Теоретические основы, диагностические средства и методы энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода буровых установок

Повышение эффективности геологоразведочных работ является актуальной комплексной проблемой, имеющей научные, технические, технологические и организационные аспекты, решение которой, позволит ускорить поиск, разведку и разработку месторождений твердых полезных ископаемых.

Геологоразведочной партией выполняется целый комплекс различных технологических процессов, таких, как бурение, проведение горных выработок, водоотлив, транспортировка, водои воздухоснабжение, диагностические и ремонтно-механические работы, обеспечиваемых большим количеством разнообразной техники разведки. Особенности эксплуатации геологоразведочного оборудования: большие динамические нагрузки, вибрация, работа в режиме частых пусков, остановок и реверсовнепрерывная передислокация, интенсивное деградационное влияние окружающей средынизкое качество питающей электроэнергии от автономных маломощных источниковопределяемые удаленностью от промышленных центров ограниченные возможности снабжения запасными частями и средствами технической диагностики, неоптимальная система технического обслуживания и ремонта и т. п., обусловливают интенсивный износ оборудования и его частые отказы, наносящие большой экономический ущерб.

Поиску решений проблемы повышения эффективности геологоразведочных работ посвящены фундаментальные труды таких известных ученых, как Воздвиженский В. И., Козловский Е. А., Башкатов Д. Н., Калинин А. Г., Владиславлев B.C., Григорьев В. В., Грабчак Л. Г., Зиненко В. П., Кардыш В. Г., Кирсанов А. Н., Киселев А. Т., Кудряшов С. С., Лачинян Л. А., Питерский В. М., Ребрик Б. М., Алексеев В. В., Симонянц Л. Е., Симонов В. В., Сулакшин С. С., Юнин Е. К. и многих других, уделивших большое внимание системам комплексного управления процессом бурения разведочных скважин на твердые полезные ископаемые, тенденция совершенствования которых направлена на создание универсальных автоматических систем, не ориентированных на конкретные данные: буровую установку, тип подачи бурового инструмента и способ бурения, а также указывавших на актуальность разработки систем диагностики для выявления работоспособности отдельных узлов и механизмов, поскольку затраты на ликвидацию аварий и ремонт основного технологического оборудования составляют значительную часть в общем балансе рабочего времени.

Например, по данным академика Козловского Е. А. 70] при бурении установками ЗИФ-650М в Кировской и Приазовской экспедициях эти затраты достигали 33%, т. е. трети всего рабочего времени, как показано на рис. В. 1.

Рабочее время,% 40Ь.

38%.

33%.

24%.

14% 12%.

11% 0.

3%.

Технологические операции.

Бурение СПО Вспом. операции Аварии Ремонты Простои.

Рис.В Л. Диаграмма рабочего времени буровой установки.

Сниженйе непроизводительных затрат рабочего времени за счет предотвращения и уменьшения тяжести последствий аварий, путем проведения предупредительных профилактических ремонтов является существенным резервом для повышения эффективности использования геологоразведочного оборудования.

Значительная часть отказов основного технологического оборудования геологоразведки приходится на долю электропривода, содержащего, в основном, трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (ТАД) и коллекторные двигатели постоянного тока. По сравнению с двигателями постоянного тока при одинаковых мощности и частоте вращения ТАД в 1,5−2 раза легче и в 3 раза дешевле. Момент инерции ротора и отношение его к номинальному моменту, определяющие динамические свойства электрических машин, у ТАД в 2−3 раза меньше, следовательно, у них имеется конструктивный запас по быстродействию. Динамический ток ТАД не ограничен условиями коммутации и может в пуско-тормозных режимах достигать (5−8) — кратных значений, обеспечивая при насыщении стали (7−10)-кратные значения электромагнитного момента. При оптимальном по минимуму потерь частотном регулировании скорости вверх от паспортного значения максимально допустимая выходная мощность ТАД больше в 1,5−2 раза, а при оптимизации конструкции ТАД, специализированного для замкнутых систем частотного регулирования, габариты и вес ТАД могут быть дополнительно уменьшены до 30% при тех же соотношениях скорости и мощности. При этом быстродействие повышается в 2−3 раза по сравнению с серийным ТАД [19]. Эти достоинства предопределяют большие перспективы использования ТАД в электроприводе геологоразведочного оборудования.

Специфика работы геологоразведочного бурового станка такова, что в большинстве случаев для бурения и спуско-подъемных операций (СПО) используется один и тот же ТАД, а так как требуемая мощность для СПО значительно больше, то при бурении этот ТАД работает с недогрузкой. Поэтому эксплуатация ТАД в режиме бурения характеризуется низкими энергетическими показателями, поскольку, как известно, КПД и коэффициент мощности снижаются при уменьшении нагрузки на валу. Энергетические показатели ТАД возможно оптимизировать автоматическим регулированием характеристик двигателя в зависимости от величины и характера нагрузки, используя величину скольжения ротора в качестве контролируемого параметра.

Энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода посвящено большое количество трудов таких крупных ученых, как Ильинский Н. Ф., Горнов А. О., Безаев В. Б., Сарбатов P.C., Рожанковский Ю. В., Анисимов В. А., Бычков М. Г., Сидоров Н. В. и многих других.

Системный общеметодологический подход к разработке научно-технических проблем предусматривает поиск возможных решений на трех уровнях: надсистемы, системы и подсистемы.

При таком подходе буровой станок можно рассматривать как надсистему, электропривод бурового станка — как систему, а асинхронный электродвигатель привода — как подсистему:

Над система Буровой станок Повышение устойчивости станка к автоколебаниям.

Система Электропривод Оптимизация энергетических режимов эксплуатации электропривода.

Подсистема Асинхронный двигатель Непрерывная диагностика и заблаговременное устранение дефектов.

Рис.В.2. Уровни комплексного решения проблемы энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода буровых установок.

Первый путь, заключающийся в решении поставленной задачи на уровне надсистемы, связан с анализом динамических процессов, протекающих в асинхронном электроприводе бурового станка при наличии крутильных автоколебаний в нагрузке — бурильной колонне, являющейся системой с распределенными параметрамиа также поиском оптимальных технологических режимов эксплуатации станка, исключающих появление в бурильной колонне (БК) стоячих волн механической энергии, и обеспечивающих устойчивость станка к автоколебаниям для передачи бурильной колонной максимума мощности от электропривода к забою.

Решение поставленной задачи на уровне системы предусматривает анализ специфических особенностей эксплуатации ТАД в электроприводе бурового станка (неполная загрузка) и разработку системы автоматического регулирования обеспечивающей оптимизацию его энергетических характеристик при значительных изменениях нагрузки на валу.

Третий путь, — решение проблемы на уровне подсистемы, -предполагает применение в реальных условиях эксплуатации ТАД непрерывной диагностики для заблаговременного устранения возникающих дефектов и возмущающих факторов, обусловленных конструктивными просчетами, технологическими погрешностями изготовления и сборки, как отдельных узлов, так и ТАД в целом, а также возникающих в результате его износа или неправильной эксплуатации, для максимального сокращения времени простоев и снижения затрат на техническое обслуживание и ремонты.

В настоящей работе использован комплексный подход к решению проблемы энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода буровых установок на всех трех уровнях: надсистемы, системы и подсистемы. В основу комплексного решения проблемы положено использование обобщенного диагностического параметрамгновенного значения скольжения ТАД, определяемого по параметрам потребляемого им тока.

Целью настоящей работы является разработка комплекса энергосберегающих методов и диагностических средств, обеспечивающих повышение энергетической эффективности эксплуатации асинхронного электропривода бурового оборудования путем: выявления дефектов оборудования на ранней стадии возникновения с помощью системы непрерывной дистанционной диагностикиэ эксплуатации асинхронного электропривода в энергосберегающих режимах с использованием диагностической информации для его регулированияэ повышения устойчивости бурового станка к возникновению автоколебаний, отбирающих значительную часть механической энергии, вырабатываемой асинхронным электроприводом, с использованием диагностической информации для управления технологическим режимом бурения.

Сущность методов энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода буровых станков заключается в применении оптимизированного (по критериям минимизации потерь мощности или максимизации коэффициента мощности) управления режимом эксплуатации ТАД и устранении колебаний при помощи оптимизированного (по критерию минимума колебаний) управления технологическим процессом бурения, а также — предупреждения возникновения дефектов, осуществляемом путем непрерывного контроля за техническим состоянием оборудования по результатам оперативной обработки информации, получаемой от диагностических средств, объединенных в единую информационно-измерительную систему, как показано на рис.В.З:

Рис.В. З. Методы и средства энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода бурового оборудования.

Информационно-измерительная система использует информацию, заключенную в параметрах тока, потребляемого ТАД электропривода станка, по которой определяется закон изменения мгновенного скольжения ротора и его производная, соответствующая закону изменения мгновенного момента на валу АД. По этим данным находят спектральный состав мгновенных скольжений ротора и строят фазовый портрет колебания, которые являются основой для принятия решения о необходимости проведения профилактических работ с оборудованием или об оперативном вмешательстве в технологический процесс бурения для максимального использования на забое механической энергии, вырабатываемой электроприводом станка, и минимизации доли энергии, затрачиваемой на поддержание колебаний. Временной, спектральный или корреляционный анализ закона изменения мгновенного скольжения ротора одновременно позволяет идентифицировать дефекты ТАД, электропривода, механических узлов станка, а также характер буримой породы.

Для проведения непрерывного контроля технического состояния бурового оборудования, осуществляемого в штатных условиях эксплуатации, не требуется его остановки или демонтажа, снижающих производительность буровых работ.

Извлечение информации о наличии и характере колебаний из параметров потребляемого тока позволяет отказаться от применения специальных датчиков, размещаемых на оборудовании, поскольку в качестве такого датчика используется ТАД электропривода, что повышает надежность работы системы и достоверность получаемой от нее информации.

Решаемые задачи.

Для эксплуатации асинхронного электропривода буровых установок в энергосберегающих режимах и повышения его эксплуатационной надежности в условиях геологоразведочных работ с помощью непрерывной диагностики, регулирования и управления необходимо решить следующие задачи:

1. теоретически обосновать и практически разработать метод управления технологическим процессом бурения, обеспечивающий устранение колебаний, выявляемых в процессе непрерывного контроля;

2. теоретически обосновать и практически разработать метод регулирования, обеспечивающий эксплуатацию электроприводов буровых станков в энергои ресурсосберегающих режимах;

3. теоретически обосновать и практически разработать метод непрерывной диагностики асинхронного электропривода основного технологического оборудования по обобщенному диагностическому параметру мгновенному скольжению ротора ТАД, работающего в штатном режиме;

4. выявить диагностические параметры дефектов: установить аналитические и экспериментальные закономерности, связывающие законы вариаций мгновенного значения скольжения ТАД с дефектами бурового оборудования и особенностями режимов его эксплуатации;

5. разработать комплекс технических средств для управления, регулирования и непрерывной дистанционной невозмущающей диагностики узлов, механизмов и ТАД по параметрам потребляемого им тока в штатных условиях эксплуатации бурового оборудования;

6. оценить точность, надежность и достоверность диагностической информации, получаемой от использования параметров тока, потребляемого двигателем;

7. провести экспериментальную проверку полученных теоретических выводов, и разработанных технических средств в условиях ресурсосберегащей технологии эксплуатации и ремонта геологоразведочного оборудования;

8. разработать методики использования методов и диагностического оборудования на производстве и в учебном процессе.

В первой главе рассмотрены вопросы, связанные с постановкой задач проводимых исследований: выбора оптимальной стратегии технического обслуживания асинхронного электропривода геологоразведочных буровых установок, диагностических параметров и мер диагностической оценки и приведен краткий критический обзор существующих диагностических устройств.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию особенностей нагрузки электропривода геологоразведочных буровых станков — бурового снаряда и бурильной колонны. С помощью метода электромеханических аналогий проблема рассмотрена на уровне надсистемы: изложены результаты исследований процессов возбуждения крутильных колебаний в буровом снаряде и колонне бурильных труб, представленной в виде системы с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Третья глава посвящена рассмотрению проблемы на уровне системы: в ней изложены вопросы устойчивости АД-приводов буровой установки при детерминированных и случайных вариациях нагрузки, приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований механических характеристик БК и электропривода станка, выведено уравнение для передаточной функции бурового станка, определены требования к электроприводу бурового станка, приведены результаты теоретических исследований возникновения крутильных колебаний в буровом станке с упругой бурильной колоннойизложены рекомендации по оптимизации технологических режимов эксплуатации буровой установки, обеспечивающих её устойчивость и максимизацию мощности передаваемой от электропривода к забою.

В четвертой главе приведены результаты анализа колебаний мгновенной угловой скорости вращения роторов ТАД, возникающих при воздействии различных возмущающих факторов и возникающих дефектов. Проблема рассмотрена на уровне подсистемы: изложены результаты исследований влияния отдельных дефектов ТАД на спектральный состав мгновенного скольжения, позволяющий идентифицировать возникающие дефекты, и принимать решения о необходимости проведения профилактического ремонта.

Пятая глава посвящена разработке комплекса диагностических средств для дистанционного контроля технического состояния ТАД, позволяющих получать информацию о законах изменения мгновенного скольжения ТАД по параметрам потребляемого ими тока и анализу их технических характеристик.

Результаты практического использования проведенных исследований с применением разработанных диагностических устройств представлены в шестой главе.

Основные результаты, полученные в настоящей работе, базируются на методах и понятиях теории колебаний, позволяющей обобщать достижения классической механики, теоретической^^ электротехники, теории автоматического регулирования, электропривода, электроники и других основополагающих дисциплин. Внедрение этих методов и понятий в учебный процесс подготовки инженеров-технологов геологоразведочной отрасли позволяет качественно повысить уровень их профессиональной подготовки.

Материалы диссертации опубликованы в научных трудах общим объемом около десяти печатных листов. По ним получены четыре авторских свидетельства на изобретения. Разработанные диагностические устройства экспонировались на ВДНХ СССР, где были отмечены двумя бронзовыми медалями, и на выставках научно-технических разработок, проводившихся ГКНТ СССР в Италии, Франции и Германии, где также получили положительные отзывы специалистов.

Основные положения работы докладывались на:

Всесоюзной НТК «Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин», Тбилиси, 1981 г.- эб-й Всесоюзной НТК «Перспективы развития производства асинхронных двигателей», Владимир, 1982 г.;

Всесоюзной НТК «Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин», Тбилиси, 1983 г.;

•8-й Всесоюзной НТК «Современное состояние и перспективы развития кондиционирования воздуха на судах», Николаев, 1984 г;

•7-й Всесоюзной НТК «Состояние и перспективы совершенствования разработки и производства асинхронных двигателей», Владимир, 1985 г.;

• 1-й международной конференции по электромеханике и электротехнологии «МКЭЭ-94», Суздаль, 1994 г.;

•8-й международной НТК «8 Бенардосовские чтения», Иваново, 1997 г.;

3-й международной НТК «Новые идеи в науках о Земле», Москва, 1997 г.;

•заседаниях всесоюзных семинаров «Централизованный ремонт электрооборудования» и «Организация электроремонта в современных условиях» в МДТНП в 1989 и 1993 г. г.;

НТК профессорско-преподавательского состава Московского института радиотехники, электроники и автоматики в 1977;1980 г. г., Всесоюзного заочного инженерно-строительного института в 1982;1984 г. г., Московского авиационного института в 1985;1986 г. г., Московского геологоразведочного института в 1989;1997 гг.- заседаниях Энергетической комиссии РАЕН РФ в 1995;1997 г. г.- заседании Центра по грантам в области фундаментальных исследований в электротехнике в 1995 г.

Автор выражает искреннюю признательность академику Е. А. Козловскому и профессору Ю. Б. Бородулину за полезные советы и замечания, а также — сотрудникам факультета Технологии и техники разведки Московской государственной геологоразведочной академии за оказанную помощь в подготовке экспериментов и участие в обсуждении результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В условиях проводимой в стране экономической реформы, при существенно сокращенном объеме централизованного финансирования геологоразведочной отрасли, для сохранения темпов восполнения истощающихся разведанных запасов твердых полезных ископаемых, составляющих материальную базу промышленности и народного хозяйства, требуется непрерывное развитие и совершенствование научно-обоснованных технических средств и технологических методов, позволяющих сократить материальные и энергетические затраты при проведении геологоразведочных работ.

Специфика геологоразведочных изысканий, проводимых в труднодоступных и малонаселенных районах, обусловливает практически повсеместное применение автономных источников электроэнергии, отличающейся высокой удельной себестоимостью. Поэтому затраты на энергообеспечение геологоразведочных работ в настоящее время являются основной статьей расходов. Экономное использование этой дорогостоящей электроэнергии, достигаемое применением энергосберегающих технологий эксплуатации электропривода бурового оборудования, являющегося в настоящее время одним из основных при поиске, разведке и разработке недр, позволяет рациональнее использовать материальные средства, выделяемые на разведку и разработку запасов минерального сырья.

Непрерывная дистанционная диагностика бурового оборудования, осуществляемая по параметрам тока, потребляемого электродвигателем асинхронного электропривода станка, позволяет полнее вырабатывать ресурс оборудования, выявлять его дефекты на ранней стадии образования, своевременно проводить профилактический ремонт, предупреждающий аварийные отказы оборудования, для устранения последствий которых требуется значительно большее количество рабочего времени и средств.

Разработанный комплекс диагностических устройств различной сложности, отличающихся патентной чистотой, реализованных на отечественной элементной базе, простых в изготовлении и настройке, не требующих высокой квалификации обслуживающего персонала, позволяет по спектральному составу мгновенных скольжений ротора с высокой достоверностью осуществлять непрерывную невозмущающую дистанционную экспресс-диагностику основного технологического оборудования геологоразведочных работ в штатном режиме его эксплуатации.

Эффективность диагностической информации существенно возрастает когда она одновременно используется для управления технологическим процессом.

Автоматизированная система управления технологическим процессом бурения, использующая в качестве управляющего параметра диагностическую информацию о величине скольжения ротора ТАД, полученную из параметров тока, потребляемого штатным электродвигателем, позволяет эксплуатировать асинхронный электропривод буровой установки с максимальным КПД, что дает возможность не только продлить сроки безотказной межремонтной эксплуатации бурового оборудования, но и экономно расходовать потребляемую электроэнергию.

Теоретически установленные и экспериментально подтвержденные особые свойства нагрузки асинхронного электропривода бурового станкаколонны бурильных труб с буровым снарядом на нижнем конце, заключающиеся в периодическом изменении величины и характера входного механического импеданса с увеличением длины колонны, влияющие на устойчивость электропривода, являются основой для разработки рациональных алгоритмов управления технологическим процессом бурения, позволяющих выбирать устойчивые режимы бурения, в которых отсутствуют автоколебания бурильной колонны, вызывающие её ускоренный износ и бесполезные затраты значительной части механической мощности, вырабатываемой электроприводом бурового станка. Выявленные колебательные свойства бурильной колонны позволяют сформулировать научно-обоснованные требования к двигателям, используемым в электроприводе буровых станков.