ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ НЕФТЕДОБЫВАЩИХ УСТАНОВОК С ПЛУНЖЕРНЫМ ПОГРУЖНЫМ НАСОСОМ

На правах рукописи
Артыкаева Эльмира Мидхатовна
ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ НЕФТЕДОБЫВАЩИХ
УСТАНОВОК С ПЛУНЖЕРНЫМ ПОГРУЖНЫМ
НАСОСОМ
Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Чебоксары – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» на кафедре «Электромеханики и
технологии электротехнического производства» (г. Чебоксары).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Нестерин Валерий Алексеевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Иванов Александр Григорьевич
кандидат технических наук, доцент
Шамис Михаил Александрович
Ведущая организация:
НГДУ «Альметьевнефть» ОАО «Татнефть»
г. Альметьевск, Республика Татарстан
Защита состоится «17» февраля 2012 г. в 16 часов 00 минут в зале Ученого
совета на заседании диссертационного совета Д212.301.06 при ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» (428034, г. Чебоксары, ул. Университетская д. 38, библиотечный корпус, третий этаж).
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО
«Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 428015, г. Чебоксары, Московский пр., 15 на
имя ученого секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан «___» __________ 2012 г
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент
Н.В. Руссова
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. При эксплуатации нефтяных месторождений широко
применяется добыча нефти с помощью скважинных штанговых насосных установок (СШНУ). В России такими установками оснащено около 60% всех действующих скважин. Простота обслуживания и надежность СШНУ, а также возможность
применения в осложненных горно-геологических условиях эксплуатации вывели
этот способ на ведущее место в нефтедобывающей отрасли и сделали его самым
распространенным как в нашей стране, так и за рубежом. В его основе лежит использование насоса возвратно-поступательного действия, опускаемого в скважину
и приводимого в движение приводом, расположенным на поверхности.
Для эффективной работы СШНУ и выбора оптимального режима электропривода (ЭП) необходим контроль и диагностика параметров его работы, которые
осуществляются на основе динамограмм и ваттметрограмм. В этом плане представляет интерес развитие теории и практики применения ваттметрограмм взамен
динамограммам, требующих значительных затрат на установку приборов и оборудования*.
В настоящее время в СШНУ широко применяют привод на основе серийного нерегулируемого асинхронного электродвигателя (АД) с короткозамкнутым ротором. Основным достоинством такого асинхронного электродвигателя является
простота его конструкции, надежность и невысокая стоимость. В то же время этот
электропривод обладает и рядом недостатков:
 сложная
кинематическая
схема,
обусловленная
необходимостью
преобразования высокоскоростного вращательного движения в возвратнопоступательное движение с низкой скоростью;
 сравнительно невысокие энергетические показатели ЭП в совокупности с
механизмом, (КПД, cosφ);
 отсутствие регулирования частоты вращения, что не позволяет выбрать
оптимальный режим работы насоса;
 необходимость периодического обслуживания механизмов ЭП (редуктор,
ремень);
 большие габариты и масса.
Учитывая выше изложенное, возникает необходимость в совершенствовании электропривода СШНУ, направленном на повышение энергоэффективности
электрооборудования в целом. Таким образом, тематика диссертационной работы,
посвященная вопросам повышения энергетических показателей электрооборудования СШНУ, а также контролю и диагностике его работы, являются актуальной.
Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании электротехнического комплекса нефтедобывающего оборудования СШНУ путем использования
новых типов ЭП и применения энергосберегающих технологий, а также способов
контроля и диагностики на основе динамограмм и ваттметрограмм.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
________
* Автор выражает свою искреннюю признательность и благодарность доктору технических наук ГЕНИНУ В.С. за
оказанные научные консультации и рекомендации по теории и практике использования динамограмм и ваттметрограмм в
системах контроля и диагностики СШНУ.
3
анализ эффективности существующего электрооборудования СШНУ и выработка предложений по энергоресурсосберегающим технологиям и применению более эффективных типов ЭП;

сравнение технико-экономических показателей существующих и перспективных ЭП, обоснование эффективности электрооборудования СШНУ с применением вентильных электродвигателей (ВД) вращательного движения взамен
АД.

разработка математической модели электротехнического комплекса, включающего линейный цилиндрический вентильный двигатель (ЛЦВД) и насосную часть скважины с учетом динамограммы и исследование режимов работы привода.

разработка конструкции и методики расчета основных параметров ЛЦВД с
возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов (ПМ).

выбор эффективных методов, средств контроля и диагностики СШНУ в целях
энергоресурсбережения.
Предметом исследования является совершенствование элементов комплекса
электрооборудования на базе СШНУ, моделирование и выбор оптимального типа
ЭП с точки зрения энергоресурсосбережения.
Объектом исследования является электротехнический комплекс оборудования СШНУ, включающий в себя ЭП с передаточными звеньями, электродвигатель
и насосную часть.
Методология исследования. Теоретической и методологической базой диссертационного исследования являются обобщенная теория электрических машин,
уравнения ВД с возбуждением от высокоэнергетических ПМ; методы математического моделирования и расчет электромагнитных полей, а также методы контроля
и диагностики СШНУ посредством динамограмм и ваттметрограмм.
Диссертационная работа опирается на исследования ученых и инженеров
ОАО «Татнефть», г. Альметьевск; ТатНИПИнефть ОАО «Татнефть», г. Бугульма;
ОАО ВНИИР, г. Чебоксары; ФГБОУ ВПО Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова, г. Чебоксары; ГБОУ ВПО Альметьевский государственный
нефтяной институт, г. Альметьевск; ФГБОУ ВПО Уфимский государственный
нефтяной технический университет, г. Уфа.
Научная новизна исследований заключается в следующем:

в результате сравнительного анализа электропривода СШНУ с использованием ВД и АД установлено, что эффективность предлагаемого ЭП с вентильным двигателем выше по сравнению с известным на базе АД вследствие более низких суммарных затрат включающих стоимость электроэнергии и электродвигателя.

выбраны наиболее рациональные кинематические схемы построения комплекса электрооборудования СШНУ с ВД возвратно-поступательного движения, для которых предложено конструктивное исполнение в виде ЛЦВД, отличающихся от известных наружным расположением подвижной части и гребенчатой структурой внутреннего магнитопровода. Показано, что применение ЛЦВД в составе ЭП в комплекте с насосной частью СШНУ соответствует
современным экономическим и функциональным требованиям энергоресур
4
сосберегающих технологий по сравнению с аналогичной системой на базе
нерегулируемого и регулируемого АД;

разработана математическая модель ЭП с линейным цилиндрическим вентильным двигателем, нагруженным на нефтяной плунжерный насос, и отличающаяся тем, что в ней учтена динамограмма в виде зависимости усилия на
штоке от его перемещения и позволяющая исследовать переходные процессы
ЛЦВД в режиме пуска и реверса в составе СШНУ. В результате исследования
на математической модели получены зависимости токов, электромагнитного
усилия, перемещения, скорости которые позволяют найти динамические параметры, обеспечивающие эффективность применения ЛЦВД;

показаны преимущества методов контроля и диагностики СШНУ совместно с
ЭП путем использования динамограмм и ваттметрограмм, а также их использование при построении математической модели.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в
обеспечении экономии электроэнергии и эксплуатационных расходов при использовании предложенных в диссертации конструктивных решений и организационных мероприятий при эксплуатации электрооборудования СШНУ. Материалы
диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электроэнергетика» ГБОУ ВПО Альметьевского государственного нефтяного института, а
также в НГДУ «Елховнефть» ОАО «Татнефть». Что подтверждается соответствующими актами.
На защиту выносятся:

обоснование технико-экономической эффективности применения ВД вращательного и поступательного движения в электроприводах СШНУ взамен АД;

математическая модель и методика электромагнитного расчета ЛЦВД нагруженного на нефтяной плунжерный насос, позволившие разработать конструкцию двигателя возвратно-поступательного движения с высокими динамическими, энергетическими и массогабаритными показателями;

результаты исследования динамических режимов ЛЦВД нагруженного на
нефтяной плунжерный насос, проведенных с использованием динамограмм,
которые позволили обосновать эффективность применения таких двигателей
в приводах СШНУ;

рекомендации по организации энергосберегающих режимов работы СШНУ с
электроприводами на базе ВД с использованием динамограмм и ваттметрограмм.
Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованным
применением математического моделирования, а также сравнением результатов
моделирования с экспериментальными данными, полученными в ОАО «Татнефть», и с результатами исследования других авторов.
Апробация исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научнотехнической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов», (Тольятти, 2009 г.);
на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных
дискретных электротехнических и электронных систем (ДНДС-2009)» (Чебоксары, 2009 г.); на научных сессиях ученых Альметьевского государственного нефтя5
ного института (Альметьевск, 2008, 2009, 2010 гг.); на IV, V Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009, 2010 гг.);
на VII Mezinárodní vĕdĕcko-praktická konference «Aktuální vymoženosti vědy – 2011»
(Praha, 2011); на XVIII Международной конференции по постоянным магнитам
(Суздаль, 2011г.); на научно – практическом семинаре кафедры «Электромеханики
и технологии электротехнического производства» ЧГУ им. И.Н. Ульянова (Чебоксары, 2011 г.).
Публикации. Содержание диссертации отражено в 13 опубликованных
научных работах автора, из них 2 – в рецензируемых изданиях из списка ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 120 страниц
основного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 135 наименований, 4 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражены заслуги ведущих ученых в области разработки силового электрооборудования и ЭП нефтедобывающих скважин: Б.С.Абрамовича,
М.И. Альтшуллера, Т.М. Алиева, И.Г. Белова, В.С. Генина, Ш.К. Гиматутдинова
А.Н. Евсеева, А.Г. Иванова, В.Д. Ковшова, Ш.Ф. Тахаутдинова, В.Я. Чаронова,
В.А.Шабанова и других.
Рассмотрены различные варианты построения электротехнических комплексов обеспечивающих работу СШНУ с анализом их преимуществ и недостатков.
Обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулированы
цели и задачи диссертационной работы, рассмотрены новизна и практическая значимость выносимых на защиту научных результатов работы.
В первой главе проведен анализ работы существующего электрооборудования СШНУ на базе нерегулируемого АД с короткозамкнутым ротором и регулируемого АД с указанием достоинств и недостатков. Альтернативой АД являются
более эффективные вентильные электродвигатели. Выявлено, что наиболее широкое применение в нефтедобывающем электрооборудовании ВД находят в погружных нефтяных центробежных насосах подобно серийным асинхронным погружным электродвигателям типа ПЭД, тогда как литература по применению ВД в
СШНУ практически отсутствует.
Кроме того проанализированы известные из литературы перспективные решения энергоресурсосбережения в приводах СШНУ. Также рассмотрены распространенные на практике методы контроля и диагностики работы комплекса электрооборудования и насосной установки СШНУ. В результате проведенного анализа выбрана и обоснована тема и сформулированы основные задачи диссертационной работы.
Во второй главе проведена сравнительная оценка работы комплекса электрооборудования СШНУ с АД и ВД, нагруженных на нефтедобывающий плунжерный насос.
Для оценки конкретных преимуществ применения ВД по сравнению с АД
обратимся к динамограммам СШНУ. Динамограмма СШНУ представляет собой
зависимость нагрузки на полированный шток от его положения. На рисунке 1 а
6
представлен пример такой динамограммы, полученной на действующем оборудовании одной из скважин ОАО «Татнефть».
Характер динамограммы определяется такими факторами, как длина хода
полированного штока, действующие на него усилия, глубина спуска насоса, диаметр насоса, число качаний в единицу времени. Динамограмма позволяет определить гидростатические нагрузки на плунжер, а также диагностировать состояние и
характер нарушений в погружном оборудовании. Дополнительные сведения о работе СШНУ могут быть получены из ваттметрограммы, пример которой, совмещенной с соответствующей ей динамограммой, развернутой во времени, представлен на рисунке 1 б.
а)
б)
Рисунок 1 – Контроль работы СШНУ
а) динамограмма, б) ваттметрограмма, совмещённая с развёрнутой динамограммой
Из динамограммы, рисунок 1 б, видно, что в течение одного цикла работы
СШНУ нагрузка на штоке меняется ориентировочно от 35 до 55 кН, т.е. в ≈1,6 раза. Из соответствующей ей ваттметрограммы следует, что потребляемая АД мощность при этом изменяется от 1,6 до 11,25 кВт, т.е. в 7 раз. При максимальной потребляемой мощности 11,25 кВт в приводе СШНУ для обеспечения запаса по максимальному моменту использовался АД номинальной мощностью 18 кВт. Как отмечают многие авторы, для обеспечения необходимой перегрузочной способности
АД его номинальную мощность следует выбирать завышенной ориентировочно в
1,5 ÷ 2 раза. В связи с этим представляется более выгодным применить в приводах
СШНУ вентильный электродвигатель.
Целесообразность применения ВД в приводах СШНУ обусловлена прежде
всего тем, что его номинальная мощность оказывается в 2 ÷ 3 раза меньше чем у
АД при обеспечении одной и той же перегрузочной способности по моменту. Для
наглядности в таблице 1 сопоставлены некоторые характеристики серийно выпускаемых асинхронных и вентильных электродвигателей.
Из таблицы 1, следует, что вентильный двигатель типа 5ДВМ165М имеет
номинальную мощность в 2 раза и номинальный момент в 1,65 раза меньше, чем у
асинхронного двигателя типа 4А100L4. В то же время вентильный двигатель
5ДВМ165М допускает пятикратную кратковременную перегрузку и его максимальный момент составляет 85 Нм. Это выше, чем у асинхронного двигателя 4А100 L4 в 1,6 раза.
7
Таблица 1- Технические характеристики серийных электродвигателей
Тип двигателя
АД – 4А100 L4
ВД – 5ДВМ165М
АД – 4А160 М4
ВД – 5ДВМ215S
АД - 4Ф180М4
ВД – 5ДВМ215L
Р2ном.
кВт
4
2,5
18,5
7
30
14
Мmax./Мном
Нм
69,4/27
85/17
277/126
175/35
452/205
350/70
nном.
об/мин
1430
1500
1465
2000
1460
2000
Cos φ
0,84
1
0,87
1
0,87
1
η
%
84
92
87,5
90
90
91
m
кг
56
25
160
60
195
70
Энергетический КПД у двигателя 5ДВМ165М на 22% выше, чем у 4А100L4.
При этом масса и габариты двигателя 5ДВМ 165М меньше в 2 раза, чем у
4А100L4. Однако стоимость двигателя 5ДВМ165М, выпускаемого мелкими сериями, существенно выше, чем АД типа 4А100L4 в условиях крупносерийного производства. При сравнении было принято допущение, что стоимость электронных
блоков управления для АД и ВД примерно одинакова. Расчет энергоэффективности необходимо выполнять с учетом не только стоимости двигателей, но также
учитывать и эксплуатационные расходы, затраты на электроэнергию. Такие расчеты показали, что использование ВД взамен АД дает экономию в потреблении
электроэнергии за год до 30 тысяч кВт*час.
Другим возможным направлением поиска новых путей энергоресурсосбережения при эксплуатации СШНУ является замена в ЭП двигателя с вращающимся
ротором на линейный двигатель прямого действия. В этом случае сложная и громоздкая конструкция с большим числом передаточных звеньев и подшипников,
требующих ухода (смазки), может быть заменена безредукторным ЭП, установленным непосредственно на устье скважины или выполнив двигатель погружным.
Как это предлагается в работах Веселовского О.Н. и Свечарника Д.А.
В качестве альтернативного варианта привода с асинхронным линейным
двигателем в диссертации для решения задачи энергоресурсосбережения в электрооборудовании СШНУ предлагается использовать линейный цилиндрический
вентильный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов. На рисунке 2. показаны варианты кинематических схем СШНУ с ЭП на базе двух типов таких двигателей: на рисунке 2. а, – упрощенная кинематическая схема станка – качалки
нефти (СКН) с двигателем вращательного движения; а на рисунке 2. б и 2. в – кинематические схемы СШНУ с ЭП на базе линейного цилиндрического вентильного двигателей.
На рисунке 2. г представлена еще одна более эффективная кинематическая
схема двух длинноходовых глубиннонасосных установок (ДГНУ), работающих от
одного линейного электродвигателя.
В отличии от традиционной схемы рисунка 2 а, кинематическая схема рисунка 2 б предполагает передачу усилия от двигателя 1 на шток 3 через рычаг балансира 4. При этом в зависимости от соотношения плеч балансира возможно регулировать усилие и ход подвижной части линейного двигателя.
8
а)
б)
в)
г)
Рисунок 2 – Кинематические схемы СШНУ:
а) на основе двигателя с вращающимся ротором: 1- АД, 2 - клиноременная передача,
3 - редуктор, 4- шарнирный механизм, 5 –балансир; б) с ЭП на базе линейного двигателя:
1- ЛЦВД, 2 -ползун, 3 - шток, 4 - балансир, 5 – противовес; в) с ЭП на базе линейного
двигателя: 1- ЛЦВД, 2 - шток; 3 – балансир; 4 – противовес; г) на основе двух длинноходовых глубиннонасосных установок с линейным двигателем:
1 – ЛЦВД; 2 – штоки; 3 – соединительная труба
Схема на рисунке 2 в предполагает установку двигателя 1 непосредственно
на устье скважины. В этом случае усилие на подвижной части двигателя равно
усилию на штоке. Наличие балансира в обеих схемах способствует уравновешению веса штанг и разгрузки двигателя в течение цикла работы.
Схема на рисунке 2 г позволяет одним приводом обслуживать две рядом
расположенные нефтяные скважины. Очевидное достоинство этой схемы состоит
в снижении расхода электроэнергии и количества звеньев кинематической цепи.
К преимуществам рассмотренных кинематических схем СШНУ с линейным
двигателем, можно отнести:
 более высокую степень уравновешивания балансира СШНУ;
 снижение расхода электроэнергии вследствие более высокого кпд, за счёт
исключения редуктора, ремённой передачи и кривошипно-шатунного механизма;
 возможность контроля работы погружного насоса непосредственно по
ваттметрограмме, т.к. мощность, потребляемая двигателем, определяется
скоростью перемещения и усилием на штоке.
В третьей главе предложены конструктивные исполнения линейных цилиндрических вентильных двигателей с возбуждением от высокоэнергетических
постоянных магнитов нагруженных на нефтедобывающий плунжерный насос с заданным усилием сопротивления в виде динамограммы. Разработана математическая модель электротехнического комплекса, включающая ЛЦВД и насосную
часть скважины.
Поскольку из рассмотренных вариантов электропривода СШНУ особое
место занимает привод с ЛЦВД, проанализируем более подробно его устройство.
9
Так же как и линейный цилиндрический асинхронный двигатель (ЛЦАД), линейный цилиндрический вентильный двигатель может быть спроектирован в двух
вариантах: с внутренней подвижной магнитной системой и с внешней подвижной
магнитной системой. При этом в каждом
варианте конструкция магнитопровода статора может быть различной:
а) из кольцевых пластин магнитомягкого материала образующих полюса и
чередующихся с кольцевыми пазами, в которые укладывается трехфазная катушечная обмотка;
б) из продольных пластин гребенчатого типа (с чередующимися полюсами и
пазами). Такая конструкция, как показали
приведенные ниже электромагнитные расчеты, отличается от первого исполнения
несколько лучшими массогабаритными показателями, тогда как первая конструкция
магнитопровода по варианту а) представляется более технологичной.
Схематический чертеж конструкции
ЛЦВД по варианту б), с внешней подвижной частью и магнитопроводом гребенчатого типа приведен на рисунке 3*.
Рассмотрим уравнения электромеханического равновесия ЛЦВД нагруженного
на нефтедобывающий плунжерный насос,
полученные с использованием теории Рисунок 3 – ЛЦВД со статором «греобобщенной электрической машины в осях бенка» с внешней магнитной системой
d-q.
Применительно к ЛЦВД в качестве переменных параметров в отличие от
двигателей вращательного движения принимаем линейную координату х, линейную скорость v и время t. Уравнения электрического равновесия должны рассматриваться совместно с уравнением движения ЛЦВД. Поскольку в линейном двигателе имеет место возвратно-поступательное движение, то уравнения механического равновесия записывается не для моментов, а для сил, действующих в координате х. Таким образом, эти уравнение для ЛЦВД запишутся в виде:
did


u d  Ri d  Ld dt  vp  Lq iq

diq


 vp Ld id   0 
u q  Ri q  Lq
dt


3

 Fem  2 p  0iq  Ld  Lq id iq 

 dv
m
 Fem  Fc
 dt

 dx  v
 dt
(1)
______
* На предлагаемое конструктивное исполнение ЛЦВД оформлена и подана заявка на изобретение в виде полезной модели.
10
где
ud =Um1 cos α; uq =Um1 sin α
(2)
- составляющие напряжения питания по продольной и поперечной осям эквивалентной двухфазной машины; v – линейная скорость перемещения подвижной
части ЛЦВД; х – линейное перемещение; Fc – усилие на подвижной части ЛЦВД
с учетом разгрузки балансиром; m – масса подвижной части ЛЦВД с учетом всех
приведенных масс системы; Fem – электродинамическая сила развиваемая ЛЦВД.
Уравнения (1), (2) могут быть решены путем составления структурной
схемы имитационной математической модели в среде Matlab Simulinc. Разработанная на основе этих уравнений структурная схема модели приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Структурная схема имитационной математической модели ЛЦВД
в среде Matlab Simulinc
В структурной схеме математической модели блок Subsystem1 служит для
преобразования трехфазной системы напряжений: [ua, ub, u c]= [u1] в двухфазную в
соответствии с уравнениями (2). Полученные далее сигналы токов id и iq по отдельным каналам через блоки дифференцирования поступают в функциональные
блоки Fop, Fop1, Fop2. Таким образом, осуществляется решение уравнений электрического равновесия системы (1). Одновременно значения этих токов через блоки х
поступают в блоки к и с учетом значений Fc и v осуществляется решение уравнения движения ЛЦВД с механизмом. Искомые значения сигналов отражаются с
помощью регистраторов.
Усилие сопротивления на подвижной части ЛЦВД нагруженного на нефтедобывающий плунжерный насос определяется на основе идеализированной динамограммы. Такая динамограмма без учета разгрузки в координатах (F-x) приведена на рисунке 5.
11
Рисунок 5 - Расчетная динамограмма - зависимость суммарного усилия от линейного
перемещения подвижной части ЛЦВД
Математическое описание динамограммы рисунка 5 можно представить в
виде четырех уравнений, соответствующих участкам:
участок АВ:
F=k1x +F01;
(3)
участок ВС:
F=F2 = const;
(4)
участок СD:
F= k1x + F02;
(5)
участок DA:
F= const=F4;
(6)
Проанализируем из чего складываются динамические и статические нагрузки насосной части. На колонну штанг действуют динамические нагрузки и силы
трения, вследствие чего длина хода плунжера может существенно отличаться от
длины хода полированного штока. Необходимость учета динамических усилий
принято определять по критерию динамического подобия (критерий Коши):
д   Lн / а,
(7)
где a – скорость звука в штанговой колонне (для одноразмерной колонны а = 4900
м/с, для трехступенчатой а = 5300 м/с); ω=2πn – частота вращения вала кривошипа, с-1, Lн - общая длина колонны штанг.
В рассматриваемом случае, при скорости качаний менее 20 в минуту,
μд≤(0,3÷0,4), - режим работы установки можно считать статическим.
К постоянным или статическим нагрузкам принято относить вес колонны
насосных штанг в жидкости F’шт, гидростатическую нагрузку Fж, обусловленную
разницей давлений жидкости над и под плунжером при ходе его вверх, а также
нагрузки от трения штанг о стенки подъемных труб Fтр пл.
К переменным нагрузкам относятся: инерционная нагрузка Fин, обусловленная переменной по величине и направлению скоростью движения системы “штанги-плунжер”; вибрационная нагрузка Fвиб, обусловленная колебательными процессами, возникающими в колонне штанг под действием ударного приложения и снятия гидростатической нагрузки на плунжер; нагрузка от трения штанг в жидкости
Fтр г; сила гидростатического сопротивления Fкл н, вызванная перепадом давления в
нагнетательном клапане при движении жидкости.
Учитывая перечисленные нагрузки, можно записать выражения для определения усилия в точке подвеса штанг при ходе вверх Fв и вниз Fн:
12
Fв=F’шт+Fж+Fин в +Fвиб в+Fтр м+Fтр г+Fтр пл,
(8)
’
Fн=F шт-(Fин н+Fвиб н+Fтр м+Fтрг+Fкл н).
(9)
Равномерная нагрузка приводного двигателя штанговой скважинной установки
возможна только при наличии уравновешивающего устройства. В качестве критерия уравновешенности установки обычно принимается равенство работ, совершаемых приводным двигателем при ходе вверх и вниз.
При движении штанг вверх работа будет затрачиваться на перемещение
штанг и жидкости. С учетом уравновешивающего груза G работа
при ходе вверх:
Aв = (Fж + Fшm ) S – G S,
(10)
при ходе вниз:
Aн= - Fшm S + G S;
(11)
откуда, получим:
G = 0,5 Fж + Fшт
(12)
Для получения оценки эффективности выполнены расчеты усилий и мощности с использованием в качестве исходных данных ранее указанной динамограммы. При этом принято, что силы инерции, трения и прочие не превышают 10%,
как это часто делается при выполнении инженерных расчетов.
Разработанная математическая модель, представленная на рисунке 4 позволила исследовать наиболее важные динамические режимы: пуск под нагрузкой и реверс. На рисунке 6 в качестве примера представлены расчетные осциллограммы
электродинамической силы, токов id iq, линейной скорости и перемещения ЛЦВД
для конкретных значений приложенного напряжения и силы сопротивления в соответствии с динамограммой рисунка 5.
Рисунок 6 - Расчетные осциллограммы электродинамической силы,
перемещения, скорости движения, токов ЛЦВД
Подобные осциллограммы позволяют рассчитать и проанализировать быстродействие линейного ЭП, а также оценить динамические броски токов и электромагнитных усилии, которые необходимо знать и учитывать при оценке надежности и долговечности отдельных узлов механизмов.
13
В четвертой главе рассмотрены вопросы расчета характеристик и параметров ЛЦВД в составе комплекса электрооборудования СШНУ, а также особенности
его электромагнитного расчета.
Массогабаритные и энергетические показатели ВД в значительной степени
зависят от свойств используемых постоянных магнитов. Материал ПМ выбирается
из условий получения наибольшей индукции в рабочем воздушном зазоре и обеспечения его коррозионной стойкости в агрессивной среде (вода, нефть, песок). Таким требованиям удовлетворяют оксидные феррит-стронциевые магнитотвердые
материалы и, в известной степени, магнитопласты на основе редкоземельных соединений (неодим-железо-бор). Устойчивость этих материалов к коррозии, достигается, например, за счет использования специальной химически стойкой полимерной связки.
Для количественной оценки влияния свойств магнитов на массогабаритные
и энергетические показатели в диссертации выполнены электромагнитные расчеты
с выбором основных (главных) размеров ЛЦВД при возбуждении от ферритовых
ПМ, редкоземельных магнитопластов на основе неодим-железо-бор, неодимжелезо-бор – спеченный, самарий-кобальт.
Главными, или основными размерами ЛЦВД являются - диаметр по рабочему воздушному зазору и длина пакетов подвижной или неподвижной частей
ЛЦВД. При расчете исходили из классического представления удельной тангенциальной силы Fk, снимаемой с единицы поверхности ротора (подвижной части)
электрической машины. Для повышения Fk применяют специальные конструкции
ротора с концентрацией магнитного потока, а также используют высокоэнергетические редкоземельные (РЗМ) ПМ. С помощью критерия Fk при наличии опыта
разработки ВД с возбуждением от РЗМ ПМ можно с приемлемой точностью оценить главные размеры проектируемых ЛЦВД и их зависимость от удельных нагрузок с последующим уточнением в процессе электромагнитного расчета.
Расчетная формула для определения главных размеров ЛЦВД имеет вид:
f уд  A B  kф k w
(13)
здесь fуд = T/(π D L) – продольное усилие на штоке, отнесенное к единице поверхности ротора; A – линейная нагрузка электрической машины; Bδ – индукция в рабочем воздушном зазоре; α – коэффициент полюсного перекрытия; kф коэффициент формы поля; kw –обмоточный коэффициент.
Такой подход позволил рассчитать главные размеры ЛЦВД с различными
ПМ, которые входят в выражение (14) вытекающего из формулы (13):
Lmax 
Tmax
 D k ф k w  B A
(14)
где Lmax – длина электромагнитной части; Тmax – наибольшее продольное усилие
на штоке; D – диаметр ротора.
При выборе кинематических схем по типу показанных на рисунках 2 б, в
диаметр ротора может быть увеличен (аналогично данным, приведенным в технической литературе для ЛЦАД).
14
Выполнены расчеты главных размеров ЛЦВД с ПМ: магнитопласт на основе
редкоземельных соединений неодим-железо-бор; неодим-железо-бор спеченный,
феррит стронция, самарий-кобальт. В таблице 2 приведены результаты этих расчетов
Таблица 2 - Результаты расчетов главных размеров ЛЦВД
Материал ПМ
и его свойства
Диаметр
ротора,
D,мм
Магнитопласт: Br =0,6 Тл,
70
HcB =600 кА/м.
350
Неодим-железо-бор спеченный,
70
самарий-кобальт: Br =1,05 Тл,
350
HcB = 800 кА/м
Феррит стронция: Br =0,4 Тл,
70
HcB = 290 кА/м
350
Br - остаточная индукция; HcB коэрцитивная сила
Индукция
в рабочем
зазоре, Тл
Линейная
нагрузка,
А/м
1
1
1,25
34000
40000
34000
Длина
электромагнитной
части, м
4,475
0,761
3,580
1,25
40000
0,609
0,75
0,75
34000
40000
5,967
1,014
Расчет полей рассеяния и степени концентрации рабочего магнитного потока через воздушный зазор ЛЦВД проводился с помощью программы Elcut. Для
конструкции ЛЦВД, изображенной на рисунке 3 была получена формула для коэффициента концентрации магнитного поля в рабочем зазоре:
К КМП 
В
2  ( R2  R1 )

В м.ср (1  K  )  b p
(15)
где R1, R2 – внутренний и внешний радиусы кольцевого ПМ; bp – толщина полюса ЛЦВД, Кσ -коэффициент рассеяния магнитного поля ПМ; Вм.ср. – средняя
магнитная индукция внутри ПМ; Вδ – магнитная индукция в рабочем зазоре.
Результаты расчетов, оформленные в виде графиков, приведены на рисунках
7 (а-г). Расчеты показывают (рисунок 7 а), что с увеличением полюсного деления τ
коэффициент рассеяния Кσ уменьшается: при увеличении полюсного деления τ с
15 до 25 мм коэффициент рассеяния Кσ уменьшается на 55,3 %. Минимум коэффициента рассеяния Кσ смещается в сторону больших значений bм*: от 0,4 до 0,6.
Соответственно рабочий магнитный поток Ф (рисунок 7 б) с увеличением
полюсного деления τ возрастает. Его максимум смещается в сторону больших значений bм*. Как видно из рисунка 7 б при изменении τ от 15 до 25 мм рабочий поток
Ф возрастает на 55%. Максимальный поток имеет значение в диапазоне 0,5÷0,6
Вб.
Как видно из рисунка 7 в, коэффициент концентрации магнитного поля Ккмп
растет с увеличением толщины магнита при заданной ширине полюса τ и может
достигать трех, четырех кратного значения, однако при дальнейшем увеличении
bм* вследствие насыщения магнитной цепи полюсов точность расчетов снижается,
и достоверность графиков при bм* больше 0,7 не соответствует действительности.
Практически можно рекомендовать с учетом предыдущих выводов выбирать значения bм* в диапазоне 0,5÷0,6. При этом Ккмп будет иметь значения 2,5÷3,5. Эти
рекомендации подтверждаются также рисунком 7 г. При значениях средней маг-
15
нитной индукции внутри ПМ выше 0,65 Тл, средняя индукция в рабочем зазоре
превышает 0,85 Тл и ее реализация встречает очень большие трудности.
а) Зависимости коэффициента рассеяния
Кσ от bм*=bм/τ
б) Зависимости рабочего потока Ф
от bм*=bм/τ
в) Зависимости коэффициента концентрации
магнитного поля Ккмп от bм*=bм/τ
г) Зависимости магнитной индукции в рабочем зазоре В от bм*=bм/τ
Рисунок 7 - Графики изменения значений коэффициента рассеяния, рабочего потока, коэффициента концентрации магнитного поля, магнитной индукции в рабочем зазоре в функции
от геометрических параметров магнитной системы для материала
ПМ – феррит - стронция, Br =0,4 Тл; HcB = 290 кА/м.
Аналогичные расчеты были получены для магнитных систем из других ПМ:
магнитопласт на основе редкоземельных соединений неодим-железо-бор: Br=0,6
Тл; HcB = 600 кА/м; неодим-железо-бор спеченный: Br =1,05 Тл; HcB = 800 кА/м;
самарий-кобальт Sm2Co17: Br =1,05 Тл; HcB = 800 кА/м.
В таблице 3 приведены основные характеристики и параметры рассмотренных выше вариантов ЛЦВД.
16
Таблица 3 Основные характеристики и параметры ЛЦВД
Тип ПМ
№
п/п
Параметр,
ед. измерения
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Полезная мощность на штоке , Вт
Масса магнитов, кг
Масса обмотки, кг
Масса ЛЦВД, кг
Электрические потери, Вт
Основные потери в стали , Вт
Механические потери, Вт
Добавочные потери, Вт
КПД ЛЦВД
Ферритстронция
Магнитопласт
8332
59,202
28,597
209,357
6739
46,40
0,00082
4,63
0,55
8332
54,86
24,867
220,648
4395
30,25
0,0007
3,025
0,65
Неодим-железобор cпеченный,
самарий-кобальт
8332
37,58
20,170
205,31
2930
20,17
0,00066
2,017
0,73
Сравнительную оценку энергоэффективности комплекса электрооборудования СШНУ в зависимости от варианта выбранной кинематической схемы и типа
электродвигателя предлагается проводить на основании следующей методики.
Сравнительную оценку энергоэффективности электротехнического комплекса СШНУ можно получить из соотношений затрат электроэнергии на добычу
единицы жидкости:
W
(16)
W уд 
Qж
где: W – расход электроэнергии , Qж – количество добытой (дебит) жидкости.
В диссертации приведены результаты сравнения энергоэффективности четырех вариантов СШНУ:
1. СШНУ с кривошипно - шатунным механизмом и приводом на базе АД
вращательного движения;
2. СШНУ с кривошипно - шатунным механизмом и приводом на базе ВД
вращательного движения;
3. СШНУ на базе линейного цилиндрического вентильного двигателя;
4. ЭП на базе линейного цилиндрического вентильного двигателя для эксплуатации двух скважин или двух пластов.
Было принято допущение, что в рассматриваемых вариантах разрабатывается один и тот же пласт, кроме варианта с откачкой нефти одновременно из двух
пластов, и используются одинаковые насосы и штанги. Т.е. при одинаковых ходах
штока и скоростях СШНУ имеют одинаковые динамограммы. Отсюда – одинаковый дебит жидкости, который можно рассчитать по динамограмме.
Для выполнения сравнительных расчетов использовалась динамограмма и
ваттметрограмма, представленные на рисунке 1. Поскольку продуктивности вариантов одинаковы, проводилось сопоставление затрат электроэнергии на добычу
жидкости всех вариантов.
За базовый был принят вариант СШНУ с традиционным кривошипно - шатунным механизмом и ЭП на базе асинхронного двигателя. Мощность WТ, потребляемую двигателем за цикл качания, можно рассчитать по ваттметрограмме, соответствующей используемой динамограмме:
17
nT
WT   Pi t
(17)
i 1
где: Pi – мощность, соответствующая отрезку времени ∆t ваттметрограммы, n –
количество отсчетов мощности за цикл качания.
Вариант СШНУ с кривошипно - шатунным механизмом и приводом на базе
ВД имеет уже показанные выше преимущества, получаемые за счет применение
двигателя меньшей номинальной мощности, с большим, примерно на 20% КПД и
cos φ.
Третий вариант СШНУ на базе ЛЦВД отличается от второго упрощенной
кинематикой, что позволяет рассчитывать на уменьшение потерь за счет исключения механизма преобразования вращательного движения приводного электродвигателя в поступательное перемещение полированного штока.
Привод на базе ЛЦВД для эксплуатации двух скважин или двух пластов
позволяет существенно повысит энергоэффективность решения, т.к. двигатель выполняет полезную работу при обоих направлениях движения штока.
Заключение
Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.
1. Выполнены расчеты технико-экономических показателей использования
комплекса электрооборудования в работе СШНУ на базе ВД и АД вращательного движения, в результате которых установлено, что применение ВД в
сравнении с АД при одинаковой стоимости преобразовательной части ЭП и
номинальных мощностях двигателей 2,5 кВт и 4 кВт соответственно, дает
экономию электроэнергии в процессе эксплуатации скважины ориентировочно 30 тысяч кВт*час в год.
2. Выбраны наиболее рациональные кинематические схемы построения комплекса электрооборудования СШНУ с вентильными двигателями возвратнопоступательного движения, для которых предложено конструктивное исполнение в виде линейного цилиндрического ВД, отличающихся от известных
наружным расположением подвижной части и гребенчатой структурой внутреннего магнитопровода. Показано, что применение ЛЦВД в комплекте с
насосной частью и ЭП соответствует современным экономическим и функциональным требованиям энергоресурсосберегающих технологий по сравнению с аналогичной системой на базе нерегулируемого и регулируемого АД;
3. Разработана математическая модель ЭП с линейным цилиндрическим вентильным двигателем, нагруженным на нефтяной штанговый насос, и отличающаяся тем, что в ней учтена динамограмма в виде зависимости усилия на
штоке от его перемещения, позволившая исследовать переходные процессы
ЛЦВД в режиме пуска и реверса в составе СШНУ. В результате исследования
на математической модели получены зависимости токов, электромагнитного
усилия, перемещения, скорости которые позволяют найти динамические параметры, обеспечивающие эффективность применения ЛЦВД;
4. Показаны преимущества методов контроля и диагностики СШНУ совместно
с ЭП путем использования динамограмм и ваттметрограмм, их эквивалентность, и применяемость при построении математической модели ЛЦВД с
18
учетом влияния балансирного механизма на усилия нагрузки на полированном штоке.
Основные публикации по теме диссертации
Публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:
1.
Артыкаева Э.М., Определение параметров работы станков- качалок нефти в
режиме энергосбережения / Э.М. Артыкаева // Вестник Чувашского университета.
– 2010. – № 3. – С.181 –187
2.
Артыкаева Э.М., Перспективы повышения энергоэффективности нефтедобывающих штанговых насосных установок / Э.М. Артыкаева, В.С. Генин, В.А.
Нестерин // Электротехника. 2011. - № 10. – С. 2-7
Публикации в других научных изданиях:
3.
Артыкаева Э.М., Методы контроля СКН / Э.М. Артыкаева, В.С. Генин //
Материалы научной сессии ученых по итогам 2007 года. – Альметьевск.: АГНИ,
2008. – С. 137-139
4.
Артыкаева Э.М., Контроль СКН с использованием динамограмм и ваттметрограмм / В.А. Нестерин, В.С. Генин, Э.М. Артыкаева // Ученые записки. Том VI –
Альметьевск.: АГНИ, 2008. – С. 192-198
5.
Артыкаева Э.М., Динамометрирование, ваттметрирование как способы контроля исправности работы штангового насоса / Э.М. Артыкаева // Материалы
научной сессии ученых по итогам 2008 года. – Альметьевск.: АГНИ, 2009. – С.
156-157
6.
Артыкаева Э.М., Система ваттметрического контроля. Взаимосвязь ваттметрограммы и динамограммы / Э.М. Артыкаева // Ученые записки. Том VII – Альметьевск.: АГНИ, 2009. – С. 228- 232
7.
Артыкаева Э.М., Использование коррелирующих коэффициентов при расчете параметров работы подземного оборудования / Э.М. Артыкаева, И.А. Гуськова,
// Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции ДНДС – 2009.
– Чебоксары, 2009. – С. 98-100
8.
Артыкаева Э.М., Эффективность производственного процесса добычи
нефти / Э.М. Артыкаева // Сборник трудов Международной научно-технической
конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов». – Тольятти.: ТГУ, 2009. - С. 224225
9.
Артыкаева Э.М., Ваттметрограммы / Э.М. Артыкаева, А.Н. Яруллина // Материалы докладов IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». – Казань.: КГЭУ, 2009. - С. 62-64
10. Артыкаева Э.М., Анализ влияния погрешностей на параметры СКН и организация энергосберегающих режимов / Э.М. Артыкаева // Материалы научной
сессии ученых по итогам 2009 года. – Альметьевск.: АГНИ, 2010. - С. 122-124
19
11. Артыкаева Э.М., Контроль работы СКН с помощью ваттметрограмм / Э.М.
Артыкаева // Материалы докладов V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». – Казань.: КГЭУ, 2010. - С. 98-99
12. Артыкаева Э.М., Повышение энергоэффективности нефтедобывающих
станков-качалок нефти с применением вентильных электродвигателей вращательного движения/ Э.М. Артыкаева // Materiály VII Mezinárodní vĕdĕcko-praktická konference «Aktuální vymoženosti vědy – 2011». Dil 19 Technickĕ vĕdy. - Praha Publishing House «Education and Science» s.r.o, 2011. - С. 47-50
13. Артыкаева Э.М., Выбор оптимальных параметров постоянных магнитов в
линейном цилиндрическом вентильном двигателе / Э.М. Артыкаева, В.А. Нестерин // Материалы XVIII Международной конференции по постоянным магнитам Москва, 2011. – С. 182-183
Формат 60х84/16. Бумага офсетная.
Печать оперативная. Тираж 100 экз. Заказ №842
Отпечатано в типографии
20
ФГБОУ ВПО "Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова"
428015 г. Чебоксары, Московский проспект, 15
21
22