Электрическое оборудование и средства связи плавучей буровой установки

Совершенствование конструкций плавучих буровых установок, расширение объема буровых работ в сложных морских условиях, необходимость повышения производительности труда, повышенные требования к надежности и экономичности обусловливают развитие электропривода механизмов и, в первую очередь, развитие систем электропривода главных технологических механизмов (буровой лебедки, ротора, буровых и цементировочных насосов).

Электроэнергетические системы и системы электропривода плавучих буровых установок

Основными видами привода главных механизмов для ПБУСамоподъемные плавучие буровые установки могут быть: дизельный (дизель-механическая или дизель-гидравлическая передача) и электрический (электромашинная передача энергии первичных двигателей — дизелей, газовых турбин и т. д, — исполнительным механизмам).

В настоящее время в приводе главных технологических механизмов все больше применяется электромашинная передача благодаря ее преимуществам по сравнению с дизельным приводом:

• сокращение числа механических передач;
• повышение производительности и надежности механизмов;
• удобство управления;
• улучшение пуско-регулировочных и динамических характеристик привода;
• упрощение компоновки;
• большая маневренность в распределении электроэнергии;
• возможность получения требуемых по технологии бурения механических характеристик привода без перегрузки первичных двигателей;
• повышение безопасности обслуживания за счет удаления первичных двигателей от механизмов и устья скважины.

На ряде ПБУ первых образцов (например, «Апшерон», «Азербайджан») в приводе главных механизмов применены электродвигатели переменного токаТехнологическое оборудование ПБУ, назначение, состав и размещение. Однако научно-исследовательские работы ВНИИЭлектропривода, Уралмашзавода, опыт проектирования и эксплуатации показали целесообразность применения для главных буровых механизмов регулируемого электропривода, который на современном уровне развития техники обычно выполняется на базе электродвигателей постоянного тока.

Регулируемый привод позволяет повысить производительность буровой установки как вследствие лучшего использования установленной мощности при изменяющейся нагрузке буровая лебедка), так и в результате обеспечения оптимальных режимов бурения и повышения проходки на долото (буровые насосы и роторный стол). Кроме того, он повышает надежность механизмов вследствие упрощения кинематической схемы и снижения динамических нагрузок.

По данным ВНИИЭлектропривода, регулирование частоты вращения буровых насосов в диапазоне 0,8—1,1 от номинальной может обеспечить увеличение скорости проходки на 10— 15%а экономия машинного времени подъема инструмента при замене нерегулируемого привода с четырехскоростной коробкой передач регулируемым равной мощности составляет 25—30 %.

Мощности приводов главных механизмов для бурения с ПБУ обычно принимаются более высокими, чем при наземном бурении, что обусловлено высокой стоимостью ПБУ в целом и большими амортизационными отчислениями, в результате чего сокращение машинного времени дает большой экономический эффект. Кроме того, с уменьшением степени загрузки механизмов повышается надежность их работы.

Электроэнергетические системыЭнергетические установки плавучих доков ПБУ могут быть выполнены двух видов:

• с раздельными электростанциями:
  • переменного тока для питания вспомогательных техно-логических механизмов;
  • механизмов, обслуживающих электростанцию, бытовых потребителей и т. д.;
  • постоянного тока для питания электроприводов главных технологических механизмов по системе «генератор—двигатель» или по системе «неизменного тока» («кольцевая система»);
• с единой электростанцией переменного тока, когда питание электродвигателей в электроприводах главных технологических механизмов производится от шин переменного тока либо непосредственно (ПБУ «Апшерон», «Азербайджан»), либо через силовые тиристорные преобразователи (ПБУ «Бакы»).

На рис. 1 показана электроэнергетическая система ПБУ «Хазар», привод главных механизмов которой выполнен по системе «неизменного тока».

Для обеспечения электропитания в системе «неизменного тока» вместо генераторов постоянного тока могут быть применены синхронные генераторы с подключенными к ним неуправляемыми вентилями (конструктивно эти вентили могут быть встроены в синхронные генераторы).

Предлагается к прочтению: Классификация буксирных судов, типы и виды

К положительным качествам системы «неизменного тока» относятся:

• отсутствие связи между числом генераторов и числом электродвигателей;
• хорошее резервирование генераторов;
• несинхронная работа генераторных агрегатов, в связи с чем возможна работа их при малых нагрузках на пониженных оборотах;
• «нечувствительность» к коротким замыканиям.

В то же время система «неизменного тока» обладает рядом недостатков. Естественные механические характеристики электродвигателя в этой системе представляют собой ряд, почти вертикальных прямых. При работе на этих характеристиках скорость электродвигателя (для механизмов с постоянным моментом сопротивления) будет неустойчивой. В связи с этим используют искусственные характеристики, что усложняет схему. Пусковой момент электродвигателя в системе «неизменного тока» ограничен, в связи с этим разгон происходит сравнительно медленно. Это особенно важно для механизмов с повторно-кратковременным режимом работы (буровая лебедка). Все электродвигатели, включенные в «кольцо», должны выбираться на один ток якоря, что усложняет их подбор.

Преимущества и недостатки системы «генератор—двигатель» хорошо известны и поэтому в этой работе не приводятся. Достоинства и недостатки электропривода переменного тока по существу те же, что и нерегулируемого привода.

Создание силовых тиристорных преобразователей позволило применить систему электропривода тиристорный преобразователь-электродвигатель постоянного тока. В этой системе электродвигатели постоянного тока получают питание от шин единой электростанции переменного тока через индивидуальные регулируемые тиристорные преобразователи. Эта система электропривода сочетает в себе преимущества энергосистем с единой электростанцией и индивидуального регулируемого электропривода.

В настоящее время электропривод по системе тиристорный преобразователь—двигатель широко применяется на строящихся и проектируемых плавучих буровых установках.

Электростанция ПБУ

ЭлектростанцияСудовые электростанции на буксирных судах ПБУ служит для обеспечения электроэнергией всех механизмов и устройств на ПБУ. Наибольшее распространение получили электроэнергетические системы с единой электростанцией переменного тока, что объясняется возможностью параллельной работы всех генераторов и унификации агрегатов, уменьшением их установленной мощности, упрощением резервированиям, возможностью подключения более мощных потребителей, сокращением капитальных и эксплуатационных затрат.

Методы расчета мощности электростанции ПБУ не отличаются от методов расчета судовой электростанции. Они приводятся в литературе и руководящих материалах по судостроению. Обычно эти расчеты производятся в табличной форме. При расчетах следует учитывать следующие режимы работы ПБУ:

• переход на точку бурения;
• установка на точку бурения;
• формирование устья скважины;
• механическое бурение в различных интервалах глубин;
• спуско-подъемные операции;
• цементирование;
• аварийный режим па плаву.

Суммарные нагрузки электростанции по режимам служат основанием для выбора числа и мощности генераторов. При этом необходимо учитывать как активную, так и реактивную нагрузки. В некоторых случаях (при применении тиристорных преобразователей) может оказаться необходимым использование специальных устройств для компенсации реактивной мощности (например, конденсаторных батарей). Однако наилучшим решением в этом случае, по-видимому, следует считать применение генераторов с низким номинальным cos φ.

Мощность генераторных агрегатов должна быть такой, чтобы при выходе из строя одного агрегата оставшиеся обеспечивали возможность работы с номинальной производительностью в основных технологических режимах ПБУ — механическое бурение и спуско-подъемные операции. Следует учитывать, что в режиме спуско-подъемных операций буровая лебедка работает в повторно-кратковременном режиме и нагрузка электростанции будет значительно колебаться, особенно при мощных лебедках.

Обычно на ПБУ величина номинального напряжения генераторов трехфазного переменного тока принимается равной 400 В. Эта величина согласуется с требованиями Правил Регистра. Однако создание электростанций большой мощности на напряжение 400 В (при мощности параллельно работающих генераторов 3 000 кВт и выше) связано с рядом трудностей, обусловленных ростом ударных токов короткого замыкания. Эти трудности могут быть частично или полностью преодолены путем использования различных способов ограничения токов короткого замыкания (применение реакторов, быстродействующих предохранителей, использование синхронных генераторов с повышенной реактивностью), а также повышением величины генерируемого и напряжения.

Читайте также: Испытания и сдача судов

Как показали исследования ЦНИИ судовой электротехники и технологии, при повышении напряжения до 660 В могут быть снижены масса и габаритные размеры электрооборудования, особенно кабеля. При этом мощность параллельно работающих генераторов (с учетом токоограничивающих средств) может быть доведена до 5 300 6 500 кВт. При мощностях .электростанции более 6 000—8 000 кВт целесообразно применение высокого напряжения (6 000 В).

Эти положения подтверждаются опытом постройки ПБУ, полупогружных платформ и буровых судов зарубежными фирмами, которые широко используют повышенное (600 В) и высокое (4 000—6 000 В) напряжение.

Электроэнергетические системы плавучих буровых установок автоматизированы. Важнейшими являются: автоматическое регулирование возбуждения и реактивной мощности генераторов; автоматическое регулирование частоты и активной мощности генераторных агрегатов; автоматическая синхронизация генераторов; автоматический контроль за изоляцией.

Электрооборудование плавучих буровых установок “Апшерон”, “Азербайджан” и “Бакы”

Плавучие буровые установкиКорпус плавучей буровой установки «Апшерон» и «Азербайджан» по виду электроэнергетической установки и системе электропривода однотипны. Источником электроэнергии на этих ПБУ служит единая электростанция переменного трехфазного тока с генераторным напряжением 400 В. В составе электростанции предусмотрены основные и вспомогательные дизель-генераторы. Во всех технологических режимах работы ПБУ один из основных дизель-генераторов находится в резерве. Вспомогательные дизель-генераторы предназначены для работы при небольших нагрузках электростанции, когда использование основных дизель-генераторов нецелесообразно. Они обычно работают в положении ПБУ «на плаву» и при простоях.

В приводе главных и вспомогательных механизмов применены электродвигатели переменного тока (асинхронные). Привод главных механизмов — нерегулируемый. Наиболее мощные электродвигатели — асинхронные с фазным ротором: электродвигатели буровой лебедки, буровых насосов, а на ПБУ «Апшерон», кроме того, электродвигатели гидронасосов системы подъема и цементировочного насоса.

На рис. 2 показана упрощенная однолинейная схема электроснабжения, а в табл. 1 приведены основные данные электроэнергетической системы ПБУ.

 
Плавучая буровая установка «Бакы» по типу электроэнергетической системы относится к ПБУ с единой электростанцией переменного тока. Генераторное напряжение принято 400 В трехфазного тока. Электропривод главных механизмов технологического комплекса осуществлен по системе тиристорный преобразователь—двигатель постоянного тока. Реактивная мощность при работе тиристорных электроприводов компенсируется конденсаторными батареями.

На рис. 3 показана упрощенная однолинейная схема, а в табл. 2 приведены основные данные электроэнергетической системы ПБУ «Бакы».

Питание электродвигателей постоянного тока осуществляется от четырех тиристорных преобразователей типа

на выпрямленный ток 450 В и 2 000 А.
 
Все электродвигатели постоянного токаОсновные требования к судну и судовым техническим средствам разделены на четыре группы, каждая из которых питается от своей системы шин. Резервирование питания обеспечивается тем, что каждая система шин с помощью переключателя подключается к одному или другому тиристорному преобразователю.
 
Электропривод буровой лебедки реверсивный, двухдвигательный. В связи с повторно-кратковременным режимом работы электропривода лебедки предусмотрена возможность работы с коэффициентом перегрузки электродвигателей 1,4. Частота вращения электропривода лебедки от нуля до номинальной регулируется изменением напряжения на якоре электродвигателя, а выше номинальной — изменением потока электродвигателя (двухзонное регулирование).
 
Электродвигатели лебедки используются в качестве тормоза яри спуске инструмента (динамическое торможение). При этом система управления обеспечивает автоматическое поддержание скорости спуска.

Электропривод ротора — реверсивный однодвигательный.

Частота вращения электродвигателя регулируется изменением напряжения на якоре (однозонное регулирование). При изменении напряжения от 0 до 230 В регулирование осуществляется с постоянством момента, а при изменении напряжения от 230 до 440 В — с приблизительным постоянством мощности (электродвигатель используется при мощности около 400 кВт).

Электропривод буровых насосов — нереверсивный, однодвигательный. Частота вращения регулируется от номинальной при постоянном моменте изменением напряжения на якоре электродвигателя (однозонное регулирование). Электропривод цементировочных насосов – нереверсивный, однодвигательный. Регулирование частоты вращения электродвигателя – двухзонное.

В электроприводе остальных механизмов ПБУ применены асинхронные короткозамкнутые электродвигатели, исключение составляют электроприводы регулятора подачи долота и каротажной лебедки, которые выполнены по системе генератор—двигатель.

Требования к взрывобезопасности электрооборудования ПБУ

При бурении скважин могут возникнуть ситуации, когда в отдельных помещениях и открытых пространствах появляются горючие газы и пары, образующие с воздухом взрывоопасную смесь. Эти газы и пары выносятся из скважины буровым раствором, а затем выделяются из него. В зависимости от вероятности появления взрывоопасной смеси различают три вида взрывоопасных зон.

Это интересно: Судовые системы и трубопроводы

Зона 0 характеризуется длительным присутствием взрывоопасной смеси при нормальной работе. Зона 1 характеризуется возможностью образования взрывоопасной смеси при нормальной работе. Зона 2 характеризуется малой вероятностью образования взрывоопасной смеси, а если она и образуется, то существует только в течение непродолжительного времени.

В настоящее время отсутствуют отечественные правила, определяющие границы зон, а также требования к электрообо-рудованию в этих зонах. Однако имеются требования зарубежных классификационных обществ, требования МАКО и исследования института ВНИИТБ по данному вопросу.

На плавучих буровых установках к зоне 0 можно отнести внутренние пространства цистерн и трубопроводов для нефти, газа и бурового раствора, содержащего газы и нефтепродукты:

• к зоне 1 — помещения и открытые пространства, где установлены открытые технологические аппараты, содержащие такой буровой раствор;
• к зоне 2 — помещения и открытые пространства, в которых установлены закрытые технологические аппараты с буровым раствором, содержащим газы и нефтепродукты.

В пространствах зоны 0 не рекомендуется устанавливать электрооборудование. При необходимости оно должно быть искробезопасного исполнения с уровнем взрывозащиты — «взрывобезопасное при любых повреждениях». В помещениях и открытых пространствах, отнесенных к зоне 1, следует применять взрывозащищенное электрооборудование с уровнем взрывозащиты не ниже «взрывобезопасного»; в помещениях и открытых пространствах зоны 2 — взрывозащищенное с любым уровнем взрывозащиты (уровни взрывозащиты — согласно Правилам изготовления взрывозащищенного и рудничного электрооборудования — ПИВРЭ.

Как показали исследования ВНИИТБ, помещения и открытые пространства, отнесенные к взрывоопасным зонам, являются опасными по парам нефти (нефть относится к категории 2 группе ТЗ по ПИВРЭ). В помещениях и открытых пространствах, отнесенных к взрывоопасным зонам, должен быть предусмотрен контроль за воздушной средой стационарно установленными сигнализаторами, выдающими сигнал при концентрации паров нефти в воздухе около 20% от нижнего предела взрываемости.

Все помещения, отнесенные к зонам 1 и 2, должны быть обеспечены эффективной системой вентиляции (обычно механической), обеспечивающей кратность обмена воздуха не менее 20 для помещений зоны 1 и не менее 10 для помещений зоны 2, причем в этих помещениях следует поддерживать пониженное давление по сравнению с безопасными помещениями. Прием и выкид вентиляционного воздуха должен производиться из безопасных зон.

Эффективность вентиляцииПравка судовых конструкций существенно влияет на классификацию помещений. Так, требования МАКО допускают считать взрывобезопасными помещения, которые по типу установленного в них оборудования могли бы быть отнесены к зоне 2:

• помещения, где имеются только трубопроводы с фланцевыми соединениями при наличии вентиляции, обеспечивающей не менее 10 обменов воздуха в час;
• помещения, где имеются клапаны и насосы (либо одни из них) при наличии вентиляции, обеспечивающей не менее 30 обменов воздуха в час.

Средства связи и навигации

Плавучие буровые установки обеспечиваются средствами внешней радиосвязи с береговыми радиостанциями на расстояниях 200—300 миль, с буксирующими и обслуживающими судами, с вертолетами.

Для обеспечения внешней громкоговорящей связи с буксирующими и обслуживающими судами, внутренней громкоговорящей связи между постами управления и отдельными помещениями, трансляции команд и художественного вещания на ПБУ предусматривают систему громкоговорящей связи и трансляции.
Для обеспечения внутренней связи и сигнализации на ПБУ предусматриваются:

• телефонная связь между постами управления и помещениями;
• система авральной сигнализации;
• система пожарной сигнализации.

Средства навигации на несамоходных плавучих буровых установках не предусматриваются, а на самоходных ПБУ выбираются согласно Правилам Регистра.