Разработка моделей и методов расчета переходных процессов установок электроцентробежных насосов Савченко, Антон Анатольевич

Введение к работе

Актуальность темы. Объектом исследования данной диссертационной работы являются установки электроцентробежных насосов (УЭЦН) для извлечения пластовой жидкости из нефтепромысловых скважин.

УЭЦН реализуют один из основных способов насосной эксплуатации нефтепромысловых скважин. По территориальному и корпоративному признакам УЭЦН являются самыми распространенными, ими укомплектованы более 30% действующего фонда скважин, которые обеспечивают добычу свыше 60% извлекаемой на поверхность нефти. Исходя из существующих прогнозов в среднесрочной перспективе за УЭЦН останется преимущественная роль.

Повсеместное внедрение станций управления УЭЦН с преобразователями частоты обеспечило реализацию целого ряда режимов работы погружных асинхронных электродвигателей (ПЭД): плавного пуска, реверса, торможения, толчка, регулирования частоты вращения по заранее заданной программе. Большая часть вводимых режимов связана не столько со статическими режимами работы УЭЦН, сколько с переходными процессами. Известно, что в переходных процессах усиливаются динамические воздействия на элементы конструкции приводимого в движение агрегата. Иначе, чем в статических режимах, происходит перераспределение отдельных видов мощности и энергии. Все в целом обуславливает использование динамических моделей УЭЦН для расчета, анализа и исследования переходных процессов.

На сегодняшний день имеется ряд фундаментальных работ и диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук, в которых было уделено значительное внимание переходным процессам в электротехнических комплексах (Б.Н. Абрамович, В. А. Ведерников, С.И. Гамазин, М.С. Ершов, А.М. Зюзев, Б.Г. Ильясов, В.З. Ковалев, Ю.З. Ковалев, А.Ю. Коняев, В.А. Мартынов, Б.Г. Меньшов, Д.Н. Нурбосынов).

Этим же проблемам посвящены кандидатские диссертации (Г .Я. Григорьев, Е.Ф. Кади-Оглы, А.В. Комелин, В.А. Сипайлов, Р.А. Чертов).

Тот факт, что переходные процессы в УЭЦН включают в себя электромагнитные, электромеханические и механические процессы, позволяет утверждать о наличии участков быстрого и медленного изменения переменных состояния на интервале рассмотрения переходных процессов, а сам интервал рассмотрения переходных процессов имеет большую длину. Задачи, обладающие такими свойствами, в математике называются жесткими и требуют для их решения наличие определенных свойств у численных методов.

Предметом исследования данной диссертационной работы являются переходные динамические процессы УЭЦН. При моделировании переходных процессов УЭЦН возникают проблемы. Связано это с тем, что УЭЦН является сложной технической системой, состоящей из взаимодействующими подсистем различной физической природы (электрической, электромагнитной, электромеханической, механической, гидравлической). В свою очередь подсистемы взаимодействуют со средой, воздействующей на систему «УЭЦН - скважина - пласт».

В связи с этим, целью данной диссертационной работы является разработка математической модели и построение методов расчета переходных процессов УЭЦН с учетом основных конструкционных особенностей оборудования.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Построение математической модели статических режимов элементов электрооборудования УЭЦН для расчета начальных условий статического режима, от которого начинается рассматриваемый переходный процесс.

1. Разработка математической модели переходных процессов элементов электрооборудования УЭЦН, с учетом основных особенностей и свойств элементов оборудования.

2. Создание адекватных численных методов расчета переходных процессов УЭЦН, согласно полученным моделям переходных процессов УЭЦН.

3. Проведение экспериментальных исследований эффективности применения разработанной математической модели и методики расчета переходных процессов УЭЦН.

Методы исследования. Теоретические исследования в данной диссертационной работе базировались на методах теоретической электротехники, электромеханики, теории электрических машин, электромеханического преобразователя энергии, математического анализа; проводились с использованием численных методов решения алгебраических уравнений, численных методов решения смешанных дифференциально- алгебраических систем уравнений. Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях на стенде испытания ПЭД и на скважинах Самотлорского месторождения с использованием специализированного измерительного оборудования, путем прямого снятия информации и дальнейшей её обработкой. Для создания прикладных программ использовались математические пакеты Mathcad, Mathematica, среда визуального программирования Delphi.

Научная новизна данной диссертационной работы заключается в следующем:

3. 1. Построена математическая модель статических режимов элементов оборудования УЭЦН с учетом специфических свойств и особенностей элементов оборудования.

   2. Разработана математическая модель переходных процессов УЭЦН в форме смешанной дифференциально-алгебраической системы уравнений.

   3. Созданы проблемно-ориентированные численные методы решения смешанных дифференциально-алгебраических систем уравнений на базе методов Розенброка, обеспечивающие высокую точность, адекватность и эффективность расчета переходных процессов УЭЦН.

   4. Проведены экспериментальные исследования эффективности применения разработанной математической модели и методов расчета переходных процессов УЭЦН, в результате которого выявлена погрешность, не превышающая 9%.

   Практическая значимость. На основе теоретических результатов достигнуто следующее:

   3. 4. 1. Разработан алгоритм идентификации параметров математических моделей элементов оборудования УЭЦН по протоколам приемо-сдаточных испытаний в среде математического моделирования «Mathematica».

         2. Разработан алгоритм расчета переходных процессов УЭЦН в визуальной среде математического моделирования «Mathcad 14.0» и среде визуального программирования «Delphi 7», что позволяет использовать его в научно-инженерной и образовательной деятельности.

         3. Разработан алгоритм подбора и оптимизации коэффициентов численных методов расчета переходных процессов в визуальной среде математического моделирования «Mathcad 14.0». Оптимизация коэффициентов осуществляется путем минимизации глобальной ошибки на решении тестовых задач.

         4. Осуществлены экспериментальные исследования переходных процессов УЭЦН на стенде приемо-сдаточных испытания ПЭД и на скважинах Самотлорского месторождения.

         Достоверность полученных результатов работы подтверждается корректным применением основных теоретических положений, используемых автором для доказательств научных результатов; сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, приведенными в технической литературе и полученными на экспериментальном стенде и действующих нефтедобывающих скважинах.

         Основные положения, выносимые на защиту:

         3. 4. 4. 1. Математическая модель переходных процессов УЭЦН в форме смешанной дифференциально-алгебраической системы уравнений.

                  2. Проблемно-ориентированные численные методы решения смешанных дифференциально-алгебраических систем уравнений.

                  3. Экспериментальные исследования переходных процессов УЭЦН.

                  Реализация и внедрение результатов работы. Методика расчета

                  переходных процессов УЭЦН испытана на предприятии ООО «Римера- Сервис-Нижневартовск». Результаты теоретических исследований внедрены в учебный процесс частного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Академический институт прикладной энергетики» при выполнении курсовых и дипломных проектов студентов электротехнических специальностей. Методика математического моделирования переходных процессов УЭЦН реализована в виде программного модуля, предназначенного для решения задач нефтепромысловых электротехнических комплексов и систем электроснабжения.

                  Апробация работы. Основные положения данной диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах, семинарах:

                  На IV всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» г. Омск, 2011.

                  На IV всероссийской научно-практической конференции «Культура, наука, образование: проблемы и перспективы» г. Нижневартовск, 2012.

                  На VIII международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» г. Омск, 2012.

                  На международном научном интернет-симпозиуме «Наука в жизни современного человека» г. Одесса, 2013.

                  На семинаре кафедры «Электрическая техника» ОмГТУ г. Омск, 2012

                  На научно-техническом семинаре «Снижение потребления электроэнергии», прошедшего в рамках реализации мероприятий Федеральной целевой программы развития образования в Нижневартовском Нефтяном Техникуме г. Нижневартовск, 2012.

                  На научно-техническом семинаре ОАО «Самотлорнефтегаз» г. Нижневартовск, 2012.

                  На научно-техническом семинаре Югорского государственного университета г. Ханты-Мансийск, 2013.

                  На научно-техническом семинаре Нижневартовского филиала ОмГТУ г. Нижневартовск, 2013.

                  На научно-техническом семинаре «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» ОмГУПС г. Омск, 2013.

                  На региональной молодежной конференции имени В. И. Шпильмана «Проблемы рационального природопользования и история геологического поиска в западной Сибири» г. Ханты-Мансийск, 2013.

                  Публикации. По теме данной диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 1 монография, 1 учебное пособие, 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 работы опубликованы в материалах всероссийских и международных конференций, получено 2 свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ.

                  Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 125 наименований. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, в том числе 68 рисунков и 17 таблиц.

                  Похожие диссертации на Разработка моделей и методов расчета переходных процессов установок электроцентробежных насосов

                  Разработка методики расчета переходных процессов установок электроцентробежных насосов с погружными асинхронными электрическими двигателямиСтаростин, Сергей Геннадьевич

                  Разработка математической модели для расчета установившихся процессов в неявнополюсных синхронных машинах на основе метода зубцовых контуровШеразадишвили, Давид Георгиевич

                  Математические модели и методы расчета совмещенных бесщеточных индукторных возбудителей синхронных двигателейПульников, Андрей Афанасьевич

                  Универсальный метод расчета магнитных полей и процессов электрических машин с дискретно распределенными обмоткамиКузнецов, Вячеслав Алексеевич

                  

                  Математическое моделирование переходных процессов электрических машин на основе численного метода расчета электромагнитного поля Мартынов Владимир Александрович

                  

                  Моделирование погружных асинхронных электрических двигателей в составе установок электроцентробежных насосовКовалев Александр Юрьевич

                  Разработка моделей и алгоритмов для проектирования и исследования трансформаторного оборудования источников электропитанияГерасимов, Евгений Борисович

                  Разработка математических моделей и алгоритмов тепловых расчетов при автоматизированном проектировании трансформаторов малой мощностиЛукашенко, Сергей Владимирович

                  Разработка математической модели электромагнитных процессов в специальных явнополюсных синхронных генераторах при работе на несимметричную и вентильную нагрузкиКараулов, Виктор Николаевич

                  Разработка математической модели и алгоритмов расчета гистерезисного электродвигателя с учетом высших гармонических составляющих магнитного поля и вихревых токовОстанин, Сергей Юрьевич