Введение к работе
Актуальность темы. Объект исследования данной работы - электротехнические комплексы установок электроцентробежных насосов. Электротехнические комплексы являются основной структурой в системе "установки электроцентробежных насосов – скважина – пласт". Они принимают, трансформируют, преобразовывают электрическую энергию; превращают ее в механическую энергию, передают механическую энергию центробежным насосам. Электротехнические комплексы управляют потоком энергии; они принимают, преобразовывают и превращают информацию от системы датчиков в управляющие действия, обеспечивающие регулирование режимных параметров системы "установки электроцентробежных насосов – скважина – пласт ".
Предмет исследования данной работы – математические модели электротехнических комплексов установок электроцентробежных насосов. Математическое моделирование является интеллектуальным ядром прогресса. Уровень модели, положенной в основу функционального взаимодействия элементов системы и системы в целом со средой, определяет суммарный облик технического объекта, его соответствие современным требованиям. Особенно это относится к требованиям системности, интеллектуализации, энергоэффективности.
Системность отражает установившуюся тенденцию – создание технических систем с новыми более совершенными свойствами путем объединения в систему отдельных элементов, каждый из которых в отдельности или в сумме принципиально не может обеспечить того уровня эффективности, который достигается объединением указанных элементов в систему.
Интеллектуализация - явление так же как и системность устойчивое, связанное с переходом мировой экономики к следующему шестому экономическому укладу, базирующемуся на интеллектуальных информационных технологиях, моделях и знаниях.
Энергоэффективность – одно из основных направлений развития энергогенерирующих, энергопреобразующих, энергопередающих, энегопотребляющих систем, машин и механизмов. Она отражает сформировавшуюся точку зрения специалистов – "добыть единицу энергоресурсов дороже, чем понести затраты на энергосбережение".
Результат исследования данной работы – математические модели, ориентированные на решение системных задач повышения степени интеллектуализации и энергоэффективности электротехнического комплекса (ЭТК) установок электроцентробежных насосов (УЭЦН).
По отношению к решаемым задачам ЭТК может рассматриваться с общих позиций интеллектуальных систем управления (Емельянов С.В., Поспелов Д.А); интеллектуальных энергетических систем (Воропай Н.И., Новиков Н.Я.); интеллектуальных нефтепромыслов, интеллектуальных скважин (Алабужев В.А., Жильцов В.В., Зозуля Ю.И., Ильясов Б.Г., Кизина И.Д., Комелин А.В.); энергосберегающих технологий в энергосистемах и электроприводе (Андреева Е.Г., Браславский Н.Я., Ведерников В.А., Еремов М.С., Зюзев А.М., Ильинский Н.Ф., Ковалев Ю.З., Москаленко В.В., Нурбосынов В.В., Сушков В.В.); системного анализа (Волкова В.Н., Денисов А.А., Емельянов А.А., Тарасенко Ф.П.). Во всех перечисленных случаях общей проблемой является создание современных математических моделей.
Установки электроцентробежных насосов реализуют один из основных способов насосной эксплуатации нефтедобычных скважин. По территориальному и корпоративному признакам они являются самыми распространенными, ими укомплектованы более 30% действующего фонда скважин, они обеспечивают свыше 60% извлекаемой на поверхность нефти. По существующим прогнозам в среднесрочной перспективе за установками электроцентробежных насосов остается преимущественная роль. В связи с этим работы, направленные на совершенствование математического моделирования электротехнического комплекса как элемента в решении общей системной проблемы создания интеллектуальных энергоэффективных установок электроцентробежных насосов, являются весьма актуальными.
Цель работы – математическое моделирование электротехнических комплексов установок электроцентробежных насосов с учетом современных требований к математическим моделям сложных технических объектов – системности, интеллектуализации и энергоэффективности.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач.
1. Задача системности: выявить системные свойства основных элементов электротехнического комплекса и на этой базе разработать структуру и структурную схему ЭТК УЭЦН.
2. Задача интеллектуализации: на базе созданной структурной схемы разработать математические модели электротехнических комплексов, адекватные реальным процессам во всем диапазоне изменения частоты вращения погружных асинхронных электрических двигателей.
3. Задача энергоэффективности: на базе созданных интеллектуальных моделей разработать основные законы регулирования электротехническим комплексом в том числе законы рационального регулирования частоты вращения и момента, при которых достигается минимум потерь энергии во всем силовом канале электротехнического комплекса.
Научная новизна работы. Научная новизна выносимых на защиту основных результатов работы заключается в следующем:
1. Получены математические модели электротехнических комплексов установок электроцентробежных насосов в составе – погружного асинхронного электрического двигателя, погружной кабельной линии, скважинного трансформатора, сглаживающего фильтра, станции управления с позиций системного анализа.
2. Усовершенствованы обобщенные математические модели электромеханических преобразователей энергии, выделены основные формы модели, даны рекомендации по областям их целесообразного применения для решения системных задач интеллектуализации и энергоэффективности ЭТК УЭЦН.
3. Разработаны способы управления электротехническими комплексами, установлены вольт - частотные характеристики, реализующие рациональные способы регулирования технологических параметров установок электроцентробежных насосов, включая регулирование с минимальными потерями электрической энергии в ЭТК в целом.
Практическая значимость. На основе теоретических результатов достигнуто следующее:
1. Разработаны и оформлены как программный продукт методики синтеза схемы замещения электротехнических комплексов установок электроцентробежных насосов с учетом влияния на режимные параметры УЭЦН каждого из элементов структурной схемы силового канала ЭТК (станция управления, сглаживающий фильтр, промысловый трансформатор, погружная кабельная лини с удлинителем, погружной асинхронный электрический двигатель).
2. Разработаны и оформлены в виде функциональных зависимостей между напряжением на станции управления (на входе ЭТК) и его частотой для основных режимов управления – регулирование при постоянном отношении напряжения к частоте, при отношении напряжения к квадрату частоты, отношения напряжения к частоте для стабилизации минимаксных значений моментов ПЭД (максимальный момент, минимальный момент, второй локальный максимум, пусковой момент), отношения напряжения к частоте, обеспечивающие регулирование с минимальными потерями энергии во всем силовом канале ЭТК.
Методы решения поставленных задач. Для решения поставленных в работе задач использовались методы прикладного системного анализа, теории автоматизированного электропривода, электромеханики, теоретических основ электротехники. Использовались пакеты для создания прикладных программ Mathematica, Mathcad, Simulink, Maple, Matlab. Экспериментальные данные получены на испытательных стендах ЗАО «Новомет-Пермь».
Достоверность результатов, подтверждается корректным применением основных теоретических положений, используемых автором для доказательств научных результатов; сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, приведенными в технической литературе и полученные на экспериментальном стенде, расхождением расчетных и экспериментальных данных, не превышающим 11 %.
Реализация и внедрение результатов работы. Методики математического моделирования и рекомендации по рациональным способам управления электротехническим комплексом установок электроцентробежных насосов могут быть использованы при решении системных задач интеллектуальных энергоэффективных нефтепромысловых электротехнических комплексов и систем электроснабжения. Часть работы, развивающая теорию электротехнических комплексов, внедрена в учебный процесс ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет» и НОУ ВПО «Академический институт прикладной энергетики».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
На II Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» г. Омск 2009.
На VII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» г. Омск, 2009.
На ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет» в течении 2006-2010 гг.
На III Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» г. Омск, 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 научных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 8 работ опубликованы в материалах всероссийских и международных конференций, получены 3 свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и библиографического списка из 127 наименований. Основная часть работы изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 134 рисунков и 12 таблиц.
