Разработка и исследование электропривода для нефтедобывающих насосов с погружным магнитоэлектрическим двигателем

Важнейшим фактором современной мировой экономики, во многом определяющим и политику, является наличие и использование нефтяных ресурсов. Современная цивилизация не может существовать без нефти и нефтепродуктов, потребление которых постоянно растет. Основным является энергетическое направление их использования. В настоящее время доля нефти в мировом энергобалансе составляет более 46% [1].

Одной из главных задач, стоящих перед нефтедобытчиками, является задача рационального использования истощенных месторождений и залежей с тяжело добываемой нефтью [2−4]. В связи с этим все более значимыми являются вопросы научно обоснованного создания и эксплуатации нового нефтепромыслового оборудования, надежность и эффективность которого, в том числе экономическая, определяют эффективность всего процесса эксплуатации нефтяного месторождения [5−7].

В подавляющем числе случаев добыча нефти не обходится без специального оборудования и такой его важной составляющей, как насосная установка. Одним из основных видов техники добычи нефти в России являются погружные центробежные и винтовые насосы [8]. За последние годы изготовителями проделана большая работа по повышению качества традиционных погружных насосных установок. Однако и сегодня они нуждаются в дальнейшем техническом совершенствовании, которое позволило бы удовлетворить возросшие требования потребителей и обеспечить рост эффективности их использования.

Изменяющиеся в процессе работы привода нагрузки и интенсивность охлаждения электродвигателя, выдвигаемые требования к обеспечению функционирования в наклонных и сильно искривленных скважинах, сокращению энергопотребления, а также уменьшению стоимости изготовления, ремонта и эксплуатации приводов заставляют вести поиск новых технических решений.

Важнейшим фактором современной мировой экономики, во многом определяющим и политику, является наличие и использование нефтяных ресурсов. Современная цивилизация не может существовать без нефти и нефтепродуктов, потребление которых постоянно растет. Основным является энергетическое направление их использования. В настоящее время доля нефти в мировом энергобалансе составляет более 46% [1].

Одной из главных задач, стоящих перед нефтедобытчиками, является задача рационального использования истощенных месторождений и залежей с тяжело добываемой нефтью [2−4]. В связи с этим все более значимыми являются вопросы научно обоснованного создания и эксплуатации нового нефтепромыслового оборудования, надежность и эффективность которого, в том числе экономическая, определяют эффективность всего процесса эксплуатации нефтяного месторождения [5−7].

В подавляющем числе случаев добыча нефти не обходится без специального оборудования и такой его важной составляющей, как насосная установка. Одним из основных видов техники добычи нефти в России являются погружные центробежные и винтовые насосы [8]. За последние годы изготовителями проделана большая работа по повышению качества традиционных погружных насосных установок. Однако и сегодня они нуждаются в дальнейшем техническом совершенствовании, которое позволило бы удовлетворить возросшие требования потребителей и обеспечить рост эффективности их использования.

Изменяющиеся в процессе работы привода нагрузки и интенсивность охлаждения электродвигателя, выдвигаемые требования к обеспечению функционирования в наклонных и сильно искривленных скважинах, сокращению энергопотребления, а также уменьшению стоимости изготовления, ремонта и эксплуатации приводов заставляют вести поиск новых технических решений.

Суммируя требования, изложенные в различных источниках, можно заключить, что электропривод нефтедобывающих насосов должен обладать следующими основными качествами:

— быть регулируемым в широком диапазоне частот вращения (1:8) и нагрузок (1:10);

— КПД электропривода и коэффициент мощности электродвигателя должны оставаться высокими при всех основных режимах эксплуатации;

— иметь высокую мощность в заданных габаритах;

— обеспечивать возможность работы с минимальной частотой вращения и минимальных расходах охлаждающей (пластовой) жидкости;

— иметь малые потери в длинной силовой линии связи погружного электродвигателя с поверхностью;

— отношение вращающего момента электродвигателя в кратковременном режиме перегрузки к номинальному значению должно быть не менее 2;

— обеспечивать возможность автоматической адаптации к изменяющимся условиям функционирования для оптимизации режима работы насосной установки;

— электродвигатель должен обладать свойствами, позволяющими применить достаточно простые, но эффективные алгоритмы управления.

Помимо обеспечения указанных качеств электропривода важно минимизировать его себестоимость, что обусловливает необходимость применения соответствующей полупроводниковой элементной базы, материалов и выбора рациональной структуры привода, обеспечения высокой технологичности изготовления.

До настоящего времени для привода нефтедобывающих насосов, как правило, используются погружные асинхронные электродвигатели серии ПЭД [9, 10]. Этому типу привода присущи невысокие КПД и коэффициент мощности, большие пусковые токи, относительно большая длина электродвигателя, а также сложность реализации алгоритма эффективного управления.

Актуальность выбранной темы.

Таким образом, в связи с возрастающими требованиями в повышении эффективности добычи нефти, используемые в настоящее время погружные асинхронные двигатели, не удовлетворяют запросам потребителей. Поэтому необходима и актуальна разработка нового электропривода насосов с погружными электродвигателями, способного отвечать современным требованиям.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование электроприводов, обладающих высокими потребительскими свойствами, для центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с погружными электродвигателями.

Для достижения поставленной цели в работе потребовалось решить следующие задачи:

1. Выбрать тип электропривода и погружного электродвигателя для нефтедобывающих насосов.

2. Обосновать рациональные конструкции магнитных систем электродвигателей погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие высокой технологичностью и высокими энергетическими показателями.

3. Разработать математическую модель электромагнитных процессов для исследования и проектирования электропривода с погружным магнитоэлектрическим двигателем (МЭД), учитывающую конструктивные особенности и алгоритмы управления электроприводом, разработать схемы замещения исследуемых магнитных систем, проверить адекватность разработанной модели.

4. Дать рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружного МЭД с учетом особенностей применения, а также по алгоритму управления вентильным электроприводом (ВЭП).

5. Спроектировать и исследовать погружные МЭД предложенных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления.

Объект исследования.

Объектом исследования в работе является вентильный электропривод (ВЭП) для центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с погружными маслозаполненными МЭД [11−13].

ВЭП состоит из наземной и подземной (погружной) части. В состав наземной части входит силовая станция управления, которая подключается к промышленной трехфазной сети напряжением 380 В, частотой 50 Гц и повышающий трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку цепей. Погружная часть ВЭП состоит из МЭД и линии передачи.

Особенности конструкций разработанных МЭД заключаются в следующем: погружной двигатель заполняется трансформаторным маслом под давлением около 25 МПа, а снаружи охлаждается прокачиваемой между корпусом и обсадной трубой скважины пластовой жидкостью с температурой до 135°Срегулирование выходных характеристик ВЭП осуществляется с помощью бездатчикового способа управленияпри существенно большой мощности (от 16 до 400 кВт) погружные МЭД выполняют в корпусе малого диаметра (92, 103, 117 и 130 мм), но большой длины (до 6 м) — в магнитных системах используются статор с закрытыми пазами и ротор с замкнутыми для размещения постоянных магнитов окнамимагнитопровод набирается из тонколистовой электротехнической стали так же, как выполняются магнитные системы погружных асинхронных двигателей.

В настоящей работе под ВЭП в дальнейшем будем понимать электропривод, у которого состояние ключей инвертора определяется положением ротора. Асинхронный электропривод, управляемый от преобразователя частоты выделен в отдельный класс электроприводов.

Методы исследования.

Комплексное исследование электропривода на базе МЭД включает в себя анализ электромагнитных процессов с помощью аналитических методов исследования, базирующихся на методе мгновенных значений, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и матричной алгебре. Исследования электромагнитных и тепловых процессов в МЭД проводились посредством математических моделей, основанных на методе эквивалентных схем замещения, и с применением пакета конечно-элементного анализа ЕЬСиТ.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций в диссертационной работе обосновывается хорошим совпадением результатов теоретического исследования и экспериментальных данных, полученных на опытных образцах для различных режимов работы привода.

Научная новизна и практическая ценность.

1. Обоснована целесообразность применения ВЭП с погружным МЭД для нефтедобывающих установок центробежных и винтовых насосов.

2. Разработаны конструкции магнитных систем электродвигателя погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие хорошей технологичностью изготовления и высокими энергетическими показателями.

3. Разработаны математическая модель электромагнитных процессов и схемы замещения выбранных магнитных систем для исследования и проектирования погружных МЭД, учитывающие их конструктивные особенности и алгоритмы управления ВЭП, позволяющие с малыми затратами времени и приемлемой точностью рассчитывать выходные показатели и характеристики ВЭП. Проверена адекватность разработанной модели.

4. Даны рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружных МЭД с учетом особенностей их применения, а также по алгоритму управления ВЭП.

5. С использованием разработанной математической модели спроектированы и исследованы погружные МЭД предложенных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления, отвечающие современным требованиям, предъявляемым к электродвигателям подобного назначения.

Внедрение результатов работы:

Разработанные математические модели реализованы в виде комплекса программ и готовы для использования на персональном компьютере. Их использование позволяет вести расчетные исследования и проектирование МЭД погружного исполнения рассмотренных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления.

Результаты диссертационной работы использованы:

1. При серийном производстве ГК «БОРЕЦ» погружных МЭД серии 1ВЭДБТ в габарите 117 мм мощностью 18, 26, 36, 45, 72, 110, 128, 180 и 20 кВт (500−3500 об/мин) для центробежных насосов, и серии 2ВЭДБТ в габарите 117 мм мощностью 10, 14, 21, 28, 35, 42, 49, 56 и 70 кВт (250−1500 об/мин) для винтовых насосов. Электродвигатели в габаритах 103 и 130 мм находятся на стадии производства и испытания.

2. При разработке ООО «РИТЭК-ИТЦ» типоразмерных рядов МЭД для погружных центробежных и винтовых насосов в корпусах диаметром 92, 117 мм, мощностью 16, 24, 40, 48 и 64 кВт.

3. ФГУП «Альфа» при проведении работ, связанных с разработкой вентильного электропривода специального назначения и поиском оптимальных режимов управления электроприводом со сходной магнитной системой.

Разработанное в рамках данной работы программное средство учебного назначения (ПСУН) реализовано в учебном процессе на кафедре ЭКАО МЭИ (ПСУН «Программа моделирования электромагнитных процессов в вентильных синхронных машинах с возбуждением от постоянных магнитов»), а также используется при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ.

Область применения результатов:

Основной областью применения результатов работы является ВЭП для нефтедобывающих погружных насосов. Кроме того, разработанные математические модели, а также результаты расчетных исследований по выявлению влияния параметров на выходные характеристики, могут быть использованы при проектировании и исследовании ВЭП другого назначения.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Обоснование выбора типа электропривода и погружного электродвигателя для нефтедобывающих насосов.

2. Рациональные конструкции магнитных систем электродвигателя погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие высокой технологичностью и высокими энергетическими показателями.

3. Математическая модель электромагнитных процессов и схемы замещения выбранных магнитных систем для исследования и проектирования погружных МЭД. Результаты проверки адекватности разработанной модели.

4. Результаты математического моделирования ВЭП на базе спроектированных МЭД.

5. Рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружного МЭД с учетом особенностей применения, а также по алгоритму управления ВЭП.

Апробация работы.

Основные результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института, а также на следующих конференциях:

— одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 1−2 марта, 2005;

— двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 2−3 марта, 2006;

— тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 1−2 марта, 2007;

— четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 28−29 февраля, 2008.

Для решения поставленных задач в первой главе описаны функции, выполняемые приводом в составе насосной установки, проведен обзор различных видов установок для погружных скважинных насосов, используемых в настоящее время, проанализированы условия работы электропривода (ЭП) и предъявляемые к нему требования. Проведен обзор электродвигателей, применяющихся в настоящее время в составе ЭП для погружного электронасоса.

Во второй главе приведены структурная и функциональная схемы ВЭП с погружным электродвигателем, проведен обзор различных типов электрических машин, возможных для использования в составе ВЭП. По результатам анализа в качестве наиболее перспективного варианта, выбран МЭД. Описаны особенности конструкции, предложены рациональные типы магнитных систем с постоянными магнитами (ПМ), имеющие высокие энергетические показатели и обладающие хорошей технологичностью в изготовлении. Проанализированы свойства материалов, применяемых для изготовления ПМпо результатам их анализа и сравнения как наиболее приемлемый для использования в погружных электродвигателях выбран материал на основе сплава неодим-железо-бор.

В третьей главе произведен выбор методов исследования, разработана математическая модель электромагнитных процессов в ВЭП на базе МЭД, выполненная с использованием малоузловых схем замещения. Для конкретных объектов исследования на основе анализа численных результатов, полученных с помощью разработанного программного продукта и их сравнения с экспериментальными данными проведена проверка адекватности математической модели и сделан вывод о целесообразности ее использования как инструмента для исследования и проектирования ВЭП на базе погружного МЭД для центробежных и винтовых насосов.

Приведена методика оценки теплового состояния электродвигателей на базе эквивалентных тепловых схем замещения.

Четвертая глава посвящена расчетным исследованиям, выполненным с использованием разработанной математической модели. Проведен сравнительный анализ характеристик и показателей МЭД с магнитными системами различной конфигурации, а также исследование влияния конструктивных параметров отдельных магнитных систем на выходные показатели МЭД.

С помощью разработанной модели приведены результаты электромагнитного расчета погружного МЭД одной из предложенных конструкций. Выявлено, что высокие значения КПД и коэффициента мощности сохраняются во всем диапазоне частот вращения и нагрузок.

Проведена оценка теплового состояния восьмиполюсного погружного МЭД, сделан вывод о его соответствии требованиям по перегреву, проведено сравнение полученных данных с экспериментом. Приемлемая степень адекватности модели говорит о целесообразности ее применения для оценки теплового состояния погружных МЭД.

Даны рекомендации для выбора размеров и параметров магнитных систем погружных МЭД при их применении в нефтедобывающем оборудовании, представляющие практическую ценность при проектировании двигателей данного назначения.

По результатам анализа имеющихся данных проведено сравнение приводов на базе МЭД и АД, находящихся в эксплуатации.

В заключении обобщены основные результаты и сделаны выводы по работе.

Основные положения диссертации освещены в следующих статьях и публикациях:

1. Окунеева Н. А., Соломин А. Н., Русаков А. М. Вентильные электродвигатели в составе нефтедобывающего оборудования // «Электричество», 2008. № 1.-С. 60−65.

2. Окунеева Н. А., Русаков А. М., Соломин А. Н., Шатова И. В. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных двигателях // «Вестник МЭИ», 2007. № 3. — С. 33−39.

3. Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Магнитные системы вентильных электродвигателей для погружных насосов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Одиннадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл.: В 3-х т. — М.: Издательский дом МЭИ, 2005. Т. 2. — С. 90.

4. Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Разработка и исследование погружных вентильных индукторных двигателей для нефтедобычи // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл.: В 3-х т. — М.: Издательский дом МЭИ, 2006. Т. 2.-С. 78−79.

5. Окунеева Н. А., Русаков А. М., Соломин А. Н. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных двигателях для нефтедобывающего оборудования // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тринадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл.: В 3-х т. — М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Т. 2. — С. 72−73.

6. Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Результаты испытания вентильных двигателей специального назначения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Четырнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл.: В 3-х т. — М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Т. 2. — С. 62−63.

По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 95 наименований. Ее содержание изложено на 204 страницах машинописного текста, включая 93 рисунка, 26 таблиц и 4 приложений.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. По результатам сравнительного анализа характеристик и показателей четырехполюсных четырехсекционных погружных МЭД, рассчитанных на мощность 40 кВт (при 3000 об/мин), с магнитными системами различной конфигурации при условии одинаковых тепловых нагрузок, сделан вывод о том, что выходные показатели вентильных электродвигателей зависят большей частью от суммарной массы магнитов и коэффициента рассеяния магнитного потока. При этом все МЭД с рассмотренными вариантами магнитных систем имеют высокий КПД (более 92%) и уровень соэф в пределах 0,95-Н.

2. Проведенные исследования по влиянию ряда геометрических параметров на выходные показатели МЭД на холостом ходу показали, что рациональная толщина магнитов находится в переделах 3,5^-4,5 мм, а величину перемычек и рабочего зазора следует выбирать минимально возможными. Рациональный коэффициент полюсного перекрытия лежит в интервале 0,7-Ю, 8.

3. Величина дискретного скоса на роторе МЭД и число сдвигаемых модулей влияют на уровень момента залипания и форму ЭДС. Проведенные исследования показали, что оптимальные значения этих показателей достигаются при угле скоса, равном 0,75 зубц. дел. статора и 4 сдвигаемых модулях.

4. Сделан вывод о нецелесообразности применения радиального намагничивания магнитов в конструкции ротора с дуговыми магнитами, так как это приводит к снижению линейной ЭДС почти на 10%. При равнозначности в технологическом отношении процессов намагничивания магнитов отдано предпочтение осевому намагничиванию.

5. Исследование конструкции с увеличенным немагнитным зазором, образованным при креплении магнитов немагнитным материалом с необходимыми прочностными и температурными свойствами, коэффициентом расширения, сходным со сталью ротора, показало, что применение такого варианта позволило бы упростить конструкцию ротора, а при правильном выборе материала массивной втулки располагать магниты прямо на ней, не используя шихтованного ярма ротора, вследствие отсутствия перемагничивания в роторе. Расчеты показали, что данный технологический прием значительного влияния на форму и уровень ЭДС, в сравнении с базовым вариантом, не оказывает, а также позволяет отказаться от дискретного скоса на роторе, что подтверждено соответствующими осциллограммами.

6. Угол включения фазы оказывает существенное влияние на токи, напряжения и энергетические показатели ВЭП. Разработанная математическая модель позволяет выявить оптимальное значение этого угла.

7. Расчеты, проведенные при разработке серий погружных МЭД для ВЭП УЦН и УВН, подтвержденные при эксплуатации этих двигателей (, показали высокий уровень энергетических показателей разработанных электродвигателей. Для представленного в главе погружного МЭД, принадлежащего серии 1ВЭДБТ-117В5, мощностью 80 кВт, разработанного для ГК «Борец», КПД составил 92+94%, а совф — 0,95+1,0. Высокий уровень этих показателей сохраняется во всем требуемом диапазоне частот вращения (3000+6500 об/мин) и нагрузок, что позволяет расширить диапазон регулирования ВЭП до частоты вращения 7000 об/мин.

8. С помощью расчетной программы, реализующей математическую модель тепловых процессов, для погружного ВД125−117 были проведены расчетные исследования при различных значениях средних длин лобовых частей (£лоб = 100- 200- 300 мм) и коэффициентов «омыва» лобовых частей к011 (0,4+1) при работе двигателя в номинальном режиме, по результатам которых для исследуемого двигателя ВД125−117 при частоте вращения 3000 об/мин рекомендуется принять кол =0,7.

9. Анализ приведенных зависимостей показывает, что температура отдельных его элементов достигает: магнитов — 111 °C (перегрев — 16°С) — корпуса — 100 °C (перегрев — 5°С) — лобовой части обмотки — 112 °C (перегрев — 17°С) — пазовой части обмотки — 113 °C (перегрев — 18°С) — зубцов статора — 106 °C (перегрев — 11°С) — спинки статора — 102 °C (перегрев — 7°С).

10. При проведении эксперимента по оценке теплового состояния двигателя ВД125−117 в номинальном режиме превышение установившейся температуры пазовой части обмотки двигателя над температурой окружающей среды составило 15−18°С, что говорит о высокой достоверности полученных результатов.

11. Проведенный сравнительный анализ АЭП и ВЭП показал, что ВЭП для погружных установок имеют следующие преимущества:

— высокие значения КПД ВД (более 90%) и coscp (более 0,95);

— пониженное на 15−25% энергопотреблениеменьшие в 2 и более раз габариты активной части ВДболее простая реализация управления приводом.

12. Данные рекомендации по выбору размеров и параметров магнитных систем погружных МЭД при их применении в нефтедобывающем оборудовании, представляют практическую ценность при проектировании двигателей данного назначения.

13. Замена асинхронного электродвигателя вентильным в составе привода погружных центробежных и винтовых установок для добычи нефти является перспективным, целесообразным и экономически выгодным решением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В соответствии с содержанием поставленной цели и задач в данной диссертационной работе:

1. На основе анализа условий работы и требований, предъявляемые к приводу для погружных электронасосов, и проведенного сравнения ВЭП с АЭП, применяемым на практике, обоснована целесообразность применения ВЭП с погружным МЭД для нефтедобывающих установок центробежных и винтовых насосов.

2. Разработаны рациональные конструкции магнитных систем электродвигателя погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие хорошей технологичностью изготовления и высокими энергетическими показателями.

3. Разработаны математическая модель электромагнитных процессов и схемы замещения выбранных магнитных систем для исследования и проектирования погружных МЭД, учитывающие их конструктивные особенности и алгоритмы управления ВЭП, позволяющие с малыми затратами времени и приемлемой точностью рассчитывать выходные показатели и характеристики ВЭП. Проверка адекватности разработанной модели показала, что расхождение по выходным показателям ВЭП составляет не более 7%.

4. С использованием разработанной математической модели впервые в мире спроектированы и исследованы погружные МЭД предложенных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления.

5. Разработаны серии погружных МЭД для ВЭП УЦН и УВН, подтвердившие результаты расчетов и показавшие при эксплуатации высокий уровень энергетических показателей (КПД — 9СН-94%, соБср — 0,95^-1,0), сохраняющийся в требуемом диапазоне частот вращения и нагрузок.

6. Дана оценка тепловому состоянию ВЭП на базе МЭД с учетом условий эксплуатации и особенностей погружного исполнения, сделан вывод о соответствии проектируемых погружных ВЭП требованиям по перегреву.

Тепловые расчеты показали хорошее совпадение с экспериментом, что говорит о высокой достоверности полученных результатов.

7. Даны рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружного МЭД с учетом особенностей применения.