НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 622.276.53.05 - 886
© П.Н. Цылев, И.Н. Щапова, В.А. Щапов, 2014
Повышение энергоэффективности асинхронных электромеханических преобразователей энергии электропривода скважинных штанговых насосов
Direction to increase the energy efficiency of asynchronous electromechanical energy converters for electric drive of sucker rod pumping installations
P.N. Tsylev, I.N. Shchapova
(Perm National Research Polytechnic University, RF, Perm), V.A. Shchapov (Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch of RAS, RF, Perm)
E-mail: irina.shchapova@gmail.com
Key words: asynchronous electric drive of sucker rod pump, the working winding, reactive current, power factor.
For periodic operation of unproductive oil wells is a number of shortcomings, to which, first of all, it is necessary to attributed decrease in volume of oil production, the intensive growth water cutting of production, productivity of the installed equipment does not meet the production rate of oil wells. Transition to a continuous mode of operation for unproductive oil wells until recently restrained by absence in the market elec-trotechnical production of asynchronous electromechanical energy converters (AEEC) with synchronous rotation frequency of a rotor 150-500 min-1 and power 3-10 KW. Vladimir Electromotor Plant JSC in 2010 started release one -and multi-speed AEEC with synchronous rotation frequency of a rotor 500 min-1 for the drive of rod pump. Use of such converters together with system of replaceable pulleys, belt drive and two-stage reducer allows provide a continuous mode of operation for number of unproductive oil wells. A further solution the translation problems of the unproductive oil wells from periodic mode of operation to continuous mode demands development of production AEEC with synchronous rotation frequency of a rotor 150-375 min-1. Difficulty in solving this problem is connected with ensuring acceptable values of energy indicators AEEC.
A design AEEC with increased value for coefficient of efficiency is proposed. The increase for the energy coefficient of efficiency and power efficiency AEEC is provided due to power factor increase to the values close to its limit value. The solution of this task is reached by placement on a stator AEEC the additional three-phase winding, which is connected to condensers. Such technical solution allows to create a magnetic field in air gap AEEC using reactive currents of additional winding and to unload a network three-phase winding from a reactive component of current.
П.Н. Цылев, к.т.н.,
И.Н. Щапова, к.т.н,
(Пермский национальный
исследовательский политехнический
университет),
В.А. Щапов
(Институт механики сплошных сред УрО РАН)
Адрес для связи: irina.shchapova@gmail.com
Ключевые слова: асинхронный электропривод скважинного штангового насоса, сетевая обмотка, реактивный ток, коэффициент мощности.
На предприятиях нефтяной и газовой промышленности преимущественное применение получили электромеханические преобразователи энергии трехфазного переменного тока: синхронные и асинхронные электродвигатели. Синхронные электродвигатели номинальной мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч киловатт работают на газокомпрессорных станциях, дожимных насосных станциях, блочных комплектных насосных станциях, буровых установках. В электроприводах малой и средней мощности от нескольких киловатт до нескольких сотен киловатт в большинстве случаев используются трехфазные асинхронные электродвигатели с корот-козамкнутой обмоткой на роторе. Их широкое применение на предприятиях нефтяной и газовой промышленности во многом определяется простотой конструкции, высокой надежностью работы и сравнительно небольшой стоимостью.
Принцип работы трехфазных асинхронных электродвигателей основан на использовании вращающегося магнитного поля, которое возбуждается системой токов, проходящих по обмоткам, размещенным на статоре. Частота вращения магнитного поля при питании обмотки статора асинхронного электродвигателя (АЭМПЭ) от сети промышленной частоты 50 Гц определяется по формуле
60 f
(1)
где / - частота питающего двигатель напряжения; р -число пар полюсов, определяемое схемой обмотки статора.
Частота вращения ротора АЭМПЭ при номинальной нагрузке на валу рассчитывается следующим образом:
60- fi
(i- О.
(2)
где 5ном - номинальное скольжение, которое для асинхронных электродвигателей с беличьей клеткой на роторе составляет 0,011-0,115 [1] (меньшие значения сколь-
110 05'2014
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
n
O
n
жения соответствуют асинхронным электродвигателям, имеющим большую номинальную мощность).
Согласно формуле (1) при работе асинхронных электродвигателей от питающей сети промышленной частоты 50 Гц частота вращения магнитного поля статора определяется числом пар полюсов р его обмотки. Так, если р = 1, то п0 = 3000 мин-1. При размещении на статоре обмотки, возбуждающей четыре пары полюсов, п0 = 750 мин-1. Частота вращения ротора двигателя при номинальной нагрузке на валу в соответствии с выражением (2) меньше п0 на величину п05ном.
Важнейшими показателями, характеризующими работу АЭМПЭ, являются их к.п.д. и коэффициент мощности. Эти энергетические показатели определяют эффективность процесса преобразования электрической энергии в механическую энергию и существенно влияют на габариты и стоимость преобразователей.
Паспортные данные асинхронных электрических двигателей серии 4А [2] и их анализ показывают, что значения номинального к.п.д. асинхронных электрических двигателей зависят от частоты вращения магнитного поля статора п0. Так, в асинхронных двигателях мощностью 0,25-11 кВт номинальный к.п.д. имеет наибольшие значения при п0 = 3000 мин-1. С уменьшением п0 номинальные к.п.д. двигателей указанного диапазона мощностей, как правило, снижаются. В качестве примера приведем значения номинального к.п.д. асинхронных двигателей мощностью 5,5 кВт: 87,5 % при п0 = 3000 мин-1, 85,5 % при п0 = 1500 мин-1, 85 % при п0 = 1000 мин-1, 83 % при п0 = 750 мин-1. В асинхронных двигателях мощностью 11-30 кВт в зависимостях к.п.д. (п0) наблюдается незначительно выраженный максимум при частоте вращения поля статора 1500 мин-1. Номинальные к.п.д. асинхронных электрических двигателей мощностью более 30 кВт при частоте вращения статора 1500, 1000, 750 мин-1 имеют практически одинаковые значения, близкие к своему наибольшему. Номинальный коэффициент мощности АЭМПЭ монотонно снижается с уменьшением частоты вращения магнитного поля статора и частоты вращения ротора [2].
Отмеченное свидетельствует о том, что АЭМПЭ с частотой вращения магнитного поля статора 3000 и 1500 мин-1 обладают более высокими энергетическими показателями. В связи с этим их применение на предприятиях нефтяной и газовой промышленности в высокопроизводительных электроприводах насосов и вентиляторов закономерно и отвечает требованиям проводимой на предприятиях политики энергосбережения. Однако в ряде производственных механизмов, эксплуатируемых на нефтепромыслах, использование АЭМПЭ с высокой частотой вращения магнитного поля статора и, следовательно, ротора совместно со стандартным механическим оборудованием не позволяет достичь оптимального режима работы технологического оборудования. К такому оборудованию, в частности, относятся установки скважинных штанговых насосов (УСШН), размещаемые в низкопродуктивных скважинах (дебит не превышает 5 м3/сут) [3, 4].
Асинхронный электропривод плунжера УСШН, помимо асинхронного электродвигателя, включает клиноремен-ную передачу с передаточным числом 2,86-4,50 и редуктор с передаточным числом 40. При использовании в электроприводе плунжера насоса асинхронных электродвига-
телей с синхронной частотой вращения ротора 3000 мин-1 балансир станка-качалки будет совершать 16,4-25,7 качаний в минуту, а при использовании асинхронных электродвигателей с синхронной частотой вращения 1500 мин-1 -
8.2-12,8 качаний. При таком числе качаний балансира станков-качалок, установленных на скважинах дебитом менее 5 м3/сут, будет осуществляться циклический режим отбора жидкости, для которого характерны периодические отключения приводного асинхронного электродвигателя и остановка скважины с целью накопления жидкости. Циклический режим работы низкопродуктивных нефтяных скважин с меньшим числом качаний балансира в минуту будет существовать и при установке на станках-качалках асинхронных электродвигателей с частотой вращения магнитного поля 1000 и 750 мин-1.
Недостатки, присущие циклическому режиму эксплуатации низкопродуктивных нефтяных скважин, приведены в работах [5-7]. Обратим внимание на следующие из них: снижение добычи нефти и несоответствие производительности установленного оборудования дебиту скважины. Увеличение добычи жидкости из низкопродуктивных нефтяных скважин при переводе их из циклического режима эксплуатации в непрерывный в среднем в
2.3-2,8 раза подтверждается данными, полученными в ходе многочисленных промысловых испытаний на объектах ОАО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» [8].
На втором недостатке циклического режима работы низкопродуктивных нефтяных скважин следует остановиться более подробно. УСШН в процессе подъема жидкости создают момент нагрузки, величина которого остается практически постоянной. Для его преодоления станки-качалки комплектуются асинхронными электродвигателями преимущественно с номинальной мощностью 15, 18,5, 22 кВт и номинальной частотой вращения ротора соответственно 735, 975, 1470 мин-1 [9].
Регламент работы низкопродуктивных нефтяных скважин куста, как правило, одинаков. Поэтому в периоды их эксплуатации электрическая нагрузка куста скважин определяется суммированием электрических нагрузок, создаваемых асинхронными электродвигателями отдельных станков-качалок. Эта нагрузка используется службами главных энергетиков нефтяных предприятий при расчете договорной активной мощности, которую сетевые компании обязуются поставлять нефтяным предприятиям в часы утреннего и вечернего максимумов электрических нагрузок. Договорная активная мощность в эти часы представляет собой первую ставку та
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.