Full Text

Введение Подъем жидкости из нефтяных скважин с низким дебитом осуществляется преимущественно с помощью скважинных штанговых насосных установок (СШНУ). Возвратно-поступательное движение подвижной части насоса - плунжера - обеспечивается электрическим и механическим оборудованием станков-качалок. В состав электрического оборудования входит, как один из основных элементов, электромеханический преобразователь энергии, в качестве которого, как правило, используется асинхронный двигатель с обмоткой ротора, выполненной по типу «беличьей клетки» [1]. Механическое оборудование станков-качалок включает клиноременную передачу, редуктор, кривошипно-шатунный механизм, балансир, тросовую подвеску, полированный шток и систему насосных штанг. Число двойных ходов плунжера вверх-вниз в минуту, которое равняется числу качаний балансира в минуту, определяется из выражения (1) где - частота вращения вала ротора электромеханического преобразователя; - передаточное отношение клиноременной передачи; - передаточное отношение редуктора; , , f - частота напряжения питающей сети; - количество пар полюсов обмотки статора; - скольжение ротора относительно поля статора, . Для станков-качалок типа СКД число качаний балансира в минуту находится в диапазоне 4,2-14,7 мин-1 [2]. Нижнее значение числа качаний балансира обеспечивается при установке на станках-качалках асинхронных электромеханических преобразователей энергии с частотой вращения магнитного поля статора 750 мин-1 и размещении на валу ротора шкива с наименьшим диаметром, при котором значение k1 является максимальным. Верхнее значение числа качаний балансира достигается при установке на станках-качалках асинхронных электромеханических преобразователей энергии с частотой вращения магнитного поля статора 1500 мин-1 и посадке на вал ротора шкива максимального диаметра, при котором величина k1 является минимальной. Циклический режим отбора жидкости из скважины с низким дебитом и недостатки, присущие данному режиму Добыча жидкости из нефтяных скважин с низким дебитом может осуществляться циклически или непрерывно. Используемый режим работы скважин с низким дебитом во многом определяется числом качаний балансира. Исследованиями установлено [3-5], что при числе качаний балансира более 4, как правило, обеспечивается циклический режим работы низкодебитных скважин. Характерным для данного режима является то, что периоды откачки жидкости чередуются с периодами отключения СШНУ, в продолжение которых производится накопление жидкости в скважине. При непрерывном режиме эксплуатации низкодебитные скважины постоянно находятся в работе, для чего число качаний балансира станка-качалки приходится уменьшать до 1, в ряде случаев может потребоваться и меньшая частота качаний балансира. Циклический режим эксплуатации скважин характеризуется рядом недостатков, из которых следует отметить следующие [6-8]: - уменьшаются объемы добываемой жидкости; - повышается процентное содержание воды в жидкости; - существенно возрастает установленная мощность асинхронных преобразователей энергии; - увеличиваются габариты и стоимость электрического оборудования, входящего в систему электроснабжения кустов скважин; - наблюдается рост динамических нагрузок на звенья кинематической цепи; - имеет место ускоренный износ сальников, установленных на устье скважин. Непрерывный режим отбора жидкости из скважины с низким дебитом и актуальность разработки тихоходных асинхронных электромеханических преобразователей энергии Переход к непрерывному режиму эксплуатации скважин с низким дебитом позволяет во многом устранить отмеченные выше недостатки. Если не прибегать к установке на входе асинхронного двигателя преобразователя электрических параметров и не осуществлять замену редуктора и клиноременной передачи, находящихся в эксплуатации на станке-качалке, то реализация непрерывного режима отбора жидкости становится возможной при использовании асинхронных двигателей с низкой частотой вращения вала ротора. Разработка асинхронных электромеханических преобразователей энергии с низкой частотой вращения магнитного поля статора и исследование их характеристик проводятся в течение многих лет в Пермском национальном исследовательском политехническом университете. Важным результатом этих исследований явилась разработка усовершенствованных методов электромагнитного расчета асинхронных электромеханических преобразователей энергии [9, 10]. С использованием этих методов в 2004 г. было осуществлено проектирование трехфазного асинхронного электрического двигателя мощностью 3 кВт, синхронная частота вращения ротора которого составляла 200 мин-1 [11]. Три опытно-промышленных образца такого двигателя по заданию ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» были изготовлены в холдинговой компании ОАО «Привод» (г. Лысьва). Заводские испытания электродвигателей и последующая их эксплуатация на нефтяных промыслах предприятия ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» показали достаточно высокую для тихоходных двигателей энергетическую эффективность. Так, электрический коэффициент полезного действия двигателей составил 0,73, коэффициент мощности - 0,60, а энергетический коэффициент полезного действия - 0,44. Увеличение объемов потребления электрической энергии предприятиями нефтегазовой отрасли и рост стоимости электрической энергии выдвигают в качестве одной из приоритетных задачу дальнейшего совершенствования тихоходных асинхронных преобразователей энергии, в частности задачу повышения их энергетической эффективности. Одним из инновационных решений данной задачи является электропривод с асинхронным электромеханическим преобразователем энергии, в котором осуществляется внутренняя компенсация реактивной мощности [12, 13]. Асинхронный электромеханический преобразователь энергии с внутренней компенсацией намагничивающего тока статора отличается от асинхронных преобразователей, серийно выпускаемых мировыми электротехническими компаниями [14, 15], тем, что в пазах стального сердечника статора размещается не одна, а две изолированные друг от друга трехфазные обмотки. Одна из обмоток является сетевой, ее фазы соединяются в схему «звезда» или в схему «треугольник» и включаются в сеть трехфазного переменного напряжения. Вторая обмотка является компенсационной. Фазы этой обмотки соединяются по той же схеме, что и сетевая обмотка. Начала фаз компенсационной обмотки подключаются к конденсаторам, собранным в схему «треугольник». Сечение провода и количество витков в секциях сетевой и компенсационной обмоток различны. Схемы соединения секций, из которых образуются фазы сетевой и компенсационной обмоток, одинаковы. Расчет параметров цепи компенсации намагничивающего тока асинхронных электромеханических преобразователей энергии Для полной компенсации намагничивающего тока сетевой обмотки необходимо выполнение следующего условия: (2) где - магнитодвижущие силы фазы сетевой и компенсационной обмоток. Равенство (2) может быть записано в следующем виде: (3) где - количество витков и действующие значения токов фаз соответственно сетевой и компенсационной обмоток; синус угла сдвига фаз между напряжением и током сетевой обмотки. Для действующего значения тока фазы компенсационной обмотки справедливо выражение , (4) где - электродвижущая сила фазы сетевой обмотки; - емкостное сопротивление, соответствующее включению конденсаторов по схеме «звезда»; = - фазное и линейное напряжения в питающей сети. Посредством несложных преобразований (2)-(4) получаем выражение, устанавливающее количественную связь между числом витков и емкостью конденсаторов, включенных в фазу компенсационной обмотки, при которых обеспечивается компенсация намагничивающего тока сетевой обмотки асинхронного двигателя с заданными паспортными данными: (5) где , , , - номинальные значения активной мощности, линейного напряжения, коэффициента полезного действия и коэффициента мощности; - емкость конденсаторов. Для расчета количества витков в фазе сетевой обмотки используется формула , (6) где - площадь паза; - количество пазов; - число параллельных ветвей обмотки статора. Так, применительно к асинхронному электромеханическому преобразователю энергии типа 4А80А4У3 ( = 60 мм2, = 36; = 1, = 1,1 кВт; = 380 В; = 1500 мин-1, = 0,75; = 0,81) (7) Зависимость в графическом виде приведена на рисунке. Здесь же изображены зависимости и , из которых первая построена по выражению , а вторая - по формуле (4). Работа асинхронных электромеханических преобразователей энергии с внутренней компенсацией намагничивающего тока статора основана на использовании вращающегося магнитного поля, которое возбуждается трехфазной системой токов, проходящих в контурах, образованных фазами компенсационной обмотки и конденсаторами. Намагничивающий ток в фазах сетевой обмотки практически равен нулю, и поэтому из питающей электрической сети потребляется только активная составляющая тока и активная мощность. В связи с этим коэффициент мощности таких двигателей близок к единице, и это его значение сохраняется как в рабочих режимах работы, так и в режиме холостого хода и при перегрузках. Рис. Зависимости числа витков , электродвижущей силы и тока в компенсационной обмотке от емкости C Инвариантность величины потерь в обмотке статора некомпенсированного и компенсированного асинхронных электромеханических преобразователей энергии Вместе с тем размещение в пазах статора компенсированных асинхронных преобразователей энергии дополнительной обмотки не приводит к изменению электрического коэффициента полезного действия. Действительно, потери в обмотке статора асинхронного двигателя без внутренней компенсации намагничивающего тока рассчитываются по формуле , (8) где - число фаз обмотки статора; - ток; - активное сопротивление. Потери в обмотках статора асинхронного двигателя с внутренней компенсацией намагничивающего тока определяются по выражению (9) где - токи и активные сопротивления фаз сетевой и компенсационной обмоток статора. Составляющие электрических потерь рассчитываются по следующим выражениям: (10) (11) где - плотность тока; - сечение провода, количество витков и длина витка соответственно сетевой и компенсационной обмоток. Следовательно, (12) При одинаковом значении коэффициента заполнения паза (13) где - число витков и сечение провода обмотки статора асинхронного электрического двигателя без внутренней компенсации намагничивающего тока. Тогда . (14) Умножив и разделив правую часть данного равенства на величину , получим . (15) Следовательно, электрические потери в обмотке статора асинхронных электромеханических преобразователей энергии без компенсации и с компенсацией намагничивающего тока сетевой обмотки являются одинаковыми. Поэтому одинаковыми будут и значения электрического коэффициента полезного действия этих электродвигателей. Осуществление внутренней компенсации намагничивающего тока сетевой обмотки статора высокоскоростного асинхронного двигателя с данными, приведенными выше, позволяет повысить номинальный коэффициент мощности с 0,81 до 1,0, т.е. на 23 %. В той же мере, т.е. на 23 %, увеличивается энергетический коэффициент полезного действия. В электроприводе СШНУ с тихоходными асинхронными преобразователями энергии энергетическая эффективность применения внутренней компенсации реактивного намагничивающего тока несравнимо выше. Так, в тихоходных асинхронных преобразователях энергии, изготовленных в ОАО «Привод», осуществление внутренней компенсации намагничивающего тока сетевой обмотки статора позволяет повысить номинальный коэффициент мощности с 0,60 до 1,0, а энергетический коэффициент полезного действия с 0,44 до 0,73. Применение тихоходных асинхронных преобразователей энергии позволяет увеличить объемы добываемой жидкости за счет перехода к непрерывному режиму эксплуатации скважин с низким дебитом и существенно улучшить показатели энергетической эффективности посредством осуществления компенсации реактивного намагничивающего тока сетевой обмотки статора.

About the authors

Vasilii A. Loskutnikov

Author for correspondence.
Email: loskutnikov.vasily@gmail.com
106 25 Oktiabria str., Perm, 614990, Russian Federation

Design Engineer

Pavel N. Tsylev

Email: pcpn@pstu.ru
29 Komsomolskii ave., Perm, 614990, Russian Federation

PhD of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Mining Electronics and Mechanics

Irina N. Shchapova

Email: irina.shchapova@gmail.com
29 Komsomolskii ave., Perm, 614990, Russian Federation

PhD of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Mining Electronics and Mechanics

References

Statistics

Views

Abstract - 190

PDF (Russian) - 28

PDF (English) - 30

Refbacks

• There are currently no refbacks.