Full Text

В настоящее время для добычи нефти из скважин в основном используются станки-качалки. Кроме неоспоримых преимуществ они имеют и серьезные недостатки. Именно по этой причине в качестве альтернативного решения могут быть цилиндрические линейные асинхронные электродвигатели (ЦЛАД) или цилиндрические линейные вентильные электродвигатели (ЦЛВД). Они уже достаточно широко применяются в электроприводах нефтедобывающей промышленности. Для добычи нефти из малодебитных скважин на них сейчас обычно устанавливают погружной бесштанговый электронасосный агрегат» (ПБЭНА), в состав которого входит ЦЛАД или ЦЛВД [1]. Преимущества цилиндрического линейного вентильного двигателя. Погружные плунжерные насосы с колонной насосных штанг, используемые в настоящее время повсеместно для малo- и среднедебитных и глубоких скважин, не удовлетворяют в полной мере запросам потребителей. В связи с этим возникает необходимость разработки эффективного линейного электропривода (асинхронного или вентильного) для создания погружных плунжерных бесштанговых электронасосных агрегатов [2, 3]. Разработка и внедрение подобных устройств позволяют обеспечить ряд существенных преимуществ, обусловленных исключением колонны штанг и станка-качалки, что позволяет приблизить двигатель к насосному агрегату, а именно: - снижение металлоемкости конструкции (при этом уменьшаются не только массовые, но и габаритные показатели), за счет этого уменьшаются затраты, связанные со строительными и монтажными работами [4]; - уменьшение затрат, связанных с производством подземных ремонтов; - глубина опускания бесштангового электронасосного агрегата в скважину, который может достигать 3 км и больше [5, 6]. Устройство и принцип действия цилиндрического линейного вентильного двигателя. Состав ЦЛВД: - неподвижный индуктор круглой формы предназначен для создания рабочего магнитного поля, движущегося поступательно; - подвижная часть двигателя в виде штока, на котором крепятся постоянные магниты. В этом двигателе магнитное поле движется поступательно по направлению оси ротора. На рис. 1 представлен продольный разрез ЦЛВД (слева - индуктор, справа - вторичный элемент - «шток»). tz t N S S N N S N S S N N S Dc D d Рис. 1. Продольный разрез вторичного элемента и индуктора Катушки обмотки индуктора соединяются последовательно на протяжении всей его длины. Обмотка индуктора является трехфазной и снабжается электроэнергией от преобразователя частоты (ПЧ). Обмотка индуктора создает рабочее магнитное поле, поступательно движущееся по внутренней поверхности. Скорость движения и направление магнитного поля регулируются с помощью ПЧ [7, 8]. Диаметр вторичного элемента . Воздушный зазор между индуктором и вторичным элементом составляет 1,5 мм и выдерживается равномерным по всей длине двигателя. Вторичный элемент (ротор) размещается внутри индуктора симметрично, и его горизонтальная ось проходит по середине штока. Концы штока вторичного элемента выходят за пределы индуктора с обеих сторон. Выступающие концы ротора закрепляются в подшипниках скольжения для уменьшения сил трения. Постоянные магниты вторичного элемента имеют следующие параметры: коэрцитивная сила кА/м, магнитная индукция Тл [9-11]. Принцип действия электронасосного агрегата: поршень насоса совершает возвратно-поступательные движения благодаря непосредственной связи его со штоком электродвигателя типа ЦЛВД (или ЦЛАД). Электронасосный агрегат (двигатель и насос) полностью опускается в скважину на необходимую глубину. По кабельной линии на обмотку двигателя подается трехфазное напряжение от ПЧ, который находится в непосредственной близости от устья скважины на поверхности [12, 13]. Расчёт мощности и тягового усилия ЦЛВД. ЦЛВД погружного типа имеет модульную конструкцию, т.е. его полная рабочая конструкция состоит из отдельных модулей. Активная часть каждого модуля ЦЛВД имеет длину 980 мм. Для получения необходимого тягового усилия несколько модулей соединяют последовательно. Таким образом, определяется и длина реального ЦЛВД. Поскольку диаметр обсадной трубы скважины ограничивает возможный диаметр ЦЛВД ( ), то для получения необходимого тягового усилия следует увеличивать его длину. Именно по этой причине длина ЦЛВД на практике может составлять 8-10 м. Шток плунжерного насоса соединяется с ротором ЦЛВД, и вместе они совершают возвратно-поступательное движение. Тяговое усилие при движении ротора обеспечивает рабочий ход вверх с усилием и обратный ход вниз с усилием при условии: [14-16]. Исследования проводились с использованием программного обеспечения Mathcad, с помощью которого были произведены все необходимые расчеты и построены графики различных зависимостей и характеристик. Основными характеристиками ЦЛВД для плунжерного насоса являются тяговое усилие и полезная мощность [17]. Исходные данные указаны в таблице. Исходные данные Условные обозначения Единицы измерения Значения Примечание м 0,055 Диаметр ротора А 30 Действующее значение тока обмотки индуктора А/м 680000 Напряженность магнитного поля Тл 1,1 Магнитная индукция в зазоре м 0,03 Полюсное деление м 0,0015 Ширина немагнитного зазора b м 0,015 Ширина полюса 20 Число витков в пазу м 0,01 Зубцовое деление индуктора 16 Число пар полюсов м 0,047 Внешний диаметр реального магнита ЦЛВД м 0,022 Внутренний диаметр реального магнита ЦЛВД м 0,008 Ширина реального магнита ЦЛВД Гц 1 Частота сети о.е. 12,56×10-7 Магнитная проницаемость Согласно закону Ампера тяговое усилие модуля ЦЛВД можно найти по формуле: , (1) где - линейная токовая нагрузка обмотки индуктора; a - коэффициент полюсного деления, ; - ширина полюса; - магнитная индукция в зазоре; D - диаметр вторичного элемента между серединами воздушного зазора, ; - длина активной части одного модуля индуктора. Линейная токовая нагрузка катушки обмотки индуктора определяется по формуле: (2) где - количество витков в катушке обмотки индуктора; - действующее значение тока обмотки индуктора; - зубцовое деление индуктора. Все величины, входящие в формулу (1) и участвующие в определения тягового усилия, заданы, исходя из геометрических размеров и токовой нагрузки обмотки (2). Исключением является магнитная индукция в зазоре, так как она при расчете по формуле (1) неизвестна. Магнитная индукция в зазоре ЦЛВД создается постоянными магнитами, расположенными на немагнитном штоке вторичного элемента, и токами обмотки индуктора (реакция якоря) [18]. На базе идеализированной расчетной модели, изображенной на рис. 2, производится расчет магнитного поля в зазоре на протяжении полюсного деления. Рис. 2. Расчетная модель цилиндрического линейного вентильного двигателя В основу расчетной модели положены следующие допущения: 1. Ферромагнитные сердечники индуктора с , по направлению оси имеют бесконечные размеры, а длина активной части двигателя ; 2. Ширина двигателя (зона 1) в направлении оси бесконечно велика; 3. Сердечник индуктора не имеет пазов, а их влияние учитывается соответствующим увеличением зазора; 4. Магнитная проницаемость полюсов вторичного элемента бесконечно велика, а их ширина равна ; 5. Магниты намагничены по направлению оси , их магнитная проницаемость равна , а ширина ; 6. Магнитная проницаемость зазора в зоне 2 и в зоне 4 равна ; 7. Магнитная индукция в воздушном зазоре имеет только одну составляющую, и направлена она по оси . Реальные геометрические размеры магнита представлены на рис. 3. При переходе от цилиндрической системы координат к декартовой реальные геометрические размеры магнита также изменяется согласно рис. 4. В этом случае ширина магнита остается , а длина определяется пунктирной линией на рис. 3: (3) Рис. 3. Реальный магнит цилиндрического линейного вентильного двигателя Рис. 4. Магнит цилиндрического линейного вентильного двигателя в декартовой системе координат Высота магнита по координате Z в декартовой системе координат определяется по выражению: (4) При принятых в расчетной модели допущениях, магнитное поле, возбуждаемое постоянным магнитом, замыкается по пути, который обозначен пунктирной линией на рис. 2. Таким образом, магнитный поток магнита два раза пересекает воздушный зазор и замыкается на половине двух соседних полюсов [19, 20]. Магнитное сопротивление в зазоре определяется по выражению: (5) где l - длина воздушного зазора ЦЛВД, ; - диаметр вторичного элемента. Магнитное сопротивление магнита на участке : (6) (7) Магнитно-движущая сила магнита определяется согласно [7]: (8) При принятых допущениях магнитный поток на половине полюса определяется на основе эквивалентной электрической принципиальной схемы замещения магнитной цепи, представленной на рис. 5 [21]. FM RM fd Fd Rd Рис. 5 Эквивалентная схема замещения магнитной цепи ЦЛВД На основании этой эквивалентной схемы замещения можно записать: ; (9) Индукция в зазоре ЦЛВД: (10) где - площадь одного полюса, Скорость холостого хода (11) Полезная мощность (12) Проведя аналогичные расчеты и изменяя действующий ток обмотки индуктора I в диапазоне от 5 до 35 А с шагом 5 А, были определены значения тягового усилия и установлена зависимость тягового усилия от действующего тока обмотки индуктора (рис. 6). I, А 0 10 20 30 40 5´103 4´103 3´103 2´103 1´103 0 Рис. 6. Графическая зависимость тягового усилия от действующего тока обмотки индуктора: F = f(I) Исследуя мощность цилиндрического линейного вентильного двигателя, были получены следующие характеристики двигателя в диапазоне сверхнизких частот: от 1 до 7 Гц, с шагом 1 Гц. В соответствии с полученными данными были построены графические зависимости изменения значения полезной мощности от значения действующего тока обмотки индуктора в диапазоне сверхнизких частот от 1 до 7 Гц (рис. 7). При этом изменение частоты не повлияло на значение тягового усилия ЦЛВД, и графическая зависимость тягового усилия от действующего тока обмотки индуктора при разных частотах изменяться не будет, и будет иметь вид, как на рис. 6. 2´103 1,5´103 1´103 500 0 0 10 20 30 40 I, А f : = 7 Гц f : = 6 Гц f : = 3 Гц f : = 5 Гц f : = 4 Гц f : = 1 Гц f : = 2 Гц Рис. 7. Графические зависимости изменения значения мощности от значения действующего тока обмотки индуктора в диапазоне сверхнизких частот от 1 до 7 Гц Выводы. Для мало- и среднедебитных скважин были рассмотрены альтернативные способы добычи нефти, которые отличаются от широко распространенных в настоящее время станков-качалок. С помощью проведенных исследований и расчетов было подтверждено, что ЦЛВД с начальными данными, указанными в таблице, имеет достаточное тяговое усилие и мощность для того, чтобы работать в составе «погружного бесштангового электронасосного агрегата» для улучшения добычи нефти из малодебитных скважин [22]. Полученные результаты доказали актуальность и перспективность использования ЦЛВД в совокупности с плунжерным насосом, что позволило избежать ряд недостатков, присущих станкам-качалкам с колонной насосных штанг [23-25].

About the authors

V. V Shaposhnikov

Perm National Research Polytechnic University; LLC "IOLLA"

R. O Tokarev

Perm National Research Polytechnic University; LLC "IOLLA"

A. D Korotaev

Perm National Research Polytechnic University

E. A Chabanov

Perm National Research Polytechnic University; Volga State University of Water Transport

References

Statistics

Views

Abstract - 37

PDF (Russian) - 25

Refbacks

• There are currently no refbacks.