Содержание к диссертации
Введение
1. Электротехнические комплексы нефтегазодобывающих предприятий 9
1Л. Структура ЭТК применяемых для извлечения нефти... 9
1.1.1. Погружные центробежные насосы 17
1.2.1. Погружные электродвигатели 20
11113- Гидрозащита погружных электродвигателей 25
1.1 А Трансформаторы УЭЦН 28
1X5. Устройства управления и защиты УЭЦН 30
1:1.6, Кабельные линии УЭЦН , 33
1X7. Перспективы развития оборудования УЭЦН 36
1.8. Структура электротехнического комплекса УЭЦН., 41
1.2. Анализ эффективности ЭТК УЭЦН 46
1.3 Критерии оценки качества функционирования ЭТК УЭЦН 54
1.4 Выводы , 63
2. Энергетические структурные модели ЭТК УЭЦН 64
2Х Методика построения энергетических структурных моделей 64
2.2. Энергетические структурные модели элементов ЭТК УЭЦН ,.„,.66
2.2.1. ЭСМ энергосистемы 67
2.2.2. ЭСМ преобразователя частоты УЭЦН 67
2.2.3: ЭСМ трансформатора УЭЦН 69
2.2.4. ЭСМ кабельной линии УЭЦН 70
2.2.5. ЭСМ погружного электродвигателя УЭЦН 73
2.2.6 ЭСМ центробежного насоса УЭЦН 78
2.3. Энергетическая структурная модель УЭЦН 82
2.4 Выводы 85
3. Математическое моделирование этк уэцн в статических режимах работы 86
3.1. Математические модели элементов ЭТК УЭЦН 86
3.1.1. Математическая модель трансформатора УЭЦН 87
3.1.2. Математическая модель кабельной линии УЭЦН 88
3.1.3. Математическая модель ПЭД УЭЦН 90
3.1.4. Математическая модель центробежного насоса УЭЦН 92
3.2. Математическая модель ЭТК УЭЦН 96
3.3. Оценка энергетической эффективности ЭТК УЭЦН в статических режимах работы 99
3.4. Оценка энергетической эффективности ЭТК УЭЦН в статических режимах работы с учетом структуры ПЭД. 107
3.5. Выводы 117
4. Математріческое моделирование этк уэцн в динамических режимах работы 118
4.1. Построение математической модели ЭТК УЭЦН 118
4.1.1. Математическая модель преобразователя частоты
УЭЦН 121
4.1.2; Математическая модель ПЭД УЭЦН 129
4.1:3. Математическая модель гидросистемы УЭЦН 139
4.2. Динамические характеристики ЭТК УЭЦН! 140
4.2.1. Динамические характеристики ЭТК УЭЦН в режиме пуска 141
4.2.2. Динамические характеристики ЭТК УЭЦН в режиме «расклинивания» вала насоса 147
4.3. Выводы 151
Заключение 152
Литература 15
- Гидрозащита погружных электродвигателей
- Энергетические структурные модели элементов ЭТК УЭЦН
- Математическая модель кабельной линии УЭЦН
- Математическая модель гидросистемы УЭЦН
Введение к работе
Актуальность темы; Объектом исследования данной работы является электротехнический комплекс «Установка электроцентробежного насоса» (ЭТК УЭЦН), предназначенный для непосредственного извлечения пластовой жидкости из нефтяных скважин. УЭЦН широко используются в нефтегазодобывающей промышленности Российской Федерации, ими оснащено около 35% всех нефтяных скважин и добывается более 65% нефти.
ЭТК УЭЦН представляет собой сложную систему и состоит из взаимодействующих и взаимосвязанных подсистем различной физической природы. К основным направлениям исследования таких сложных динамических объектов относится математическое моделирование как отдельных элементов, так и комплекса в целом. Такое моделирование необходимо для:
- повышения качества функционирования ЭТК; -решения задач энерго- и ресурсосбережения;
- согласования режимов работы подсистем;
- построения алгоритмов управления;
- решения задач мониторинга и диагностики;
- разработки новых технологических процессов.
В последнее время, в связи с интенсификацией добычи нефти, усложнением условий эксплуатации добывающего оборудования и необходимостью снижения себестоимости продукции, перечисленные задачи приобретают особую важность применительно к ЭТК УЭЦН. Данное обстоятельство приводит к необходимости построения адекватных математических моделей ЭТК УЭЦН и методов их расчета.
Исследованию сложных динамических систем и разработке методов их моделирования посвятили ряд работ зарубежные и отечественные учёные: Алпатов М. Е., Артемьев С. С, Беспалов В. Я., Бут Д. А., Бутырин П. А., Га-мазинС. И, ДемирчянК. С, Иванов-Смоленский А. В., Ильинский Н. Ф., Ковалёв Ю. 3., Ковалев В. 3., Копылов И. П., Коровкин Н. В., Маслов С. И.,
Рогозин Г. Г., Сарапулов Ф. И., Сушков В, В., Черноруцкий Н. Г., Eykhoff Р., Gear С. W., Marquardt D, W. и др.
Непосредственно описанию оборудования и режимов эксплуатации УЭЦН посвящены работы таких авторов, как Адонин А.Н., Андреев В; В,, Еочарников В, Ф., Ершов М. С, Ивановский В. R, Меньшов Б, Г., Муравьев И. М, Пекин С. С, ПсрсиянцевМ. С., Сабиров А, А., СушковВ. В., Ураза-ков К, Р., Яризов А. Д; и др.
Целью диссертации является математическое моделирование, электротехнического комплекса «Установка электроцептробежного насоса» нефтегазодобывающих предприятий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи:
- выявить структуру исследуемого ЭТК;
- обосновать применение критерия эффективности энергопреобразования и энергопередачи в силовом канале ЭТК УЭЦН;
- применить аппарат энергетических структурных моделей (ЭСМ) к объекту исследования с целью выявления основных структурных взаимосвязей и формулирования требований к математическим моделям ЭТК;
- построить математические модели элементов ЭТК УЭЦН для статических режимов работы;
- разработать методику исследования ЭТК УЭЦН в статических режимах, включающую математическую модель ЭТК и методы ее решения;
- построить математические модели элементов ЭТК УЭЦН для динамических режимов работы;
- разработать методику исследования ЭТК УЭЦН в динамических режимах, включающую математическую модель ЭТК и численные методы ее решения.
Методы исследования. Использованы методы теории электрических машин, электромеханического преобразования энергии, теоретической электротехники, гидродинамики, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, вычислительной, математики, линейной алгебры. Программная, реализация разработанных алгоритмов осуществлена на алгоритмическом языке Object Pascal в среде Delphi. Оценка адекватности результатов математического моделирования основана на их сравнении с данными натурных экспериментов.
Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту, заключаются в следующем:
- обосновано применение критерия оценки энергетической эффективности передачи и преобразования энергии в силовом канале ЭТК УЭЦН;
- разработаны энергетические структурные модели основных компонентов ЭТК (преобразователя частоты, трансформатора, кабельной линии, погружного асинхронного электродвигателя, электроцентробежного- насоса), определены их количественные характеристики;
- разработана энергетическая.структурная модель ЭТК УЭЦН, учитывающая взаимосвязь и взаимовлияние входящих в ЭТК подсистем, определены ее количественные характеристики;
- построены математический модели основных элементов ЭТК и математическая модель ЭТК УЭЦН в статических режимах работы;
- построены математические модели основных элементов ЭТК и математическая модель ЭТК УЭЦН в динамических режимах работы.
Практическая ценность. На базе теоретических результатов:
- разработана методика оценки эффективности процессов энергопреобразования и энергопередачи в силовом канале ЭТК УЭЦН, представляющая собой совокупность статических математических моделей элементов ЭТК УЭЦН и методов их расчета;
- реализована в виде программного продукта «SEM-Static» методика оценки эффективности процессов энергопреобразования и энергопередачи в силовом канале ЭТК УЭЦН в статических режимах;
- разработана, мето дика исследования процессов; протекающих в ЭТК УЭЦН в динамических режимах работы, представляющая собой совокупность динамических математических моделей элементов ЭТК УЭЦН. и численных методов их расчета;
- реализована в виде программного продукта «SEM-Dynamic» методика исследования динамических режимов ЭТК УЭЦН.
Достоверность результатов подтверждается корректным применением для теоретических выводов соответствующего математического аппарата; качественным совпадением и достаточной сходимостью результатов вычислительных и натурных, экспериментов; широкой апробацией результатов диссертационной работы.
Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на научной молодёжной конференции «Молодые учёные на рубеже третьего тысячелетия», Омск,. 2001; на городской" научно-методической конференции «Совершенствование форм и методов управления качеством учебного процесса», Омск, 2002; на [V международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» Омск, 2002; на IX международной школе-семинаре «Новые информационные технологии», Судак, 2003; на научно-практической конференции «Энергетика на рубеже веков», Омск, 2003; на V международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» Омск, 2004.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 научных работ [47, 65, 66, 70-73, 76, 79, 86, 93, 126], зарегистрировано 3 программных продукта в отраслевом фонде алгоритмов и программ [77, 78, 84],
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 131 наименования, приложения, содержит 166.страниц основного машипописного текста, 84 иллюстрации,.13 таблиц.
Диссертация выполнена на кафедре «Электрическая.техника» Омского государственного технического университета.
Гидрозащита погружных электродвигателей
На валу протектора установлены три радиальных подшипника скольжения. Осевые нагрузки через пяту воспринимаются верхним и нижним подпятниками. На обоих концах вала - шлицы для соединения-с двигателем и насосом. На валу последовательно установлены три торцовых уплотнения, зафиксированные пружинными кольцами. Внутри корпусов размещены две короткие диафрагмы — верхняя и нижняя, концы которых посредством хомутов герметично закреплены на опорах. Внутренняя полость нижней диафрагмы сообщается при соединении протектора с двигателем с его внутренней полостью. Задиафрагменная полость нижней диафрагмы продольными каналами в нижнем ниппеле сообщена с внутренней полостью верхней диафрагмы, а полость верхней диафрагмы.продольными каналами в среднем ниппеле.сообщается с полостью.между, верхним и средним торцовыми уплотнениями. Протектор заполняют маслом через отверстия под пробки с обратными клапанами, выпуская при этом воздух через соответствующие пробки.
Защита от проникновения пластовой жидкости обеспечивается торцовыми уплотнениями и резиновой диафрагмой.
При работе электродвигателя в процессе его включений и выключений масло, его.заполняющее, периодически1 нагревается и охлаждается, изменяясь,, соответственно, в объеме. Изменение объема масла компенсируется за счет деформации эластичной диафрагмы компенсатора.
В процессе работы происходит утечка масла через торцовые уплотнения. По мере расхода масла диафрагма1 компенсатора складывается, адиафрагмы протектора расширяются. После полного расхода масла из компенсатора наступает второй период работы, гидрозащиты, когда используются компенсационные возможности диафрагмы протектора. При падении давления во внешней полости диафрагмы протектора, при остановке электродвигателя и охлаждении масла обратный клапан открывается и впускает во внешнюю полость пластовую жидкость, тем самым, выравнивая давления. Последовательное дублирование эластичных диафрагм и торцовых уплотнений в протекторе повышает надежность зашиты электродвигателя от попадания в него пластовой жидкости.
Компенсатор (рисунок 1.9) [49] расположен в нижней части двигателя и предназначен для выравнивания давления в двигателе и пополнения его маслом.
Компенсатор состоит из корпуса и каркаса, к которому крепится диафрагма. Полость за диафрагмой сообщена с затрубным пространством отверстиями в корпусе компенсатора. Пробка, расположенная на наружной по верхности компенсатора, предназначена для закачки масла в компенсатор, а внутреннее отверстие под заглушку - для выхода воздуха при заполнении его маслом, а также для сообщения полости двигателя и компенсатора. После заполнения маслом компенсатора заглушка должна быть закрыта, а после монтажа установки и спуска ее.в скважину заглушка автоматически открывается при погружении компенсатора под уровень пластовой жидкости на; 15-30 м.
Трансформаторы предназначены для питания установок погружных центробежных насосов, от сети, переменного тока напряжением 380 или 6000 В частотой 50 Гц [101-103].
Трансформаторы выпускаются по ТУ 16-517.685-77 «Трансформаторы серии ТМПН». По отдельному заказу выпускаются трансформаторы ТМПЭ/3-УХЛ1 (АО «Трансформатор», Тольятти). и трансформаторы для УЭЦН в «сухом» исполнении (ООО «Привод-ПЗУ», г. Лысьва).
Трансформаторы предназначены для эксплуатации в районах с умеренным или холодным климатом в условиях, соответствующих ГОСТ 15150-69 при высоте над уровнем моря не более 1000 м на открытом воздухе. Общий вид трансформаторов ТМПН представлен на рисунке 1.10 [101].
Трансформатор состоит из магнитопровода, обмоток высокого и низкого напряжения, бака, крышки с вводами и расширителя с. воздухоосушителем, переключателя.
Магнитопроводы трансформаторов стержневого типа собираются из холоднокатаной электротехнической стали; Обмотки трансформатора ТМПН-40 - ТМПН-200 многослойные цилиндрические изготовлены из провода.АПБ ГОСТ 16512-70. Отводы ВН выполняются проводом, отводы НН - алюминиевыми шинами. Обмотки трансформаторов типа ТМПН-400 выполнены из медных проводов ПБ ГОСТ 16512-70.
Энергетические структурные модели элементов ЭТК УЭЦН
Используя данный аппарат были разработаны представленные далее энергетические структурные модели отдельных элементов ЭТК УЭЦН.
Модель каждого элемента1 построена таким образом, что адекватно отражает основные физические процессы, протекающие внутри данного элемента, а входы и выходы модели позволяют без дополнительных преобразований интегрировать ее с моделями других элементов ЭТК, Таким образом, из совокупности ЭСМ отдельных элементов будет сформирована энергетическая структурная модель системы УЭЦН в целом. 2.2.1. ЭСМ энергосистемы.
Как правило, мощность энергосистемы, питающей установку ЭЦН, достаточна для того, чтобы считать систему источником бесконечной мощности с параметрами напряжения, не зависящими от режимов работы нагрузки, В этом случае, энергосистему можно представить следующей ЭСМ (рисунок 2.2):
Приведенная модель характеризуется следующими параметрами:
Общее количество подсистем К - 1; Количество электрических подсистем Кэ - 1;. Общее количество преобразователей энергии (ПЭ) П - 0; Количество силовых каналов передачи энергии С - 1; Входная величина W [ - электрическая энергия независимого источника, а выходная W - электрическая энергия, передаваемая потребителю.
2.2.2. ЭСМ преобразователя частоты УЭЦН.
Структурная схема преобразователя частоты, используемого для регулирования скорости вращения погружного электродвигателя в составе ЭТК УЭЦН приведена на рисунке 23, а соответствующая ему энергетическая структурная модель - на рисунке 2.4, Рисунок 2.3 Структурная схема преобразователя частоты в составе УЭЦН.
Приведенная на рисунке 2,4 модель характеризуется следующими параметрами:
Общее количество подсистем К - 4; Количество электрических подсистем Кэ - 3; Количество тепловых подсистем К - 1; Общее количество преобразователей энергии (ПЭ) П- 2; Количество ПЭ вида «электрическая - электрическая» ПЭэ - 1; Количество ПЭ вида «электрическая - тепловая» ПЭт- 2; Количество силовых каналов передачи энергии С - 1; Количество ступеней преобразования в силовых каналах ПС - L
Входная величина Ж - электрическая энергия, поступающая от энергосистемы,, а выходная W 3 - электрическая энергия, передаваемая транс форматору. Эффективность энергопреобразования преобразователя частоты в соответствии с критерием (1.3) определяется следующим выражением:
2.2.3, ЭСМ трансформатора УЭЦН.
Конструкция трансформатора УЭЦН принципиально не отличается от конструкции трансформаторовобщего назначения. Следовательно, характер процессов, протекающих в трансформаторе УЭЦН может быть описан с помощью энергетической структурной модели, разработанной для обобщенного трансформатора [126].
Математическая модель кабельной линии УЭЦН
Для оценки адекватности модели кабельной линии УЭЦН, предложенной в главе 2, произведем расчет параметров схемы замещения дляпростей-щего случая, когда линия состоит из одного участка кабеля. Линия выполнена плоским кабелем КПБП сечением 16 мм . Длина кабеля 1800 метром. Линия питает погружной электродвигатель типа ЭДБ22-117Б5 производства ОАО «Борец» мощностью 22 кВт, с номинальным напряжением 750 В. Коэффициент мощности двигателя равен 0,86, к.п.д. - 85%.
Принимая во внимание симметричный характер нагрузки, какой является асинхронный электродвигатель, оценим потери напряжения и мощности в одной фазе исследуемой линии, аппроксимируя, последнюю схемой с сосредоточенными параметрами. Учитывая относительно небольшую длину кабельных линий УЭЦН (до 3 км), применим. Г-образнуїО схему замещения (рисунок 3.2).
При построении математической модели погружного асинхронного1 электродвигателя в статических режимах работы необходимо учитывать следующие требования:.
- модель двигателя должна рассматриваться как часть модели электротехнического комплекса УЭЦН и легко интегрироваться в модель этого ЭТК;
- модель должна адекватно описывать основные физические процессы, протекающие в двигателе;
- в модели должна быть отражена сложная внутренняя структура электродвигателя, включая «секционирование» ротора и статора;
- модель должна адекватно отражать взаимосвязь и взаимовлияние между отдельными элементами двигателя..
Введем в рассмотрение «элементарную асинхронную машину», представляющую собой участок ПЭД, соответствующий длине одного пакета ротора. Тогда приходим к схеме замещения ПЭД в статических режимах работы, предложенной ранее (рисунок 2.8), где обмотка «элементарного» статора представлена сопротивлениями ZAj(0Oc) ZBj(0oc) д(осХ а обмотка «элементарного» ротора - сопротивлениями Zaj(@oc)s ZbJ(0oc), Zcj(oc) Все сопротивления нелинейны, так как их величины зависят.от температуры окружающей среды &ос и от собственной величины выделяющейся тепловой мощности.[22, 35,41,42, 45, 50].
Кроме того, температура окружающей среды зависит от целого ряда факторов: тепловой мощности, выделяемой всеми элементами погружной части УЭЦН, скоростью движения пластовой жидкости, определяемой расходом насоса УЭЦН и т.д. [12,104,122,].
После введения следующих допущений:
- в модели фазных обмоток статора и ротора не учитываются волновые процессы, обмотки состоят из последовательно включенных активного сопротивления и собственной индуктивности;
- не учитываются емкостные токи в двигателе;
- воздушный зазор в машине считается равномерным;
- рассматривается только первая гармоника электрических и магнитных величин;
- при рассмотрении асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором обмотка ротора заменяется эквивалентной обмоткой, обладающей числом фаз, равным числу фаз обмотки статора;
- вал двигателя считается абсолютно жесткими, и углы поворота всех пакетов ротора одинаковы, получим математическую модель ПЭД УЭЦН в статических режимах работы, которую в общей форме можно записать в виде выражения тока фазы статора: ЗЛА Математическая модель центробежного насоса УЭЦН
Адекватное математическое моделирование физических процессов, протекающих при работе многоступенчатого центробежного насоса УЭЦН, является, самостоятельной, достаточно сложной, задачей. Помимо сложности структуры самого насоса (большое количество ступеней, гибкий механический вал), необходимо отметить особые свойства транспортируемой среды. Пластовая жидкость характеризуется высоким содержанием механических примесей, резко возрастающим при таких явления, как гидроразрьтв пласта, и высоким объемным газосодержанием (вплоть до .образования газовых «пробок»), Эти факторы обладают стохастическим характером и приводят к возникновению разнообразных переходных процессов как в гидравлической и механической подсистемах центробежного насоса, так и в остальных подсистемах электротехнического комплекса УЭЦН.
Математическая модель гидросистемы УЭЦН
Режим пуска установки ЭЦН наблюдается не только при выводе оборудования на рабочий режим, но и в процессе эксплуатации, когда скорость добычи пластовой жидкости превосходит скорость ее поступления из: пласта в прибойную зону, В этом случае, при снижении динамического уровня жидкости в скважине ниже установленного значения (по сигналу датчика давления системы ТМС) происходит остановка ПЭД, При восстановлении динамического уровня происходит автоматический запуск установки. Данный режим является для двигателя одним из «тяжелых» и во многом определяет срок его безотказной работы.
На рисунках .4.11 — 4Л5 изображены характеристики, полученные для идеального случая, когда параметры всех «элементарных асинхронных машин», составляющих модель ПЭД5 одинаковы (п. 3.4), Для удобства восприятия все характеристики построены в относительных единицах. За базовые значения приняты параметры моделируемого ПЭД при номинальном скольжении (s=5%). За базовую скорость вращения принята скорость вращения магнитного поля (синхронная скорость).
На рисунке 4Л1 приведена механическая характеристика ПЭД ЭДБ-22-117Б5, полученная при моделировании процесса пуска двигателя без нагрузки. Характерные точки механической характеристики с достаточной точно-стью (в пределах 10%) соответствуют паспортным данным ПЭД и результатам расчетов статической модели. Интерес представляет величина размаха пульсаций пускового момента ПЭД5 составляющая около 2,5 о.е. (от -0,75 о.е. до 1,75 о.е.) и та часть механической характеристики, где двигатель работает в генераторном режиме со скольжением до 1,05 о.е.
Дальнейшие характеристики получены при пуске двигателя сноминаль-ной нагрузкой на-валу у задаваемой приводимым центробежным насосом. Кривые электромагнитного момента, развиваемого ПЭД, и относительной, скорости для этого случая приведены на рисунке 4.12. Как видно, время пуска составляет около 0,6 секунды, что соответствует реальным значениям; Скорость вращения при пуске ПЭД возрастает от нуля, до установившегося значения практически линейно.
На рисунке 4.13 изображены кривые суммарного электромагнитного момента, развиваемого ПЭД, и.момента отдельной «элементарной асинхронной машины». При равенстве параметров пакетов ротора кривые всех пяти машин совпадают и обеспечивают 1/5 часть суммарного момента.
На рисунке 4,14 приведена осциллограмма тока фазы А обмотки статора. Бросок пускового тока достигает 5,8 о.е,, а действующее значение тока в момент пуска - около 3 о,е.т что соответствует эксплуатационным значениям и результатам расчетов по статической модели УЭЦН Представленная на рисунке 4.15 осциллограмма тока фазы обмотки ротора согласуется с результатами, полученными по статической модели УЭЦН.
Параметры реальных пакетов ротора ПЭД имеют определенный разброс, обусловленный технологией изготовления и спецификой эксплуатации и обслуживания двигателей, о чем подробно сказано в главе 3. Задавшись тем же разбросом параметров, что и при расчете статической модели ЭТК УЭЦН (таблица 33) был произведен расчет переходного процесса в ПЭД при пуске установки. Результаты моделирования приведены на рисунках 4.16" и 4.17.
Анализ изображенных на рисунке 4Л 6 кривых изменения электромагнитных моментов, развиваемых «элементарными асинхронными машинами», показал, что диапазон пускового броска момента составляем около 0,7 о.е,, разброс критических моментов составляет около 0,5 од, а номинальных -около 0,25 о.е. Это согласуется с данными моделирования статических режимов,
Представленная на рисунке 4.15 осциллограмма тока фазы обмотки ротора согласуется с результатами, полученными по статической модели УЭЦН.
Параметры реальных пакетов ротора ПЭД имеют определенный разброс, обусловленный технологией изготовления и спецификой эксплуатации и обслуживания двигателей, о чем подробно сказано в главе 3. Задавшись тем же разбросом параметров, что и при расчете статической модели ЭТК УЭЦН (таблица 33) был произведен расчет переходного процесса в ПЭД при пуске установки. Результаты моделирования приведены на рисунках 4.16" и 4.17.
Анализ изображенных на рисунке 4Л 6 кривых изменения электромагнитных моментов, развиваемых «элементарными асинхронными машинами», показал, что диапазон пускового броска момента составляем около 0,7 о.е,, разброс критических моментов составляет около 0,5 од, а номинальных -около 0,25 о.е. Это согласуется с данными моделирования статических режимов
Похожие диссертации на Математическое моделирование электротехнического комплекса "установка электроцентробежного насоса" нефтегазодобывающих предприятий
