Согласно ПУЭ, на двигателях должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от:

1) многофазных замыканий в обмотках и на выводах;

2) однофазных замыканий на землю в обмотке и на выводах;

3) витковых замыканий в обмотках;

4) токов в обмотках, обусловленных внешними КЗ;

5) токов в обмотках, обусловленных перегрузкой;

Во второй половине прошлого века сложилась концепция, по которой старались делать защиты как можно более дешёвыми ввиду того что сами двигатели были недорогими. Но, в настоящее время, в связи с подорожанием цветных металлов, стоимость двигателей резко возросла, и установка только простейших защит для защиты двигателя - экономически не оправданно. Поэтому, кроме токовой отсечки и максимальной токовой защиты, на двигателя в настоящее время устанавливаются такие защиты как защита от небаланса, от тепловой перегрузки, от минимального тока, ограничение количества пусков, защиты от затянутого пуска и блокировки ротора.

Более половины (до 60%) повреждений двигателей, возникает в изоляции из-за неблагоприятных условий работы. Сверхтоки технологической перегрузки и при обрыве фазы могут привести к недопустимым нагревам обмоток двигателя и к преждевременному износу изоляции, поэтому защита от тепловой перегрузки реализованная с помощью термодатчиков (на Sepam возможно подключение до 8 датчиков), установленных на разных частях электродвигателя, или с помощью математической модели теплового процесса, может продлить срок службы двигателя.

Для защиты двигателя выбираем серию Sepam 1000+ типа М20. На нём можно реализовать следующие защиты электродвигателя:

- 2-х (4-х) ступенчатая токовая защита в фазах (50/51);

- 2-х (4-х) ступенчатая защита от замыканий на землю (50N/51N);

- Ток обратной последовательности/небаланс (46);

- 1-2-х ступенчатая защита от тепловой перегрузки (49RMS)

- Минимальный ток (37)

- Затянутый пуск и блокировка ротора (48-51LR)

- Число запусков в час (66)

Проведём расчёт уставок на примере двигателя М-1 (привод ротора).

Токовая отсечка без выдержки времени (50/51). Предназначена для защиты от многофазных коротких замыканий, которые всегда сопровождаются значительным возрастанием тока в поврежденном электродвигателе и понижением напряжения в питающей сети. Такие повреждения опасны не только для электродвигателя, но и для других неповреждённых электроприемников. Ток срабатывания первой ступени токовой защиты отстраивается от пускового тока двигателя:

Iсз = Котс·Iпуск ,

Где - пусковой ток двигателя М-1, .

.

Время срабатывания защиты tсз = 0,06 с - определяется собственным временем срабатывания защиты и промежуточных реле. Оценка чувствительности ТО (чувствительность оценивается относительно 3-х фазного короткого замыкания на выводах электродвигателя):

Согласно ПУЭ, чувствительность достаточна.

Максимальная токовая защита (50/51). Предназначена для защиты от сверхтоков технологической перегрузки. В условиях эксплуатации некоторые электродвигатели могут перегружаться приводимыми в движение механизмами. При недопустимой длительности перегрузки электродвигатель должен быть разгружен. Технологические перегрузки могут устраняться автоматически или обслуживающим персоналом без останова механизма или только после его останова (например, завал угля в дробилке). Поэтому защита от перегрузки имеет выдержку времени и может выполняться с действием на автоматическую разгрузку механизма, на сигнал или на отключение электродвигателя. Ток срабатывания максимальной токовой защиты отстраивается от номинального тока, протекающего по линии:

Выдержка времени срабатывания защиты: tСЗ = 10 с. По ПУЭ, проверка чувствительности не производится.

Защита от замыканий на землю (50N/51N). Ток срабатывания защиты от замыканий на землю отстраивается от суммарного емкостного тока защищаемых объектов.

I0сз=Котс·Кбр·IС ,

где Котс = 1,3 - коэффициент отстройки,

Кбр = 5 - коэффициент, учитывающий возрастание емкостного тока при дуговых перемежающихся ОЗЗ.

IС = (IСД+ IСЛ) - суммарный емкостной ток двигателя и кабельной линии;

Найдём емкостной ток двигателя:

ICД = C0·щ·Uн ,

где щ = 2·р·50 = 314 рад/с.

Собственная емкость двигателя:

;

номинальные параметры двигателя:

Sн = 941 МВА; Uн = 6,3 кВ.

ICД = 4,05·10-6·314·6300 = 8 А.

Поскольку ёмкостной ток линии много меньше, чем ёмкостной ток двигателя, учитывать его не будем.

Защита действует на отключение; tсз >tсамозап - время срабатывания защиты отстраивается от времени самозапуска. Выполним проверку чувствительности:

,

где IC пов = 0,035+0,004 = 0,04 А - емкостной ток защищаемого объекта;

ICУmin = ICЛ(от ГРП) = 0,13 А - минимальное значение суммарного емкостного тока сети;

Кч = 1,25 - минимальный коэффициент чувствительности;

.

Чувствительность недостаточна.

Защита от тепловой перегрузки (49RMS). На двигателях установлены термодатчики, сигнал от которых идёт в АСУ ТП. Поэтому проблемы с непосредственным контролем температуры не возникает. Если бы термодатчики отсутствовали, можно было бы использовать тепловую защиту, реализованную с помощью математической модели нагрева и охлаждения обмоток.

Минимальная токовая защита (37). ПУЭ не предусматривает установку данной защита, но её использование может продлить срок службы двигателя.

Для двигателя М-1:

Принимаем Iсз = 20% от Iн.

Выдержку времени примем tсз = 10 с.

Защита от небаланса (46). Для двигателя небаланс вреден из-за того что он снижает срок его службы, приводит к более быстрому старению изоляции, к выходу двигателя из строя.

Принимаем Iсз = 10% от Iн.

Выдержку времени примем tсз = 0,3 с.

Затянутый пуск и блокировка ротора (48-51LR). Выбор параметров данной защиты зависит от типа двигателя и технологического процесса.

Примем: Icз =115 % от Iн

Выдержка времени затянутого пуска: t = 40 с

Выдержка времени блокировки ротора: t =10 с

Количество пусков в час (66). Для двигателя привода ротора М-1 примем следующие значения:

Период времени - 1 час

Кол-во пусков в час - 3

Кол-во послед. холодных пусков - 3

Кол-во послед. горячих пусков - 3

Время между пусками - 10 мин.

Расчёт уставок защит других двигателей выполняется аналогично.

12. Тепловой расчёт теплосистемы буровой установки

12.1 Выбор и обоснование системы теплообеспечения

Выполнение буровых работ связано с потреблением не только электрической энергии, но и тепловой. Тепловая энергия расходуется на обогрев здания буровой, поддержания необходимой температуры бурильного раствора, при выполнении технологических операций в ходе бурения скважин.

Обеспечение микроклимата в помещении буровых установок при бурении скважин, одна из основных проблем рационального ведения буровых работ в холодный период года.

На буровых установках ООО БК Нарьян-Марского филиала «Евразия» источниками тепловой энергии при теплоснабжении служат блочные котельные установки с котлами типа Е-1-9 и теплогенераторы ТГ-3,5 обеспечивающие тёплым воздухом помещения буровой установки.

Тепло, вырабатываемое котлами в виде пара расходуется в основном для обогрева водяных трубопроводов, при подогреве запаса воды для технологических нужд и для котельной; для подогрева воды при опрессовке труб в зимний период и для других мелких производственных нужд.

Пар для обогрева помещений не используется из-за трудоёмкости монтажа калориферов, разветвлённой сети паропроводов, конденсатоотводов и сборников при кратковременном характере буровых работ. Поэтому использование котельных установок только для этих целей не оправданно в современных условиях. Так, например, все трубопроводы можно обогревать электронагревательными элементами типа ЭНГхл, проложив их под теплоизоляцию труб, а для обеспечения

паром процесс опрессовки труб и другие мелкие работы можно использовать передвижную паровую установку (ППУ) на автошасси.

Теплогенераторы обеспечивают горячим воздухом помещения МНО и устье скважины, где оборудована противофонтанная арматура. Состав и состояние воздушной среды в помещениях буровой зимой, характеризуется высокой динамичностью, в результате чего создаются дискомфортные условия для работы, и осложняется технология буровых работ.

Обеспечение микроклимата в помещении буровой установки одна из основных проблем рационального проведения буровых работ в холодный период года. Используемые теплофикационные оборудования на буровых далеко не совершенны и не позволяют обеспечить в помещениях буровых требуемых норм микроклимата, параметры которых регламентированы ГОСТ 12.1.005-76 и санитарными нормами СН245-71. По этим требованиям в помещениях буровых зданий параметры воздуха должны быть , ,

Использование электронагревательных приборов для этих целей экономически не оправдано, так как дизельных агрегатов не превышает 45%, в то время коэффициент полезного действия (КПД) котлоагрегатов и теплогенераторов 1,5 раза выше при использовании менее качественного топлива.

Расчёт теплопотерь в помещениях даёт очень, приближённые данные расхода теплоты необходимой для поддерживания микроклимата. Выбор рациональной системы теплоснабжения здания буровой и теплофикационного оборудования для его отопления и подогрева бурового раствора и процесса бурения актуальная задача, от решения которой во многом зависит технология буровых работ в условиях сурового климата.

К системам теплоснабжения помещений буровых установок предъявляются следующие требования;

1) Экономичность расхода энергоносителя;

2) Необходимая теплопроизводительность для обогрева помещений;

3) Обеспечение регулируемого подвода теплоты к рабочему месту;

4) Минимальная загрязнённость воздуха вредными выделениями и неприятными запахами;

5) Безопасность в отношении пожара, взрыва и травматизма;

6) Хорошая компоновка с основным оборудованием буровой установки, простота и надёжность в эксплуатации.

В связи с переводом на электропривод основного оборудования буровой установки возрастает мощность ДЭС при индивидуальной системе электроснабжения. При этом часть теплоты сгорания в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) используется на полезную работу, а остальное её количество расходуется при охлаждении самого двигателя и с выхлопными газами.

Утилизация теплоты сгорания ДЭС позволила бы получить не только существенную экономию средств, но и пересмотреть вопрос экономичности дозагрузки электростанции нагревательными приборами, так как в этом случае возрастает КПД установки. Это в принципе позволяет полностью решить проблему отопления буровых установок.

Воздушная система отопления буровой ДЭС является более мобильной. В этом случае ДЭС можно расположить рядом с машинонасосным отделением (МНО). Тёплый воздух из радиатора дизеля забирается вентилятором и по трубопроводу подаётся в обогреваемое помещение. В МНО тёплый воздух по трубам системы отопления подаётся непосредственно к объектам обогрева и рабочим местам.

Выхлопные газы по гибкому металлическому трубопроводу поступает в теплообменник, где выхлопные газы отдают теплоту воздуху, подаваемого вентилятором в теплообменник. Далее по воздухопроводу на обогрев помещений силового оборудования - вышечного блока. То есть предлагается две системы воздушного отопления буровой установки.

1) Тёплым воздухом радиатора ДЭС - помещение МНО.

2) Тёплым воздухом утилизированным в газовоздушном теплообменнике.

Воздушная схема требует более громоздкое оборудование, так как Воздух как теплоноситель имеет низкие теплотехнические параметры. В тоже время эта схема лишена недостатков водяной схемы утилизации, удобна в эксплуатации. Дешевле особенно в районах крайнего севера.

При перевозках буровой установки быстросъёмные соединения воздушного и газового трубопроводов позволяют быстро отключить ДЭС от МНО и транспортировать их отдельно.

Применение воздушного отопления даёт возможность создания в рабочей зоне необходимой температуры; более равного распределения теплового потока в здании буровой и МНО, что повышает комфортность условий труда буровой бригады, обогрев технологического оборудования и материалов используемых в процессе бурения.

Первичным теплоносителем ДЭС являются выхлопные газы, вода из системы охлаждения дизеля и конвективные потоки воздуха от его корпуса. Вода из системы охлаждения дизеля обладает сравнительно большим водяным эквивалентом (5500-6000), но её температура на входе не превышает 90. Поэтому в некоторых случаях для использования охлаждающей воды дизеля в целях отопления её не необходимо подогревать в утилизаторах за счёт теплоты выхлопных газов.

Основную сложность представляет утилизация теплоты выхлопных газов. К положительным свойствам, этих теплоносителей, относится их высокая температура (400-500 °C) при низком давлении в теплообменном аппарате (0,2-0,18 Мпа).

К недостаткам относится:

- громоздкость аппаратуры утилизации, обусловленная низким коэффициентом теплообмена поскольку водяной эквивалент выхлопных газов ДЭС ( W=mc, где m-массовый расход газов, а с- теплоёмкость )не превышает 160-180

- Недопустимость больших сопротивлений на выхлопном коллекторе (в теплообменнике), так как это отрицательно влияет на работу двигателя.

- Оседание негорючих компонентов топлива на поверхности теплообмена, при охлаждении газов ниже 150, в результате чего снижается эффективность теплообменника.

- Токсичность газов.

В качестве вторичного теплоносителя, при воздушной системе отопления, является воздух окружающей среды. Воздух удобен в эксплуатации и дешёв; не требует транспортировки до места применения; не требует монтажа; места хранения и подогрева.

12.2 Расчёт теплопотерь

Технические характеристики МНО.

Габариты здания по внутреннему объёму,

Длина,

Ширина,

Высота,

Площадь дверных проёмов

Проём желобов

Мощность, ;

Насосы,

Перемешиватели,

Вибросита,

Блок приготовления раствора,

Центрифуга,

Гидроциклон,

Блок очистки воды,

Насос обмывания штоков,

Насос центробежный водяной,

Освещение,

Пескоотделитель,

Дегазатор,

Конвейер,

Ёмкости с раствором - 8 штук

Согласно ГОСТ 12.1.005-76 и в соответствии с санитарными нормами СН-245-71 параметры воздуха в рабочей зоне бурового здания должны составлять

Скорость воздуха в рабочей зоне

Для районов НАО параметры наружного воздуха - температура холодной пятидневки.

средняя расчётная скорость ветра

Таблица 1 - Характеристики ограждающих конструкций

Зона влажности С - сухая.

Теплопотери отдельных потребителей

 (12.1)

где потери в связи с инфильтрацией холодного воздуха в помещении , кВт.

Потери теплоты через ограждающие конструкции здания делятся на основные и добавочные , величина которых учитывается в процентном отношении к основным теплопотерям. [13]

Основные потери определяем как сумму потерь через отдельные ограждающие конструкции. [13]

(12.2)

или

(12.3)

где коэффициент теплопередачи ограждения ,

F - площадь отдельных конструкций ,

сопротивление теплопередаче ограждений ,

расчётная температура воздуха в помещении ,

наружная температура воздуха ,

поправочный коэффициент

для наружных стен , чердачных перекрытий , над холодными без ограждающих конструкций подпольями.[13]

Значения сопротивления теплоотдачи наружных поверхностей ограждения находим по [13].

Значения сопротивления тепловыделения тепловосприятию внутренних поверхностей ограждений по[13]

для внутренних поверхностей стен , гладких потолков и полов.

12.3 Теплопотери через ограждающие конструкции МНО

Термическое сопротивление для внутренней и наружной поверхности стен.

Тогда суммарный коэффициент:

(12.4)

Площади стен, ориентированных по сторонам света

(12.5)

Теплопотери через стены, - для наружных стен и покрытия, потолков без чедаков и холодных полов.

(12.6)

(12.7)

Fр-ра=3*6=18 м2

,

где (12.8)

Температура для потолка (внутренняя) [13]

(12.9)

(12.10)

Внутренняя расчётная температура у пола [13]

Для полов малой массивности без теплоизоляционной прослойки

Поправочный коэффициент (n) к расчётной разности температур внутреннего и наружного воздуха для перекрытия над не отапливаемыми подвалами без световых проёмов в стенах, расположенных выше уровня земли n=0,6.

1,18 - коэффициент учитывающий добавочные теплопотери от расположения пола на санях.

Теплопотери в связи с инфильтрацией холодного воздуха через технологические проёмы и щели в ограждениях.

Для щелей дверей [13]

; (12.11)

Таблица 2. Расчёт теплопотерь ограждения МНО.

287,5

Теплопотери в связи с инфильтрацией холодного воздуха через технологические проёмы и щели в ограждениях.

Для щелей дверей [13]

; (12.11)

где

поправочный коэффициент для металлических ворот

Суммарная длина щелей ворот

(12.12)

Суммарная длина щелей дверей

тогда

Для технологических проёмов

(12.13)

Массовый расход воздуха через проёмы

где при по табл.Vll-14 [13]

Потери тепла через технологические проёмы

(12.15)

Теплообмен между воздухом помещения и раствором (промывочной жидкостью)

Площадь поверхности контакта воздуха и раствора

; (12.16)

Температура поверхности раствора

Количество явных теплопотерь.

буровой установка генератор кабель

Расчёт теплопотерь нагрева бурового раствора не ведём так как раствор из скважины в ёмкости поступает температурой после 800-1000метров увеличиваясь с углублением скважины до .

Расход теплоты на нагрев воды поступающей в МНО

где ;

при

расчётная температура воды.

начальная температура воды.

коэффициент учитывающий интенсивность поглощения теплоты. Табл.VII 13.(Л.13)

Общее количество теплопотерь в МНО

Внутренние тепловыделения в МНО

Коэффициент загрузки оборудования буровых установок Табл. [13]

Тепловыделение бурового насоса НБ-600

коэффициент одновременности

коэффициент тепловыделения

где мощность привода на трансмиссионном валу

Тепловыделения двигателями насосов

Тепловыделения редукторами перемешивателей

Тепловыделения двигателями перемешивателей

Тепловыделение от других электроприёмников МНО не учитываем, так как время их работы периодическое с низким коэффициентом использования.

Тепловыделение осветительной аппаратуры

Где С=0,7 - коэффициент тепловыделения осветительной аппаратуры

Тепловыделение обслуживающим персоналом не учитываем, т.к. величина малая из-за периодического пребывания.

Суммарные тепловыделения электрического оборудования

Суммарные тепловыделения техническим оборудованием

Общее тепловыделение в МНО

Необходимое количество теплоты для обеспечения в МНО заданных параметров воздуха

В помещении МНО размерами и объёмом V=2673 устраиваем воздушное отопление. Температура в помещении по нормам .

Скорость воздуха .

Рассматриваем вопрос помещения воздухом охлаждающим воду в радиаторе дизеля. Радиаторы дизелей через гибкий рукав соединяем с приёмным воздухопроводом расположенным в помещении МНО. На приёмном воздухопроводе установлен центробежный вентилятор для дальнейшей транспортировки тёплого воздуха по воздухопроводу расположенному вдоль длиной стены. Воздух для отопления подаём через окна с регулируемыми решётками компактными струями. Относительное живое сечение принимаем 0,75.

Максимальное расстояние между струями для компактной струи:

(12.17)

На воздуховоде устанавливаем 5 окон для распределения воздуха. Тогда расстояние между струями.

Площадь поперечного сечения на одну струю.

(12.18)

Длина зоны обслуженная одной струёй.

(12.19)

Так как длина помещения считаем достаточным установки окон в один ряд.

Проверяем кратность теплообмена. Оптимальное значение по 12.7. [17]

При объём подаваемого воздуха в помещение

(12.20)

Для подачи воздуха из приёмного воздуховода до распределительных решёток выбираем центробежный вентилятор серии ВЦ - 4 - 70. По номограмме [13]

Производительность 25000.

Давление

КПД вентилятора 0,8

Определяем частоту вращения колеса вентилятора.

Мощность вентилятора.

(12.21)

Мощность приводного электродвигателя.

где коэф. запаса мощности.

Действительная кратность подаваемого воздуха.

Температуру воздуха выходящего из радиатора принимаем , , тогда по 12.9(Л.17) необходимая тепловая мощность.

Принимаем выходное отверстие окон распределителей.

Живое сечение решёток.

Количество окон , тогда живое сечение

Начальная скорость воздушной струи на выходе.

(12.22)

Тепловой поток отводимый от дизеля охлаждающей водой.

где номинальная мощность дизеля,

удельный расход топлива,

низшая теплота сгорания топлива,

Из уравнения теплового баланса

Количество теплоты уносимого воздухом радиатора.

, считаем , что используемый для отопления помещения воздух для охлаждения воды в радиаторе дизеля удовлетворяет требованию

Расчёт теплопотерь здания в период работы на буровой, рабочие проживают в зданиях рассчитанных на 4 человека, отдельно смонтированных на транспортабельных основаниях.

Размеры здания

Длина, А = 6м

Ширина, В = 6м

Высота, Н = 2,36м

Площадь окон , количество 2 шт.

Площадь дверей , количество 1 шт.

Таблица 3.Характеристика ограждающих конструкций жилого помещения.

Расчётные параметры внутреннего и наружного воздуха. По СниП 12.005-76 и СниП -245.71.