Введение к работе
Актуальность темы. При эксплуатации нефтяных месторождений широко применяется добыча нефти с помощью скважинных штанговых насосных установок (СШНУ). В России такими установками оснащено около 60% всех действующих скважин. Простота обслуживания и надежность СШНУ, а также возможность применения в осложненных горно-геологических условиях эксплуатации вывели этот способ на ведущее место в нефтедобывающей отрасли и сделали его самым распространенным как в нашей стране, так и за рубежом. В его основе лежит использование насоса возвратно-поступательного действия, опускаемого в скважину и приводимого в движение приводом, расположенным на поверхности.
Для эффективной работы СШНУ и выбора оптимального режима электропривода (ЭП) необходим контроль и диагностика параметров его работы, которые осуществляются на основе динамограми и ваттметрограмм. В этом плане представляет интерес развитие теории и практики применения ваттметрограмм взамен динамограммам, требующих значительных затрат на установку приборов и оборудования*.
В настоящее время в СШНУ широко применяют привод на основе серийного нерегулируемого асинхронного электродвигателя (АД) с короткозамкнутым ротором. Основным достоинством такого асинхронного электродвигателя является простота его конструкции, надежность и невысокая стоимость. В то же время этот электропривод обладает и рядом недостатков:
сложная кинематическая схема, обусловленная необходимостью преобразования высокоскоростного вращательного движения в возвратно-поступательное движение с низкой скоростью;
сравнительно невысокие энергетические показатели ЭП в совокупности с механизмом, (КПД, costp);
отсутствие регулирования частоты вращения, что не позволяет выбрать оптимальный режим работы насоса;
необходимость периодического обслуживания механизмов ЭП (редуктор, ремень);
большие габариты и масса.
Учитывая выше изложенное, возникает необходимость в совершенствовании электропривода СШНУ, направленном на повышение энергоэффективности электрооборудования в целом. Таким образом, тематика диссертационной работы, посвященная вопросам повышения энергетических показателей электрооборудования СШНУ, а также контролю и диагностике его работы, является актуальной.
Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании электротехнического комплекса нефтедобывающего оборудования СШНУ путем использования новых типов ЭП и применения энергосберегающих технологий, а также способов контроля и диагностики на основе динамограмм и ваттметрограмм. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
* Автор выражает свою искреннюю признательность и благодарность доктору технических наук ГЕНИНУ B.C. за оказанные научные консультации и рекомендации по теории и практике использования динамограмм и ваттметрограмм в системах контроля и диагностики СШНУ.
анализ эффективности существующего электрооборудования СШНУ и выработка предложений по энергоресурсосберегающим технологиям и применению более эффективных типов ЭП;
сравнение технико-экономических показателей существующих и перспективных ЭП, обоснование эффективности электрооборудования СШНУ с применением вентильных электродвигателей (ВД) вращательного движения взамен АД.
разработка математической модели электротехнического комплекса, включающего линейный цилиндрический вентильный двигатель (ЛЦВД) и насосную часть скважины с учетом динамограммы и исследование режимов работы привода.
разработка конструкции и методики расчета основных параметров ЛЦВД с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов (ПМ).
выбор эффективных методов, средств контроля и диагностики СШНУ в целях энергоресурсбережения.
Предметом исследования является совершенствование элементов комплекса электрооборудования на базе СШНУ, моделирование и выбор оптимального типа ЭП с точки зрения энергоресурсосбережения.
Объектом исследования является электротехнический комплекс оборудования СШНУ, включающий в себя ЭП с передаточными звеньями, электродвигатель и насосную часть.
Методология исследования. Теоретической и методологической базой диссертационного исследования являются обобщенная теория электрических машин, уравнения ВД с возбуждением от высокоэнергетических ПМ; методы математического моделирования и расчет электромагнитных полей, а также методы контроля и диагностики СШНУ посредством динамограмм и ваттметрограмм.
Диссертационная работа опирается на исследования ученых и инженеров ОАО «Татнефть», г. Альметьевск; ТатНИПИнефть ОАО «Татнефть», г. Бугульма; ОАО ВНИИР, г. Чебоксары; ФГБОУ ВПО Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова, г. Чебоксары; ГБОУ ВПО Альметьевский государственный нефтяной институт, г. Альметьевск; ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
в результате сравнительного анализа электропривода СШНУ с использованием ВД и АД установлено, что эффективность предлагаемого ЭП с вентильным двигателем выше по сравнению с известным на базе АД вследствие более низких суммарных затрат включающих стоимость электроэнергии и электродвигателя.
Предложены более рациональные кинематические схемы построения комплекса электрооборудования СШНУ с ВД возвратно-поступательного движения, для которых предложено конструктивное исполнение в виде ЛЦВД, отличающихся от известных наружным расположением подвижной части и гребенчатой структурой внутреннего магнитопровода. Показано, что применение ЛЦВД в составе ЭП в комплекте с насосной частью СШНУ соответствует современным экономическим и функциональным требованиям энергоресур-
сосберегающих технологий по сравнению с аналогичной системой на базе нерегулируемого и регулируемого АД;
разработана математическая модель ЭП с линейным цилиндрическим вентильным двигателем, нагруженным на нефтяной плунжерный насос, и отличающаяся тем, что в ней учтена динамограмма в виде зависимости усилия на штоке от его перемещения и позволяющая исследовать переходные процессы ЛЦВД в режиме пуска и реверса в составе СШНУ. В результате исследования на математической модели получены зависимости токов, электромагнитного усилия, перемещения, и скорости, которые позволяют найти динамические параметры, обеспечивающие эффективность применения ЛЦВД;
показаны преимущества методов контроля и диагностики СШНУ совместно с ЭП путем использования динамограмм и ваттметрограмм, а также их использование при построении математической модели.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в обеспечении экономии электроэнергии и эксплуатационных расходов при использовании предложенных в диссертации конструктивных решений и организационных мероприятий при эксплуатации электрооборудования СШНУ. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электроэнергетика» ГБОУ ВПО Альметьевского государственного нефтяного института, а также в НГДУ «Елховнефть» ОАО «Татнефть». Что подтверждается соответствующими актами.
На защиту выносятся:
обоснование технико-экономической эффективности применения ВД вращательного и поступательного движения в электроприводах СШНУ взамен АД;
математическая модель и методика электромагнитного расчета ЛЦВД нагруженного на нефтяной плунжерный насос, позволившие разработать конструкцию двигателя возвратно-поступательного движения с высокими динамическими, энергетическими и массогабаритными показателями;
результаты исследования динамических режимов ЛЦВД нагруженного на нефтяной плунжерный насос, проведенных с использованием динамограмм, которые позволили обосновать эффективность применения таких двигателей в приводах СШНУ;
рекомендации по организации энергосберегающих режимов работы СШНУ с электроприводами на базе ВД с использованием динамограмм и ваттметрограмм.
Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованным применением математического моделирования, а также сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными в ОАО «Татнефть», и с результатами исследования других авторов.
Апробация исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов», (Тольятти, 2009 г.); на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем (ДНДС-2009)» (Чебоксары, 2009 г.); на научных сессиях ученых Альметьевского государственного нефтя-
ного института (Альметьевск, 2008, 2009, 2010 гг.); на IV, V Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009, 2010 гг.); на VII Mezmarodni vedecko-prakticka konference «Aktualni vymozenosti vedy - 2011» (Praha, 2011); на XVIII Международной конференции по постоянным магнитам (Суздаль, 2011г.); на научно - практическом семинаре кафедры «Электромеханики и технологии электротехнического производства» ЧГУ им. И.Н. Ульянова (Чебоксары, 2011 г.).
Публикации. Содержание диссертации отражено в 13 опубликованных научных работах автора, из них 2 - в рецензируемых изданиях из списка ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 120 страниц основного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 135 наименований, 4 приложений.
