двух ЛЭП 6 кВ и взаимное резервирование ячеек. Питание от каждой линии по дается на свою секцию распределительного устройства. При нормальной работе питание подается по обеим линиям, рабо-
18
тающим раздельно или параллельно. При неисправности одной из линий питание на обе секции подается от другой линии. В этом случае могут включаться в работу любые потребители энергии. Автоматическое включение резерва не предусмотрено, а необходимые переключения осуществляются вручную.
В случае неисправности одной из секций распределительного устройства эту секцию и соответствующую линию отключают для проведения ремонта. Буровая установка может работать с неполной производительностью, так как от любой секции могут питаться один двигатель лебедки, насоса и трансформа тор питания вспомогательных механизмов.
Таблица 3
Технические данные трансформаторов для буровых установок
Тип трансформатора
Параметры
ТМ-100/5 |
ТМ-180/6 |
ТЭМ-180/6 |
ТМ-250/6 |
ТМБ -320/6 |
ТМ-560/10 |
Номинальная мощность, кВ-А |
100 |
180 |
170 |
250 |
300 |
560 |
|
Номинальное напряжение, кВ: |
6,3 |
6,3 |
6,3 |
6,3 |
6,3 |
6,3 |
|
первичной |
обмотки |
||||||
вторичной |
обмотки |
0,4. |
0,525 |
0,4 |
0,4 |
0,525 |
0,525 |
Коэффициент полезного действия при |
|
|
|
|
|
|||||||
номинальной нагрузке |
и cos Ф9 = |
|
|
|
|
|
||||||
= |
1, |
% |
вторичного |
|
|
97,09 97,30 98,05 98,24 97,72 97,87 |
||||||
Изменение |
|
напряжения |
|
|
|
|
|
|||||
при |
номинальной |
|
нагрузке |
и |
2,35 |
1,89 |
2,37 |
2,35 |
1,80 |
|||
COS ф2 |
= |
1, |
% |
|
|
2,50 |
||||||
Напряжение |
короткого |
|
замыкания, |
5,5 |
5,05 |
4,7 |
5,5 |
'5,5 |
||||
% |
от |
номинального |
напряжения |
5,5 |
||||||||
Сила тока холостого хода, |
% от номи |
6,0 |
5,57 |
3,68 |
6,0 |
6,0 |
||||||
нальной |
силы тока |
кг |
6,5 |
|||||||||
Масса трансформатора, |
890 |
1230 |
1510 |
1300 |
2550 |
3040 |
В связи с ростом мощностей двигателей основных механиз мов, а также вследствие перевода нефтепромысловых сетей на напряжение 10 кВ в новых районах буровые установки пита ния по ЛЭП 10 кВ, для чего сооружают подстанцию 10/6 кВ.
Двигатели и трансформаторы присоединяют к ячейкам рас пределительного устройства шланговыми кабелями. Аналогично выполняют и соединения между остальными элементами элек трооборудования.
Для бурения разведочных скважин, как правило, применя ются буровые установки с приводом от двигателей внутреннего сгорания. Однако их эксплуатация требует значительных капи тальных и эксплуатационных затрат. В связи с выпуском мо бильных газотурбинных электростанций типа ПАЭС (табл. 4)
19
появилась возможность электроснабжения буровых установок от автономных источников электроэнергии.
Буровые предприятия, расположенные на Крайнем Севере, успешно эксплуатируют газотурбинные электростанции, работа ющие на природном или попутном газе. После сдачи в эксплуа тацию первых разведочных скважин, пробуренных станками на дизельном приводе, на промысле устанавливают газотурбинные электростанции, причем их число зависит от числа одновре менно работающих буровых установок, их мощности и коэффи-
Таблица 4
Технические данные передвижных автоматизированных газотурбинных электростанций
Тип электростанции
Показатели
ПАЭС-1250-Т/6.3 | ПАЭС-1600-Т/6.3 |
ПАЭС-2Б00 |
Мощность |
максимальная, |
1400 |
кВт |
номинальная, |
|
Мощность |
1250 |
|
кВт |
|
|
Масса, т |
|
26 |
Тип генератора |
СГС-14-59-6 |
|
Часовой расход дизельного |
|
|
топлива при номинальном |
560 |
|
режиме генератора, кг/ч |
||
Себестоимость 1 кВт-ч вы |
|
|
работанной |
электроэнер |
1,2 |
гии, коп. |
|
2000
1600
28 СГС-14-74-6
/
ОО со о
1,4
2750
2500
25 СГС-14-100-6
1100
1.2
циента спроса потребителей электроэнергии. В этих электро станциях применены шестиполюсные синхронные генераторы трехфазного переменного тока 50 Гц, 6300 В. Оборудование ПАЭС (рис. 6) размещается в одном фургоне, где устанавли вают газотурбинный двигатель, генератор, блок маслотоплив ных коммуникаций, распределительное устройство 6 кВ, содер жащее пять ячеек (с трансформатором собственных нужд, с аппаратурой отходящего фидера и ввода, с трансформатором напряжения и с разрядником), пульт управления и топливный бак.
На буровых установках, эксплуатируемых в неэлектрифицированных районах, в качестве источника питания трехфаз ным переменным током электроприводов вспомогательных ме ханизмов, систем освещения и электрообогрева применяют ди- зель-электрические агрегаты мощностью 50—200 кВт. Такие же агрегаты применяют и на буровых установках в электрифици рованных районах в качестве аварийного источника электро снабжения.
Дизель-электрический агрегат (табл. 5) состоит из дизеля, синхронного генератора со статической системой возбуждения
20