Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние электропривода с погружными электродвигате лями для нефтедобычи 15
1.1 Функции, выполняемые электроприводом в составе насосной установки 15
1.2 Виды установок погружных скважинных насосов 15
1.3 Условия работы электропривода 18
1.4 Требования, предъявляемые к погружным электродвигателям 19
1.5 Типы электродвигателей, применяющихся в составе электропривода погружных насосов 23
Выводы по главе 1 29
2. Вентильный электропривод 30
2.1 Функциональная схема вентильного электропривода ' 30
2.2 Типы электрических машин, используемые в вентильном приводе 38
2.2.1 Индукторные машины с самовозбуждением 38
2.2.2 Одноименнополюсные индукторные машины с обмоткой возбуждения 40
2.2.3 Одноименнополюсные индукторные машины с постоянными магнитами 41
2.2.4 Магнитоэлектрические двигатели с возбуждением от постоянных магнитов 46
2.3 Типы магнитных систем магнитоэлектрических двигателей 47
2.4 Выбор материала постоянных магнитов для погружных электродвигателей 54
Выводы по главе 2 58
3. Математическая модель электромагнитных и тепловых процессов в вентильных двигателях на базе магнитоэлектрических двигателей 59
3.1 Цель и задачи анализа электромагнитных процессов 59
3.2 Выбор метода анализа электромагнитных процессов в магнитоэлектрических двигателях 60
3.3 Математическая модель электромагнитных процессов в магнитоэлектрических двигателях, выполненная на базе малоузловых схем замещения 63
3.4 Программная реализация математической модели электромагнитных процессов 79
3.5 Проверка адекватности разработанной математической модели электромагнитных процессов 81
3.6 Математическая модель тепловых процессов в магнитоэлектрических двигателях, выполненная на базе малоузловых схем замещения 98
Выводы по главе 3 103
4. Результаты расчетных исследований магнитных систем погружных магнитоэлектрических двигателей 105
4.1 Сравнительный анализ характеристик и показателей магнитоэлектрических двигателей на базе магнитных систем различной конфигурации 105
4.2 Оценка влияния входных геометрических параметров магнитных систем на выходные показатели магнитоэлектрических двигателей... 109
4.2.1 Исследование влияния отдельных геометрических параметров конкретной магнитной системы на выходные показатели 109
4.2.2 Влияние способа намагничивания постоянных магнитов на выходные показатели 124
4.2.3 Влияние увеличения рабочего зазора при изменении способа крепления магнитов 126
4.2.4 Влияние дискретного скоса пазов на момент залипання, форму и величину линейной ЭДС 129
4.3 Результаты электромагнитного расчета погружного магнитоэлектрического двигателя 133
4.4 Результаты теплового расчета погружного магнитоэлектрического двигателя 140
4.5 Качественное сравнение погружных асинхронных и вентильных электроприводов 149
4.5.1 Энергетические показатели погружных асинхронных и магни тоэлектрических двигателей 149
4.5.2 Сопоставление возможностей по управлению погружными асинхронными и вентильными электроприводами 154
4.5.3 Экономический эффект при применении магнитоэлектрическо го двигателя в составе электропривода погружных насосов 155
4.6 Рекомендации для выбора размеров и электромагнитных параметров магнитных систем погружных магнитоэлектрических двигателей при применении в нефтедобывающем оборудовании 157
Выводы по главе 4 173
Заключение 176
Список использованных источников 178
- Типы электродвигателей, применяющихся в составе электропривода погружных насосов
- Выбор материала постоянных магнитов для погружных электродвигателей
- Проверка адекватности разработанной математической модели электромагнитных процессов
- Влияние дискретного скоса пазов на момент залипання, форму и величину линейной ЭДС
Введение к работе
Важнейшим фактором современной мировой экономики, во многом определяющим и политику, является наличие и использование нефтяных ресурсов. Современная цивилизация не может существовать без нефти и нефтепродуктов, потребление которых постоянно растет. Основным является энергетическое направление их использования. В настоящее время доля нефти в мировом энергобалансе составляет более 46% [1].
Одной из главных задач, стоящих перед нефтедобытчиками, является за
дача рационального использования истощенных месторождений и залежей с
тяжело добываемой нефтью [2-4]. В связи с этим все более значимыми являют
ся вопросы научно обоснованного создания и эксплуатации нового
нефтепромыслового оборудования, надежность и эффективность которого, в
том числе экономическая, определяют эффективность всего процесса эксплуа
тации нефтяного месторождения [5-7]. *"
В подавляющем числе случаев добыча нефти не обходится без специального оборудования и такой его важной составляющей, как насосная установка. Одним из основных видов техники добычи нефти в России являются погружные центробежные и винтовые насосы [8]. За последние годы изготовителями проделана большая работа по повышению качества традиционных погружных насосных установок. Однако и сегодня они нуждаются в дальнейшем техническом совершенствовании, которое позволило бы удовлетворить возросшие требования потребителей и обеспечить рост эффективности их использования.
Изменяющиеся в процессе работы привода нагрузки и интенсивность охлаждения электродвигателя, выдвигаемые требования к обеспечению функционирования в наклонных и сильно искривленных скважинах, сокращению энергопотребления, а также уменьшению стоимости изготовления, ремонта и эксплуатации приводов заставляют вести поиск новых технических решений.
5 ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим фактором современной мировой экономики, во многом определяющим и политику, является наличие и использование нефтяных ресурсов. Современная цивилизация не может существовать без нефти и нефтепродуктов, потребление которых постоянно растет. Основным является энергетическое направление их использования. В настоящее время доля нефти в мировом энергобалансе составляет более 46% [1].
Одной из главных задач, стоящих перед нефтедобытчиками, является задача рационального использования истощенных месторождений и залежей с тяжело добываемой нефтью [2-4]. В связи с этим все более значимыми являются вопросы научно обоснованного создания и эксплуатации нового нефтепромыслового оборудования, надежность и эффективность которого, в том числе экономическая, определяют эффективность всего процесса эксплуатации нефтяного месторождения [5-7].
В подавляющем числе случаев добыча нефти не обходится без специального оборудования и такой его важной составляющей, как насосная установка. Одним из основных видов техники добычи нефти в России являются погружные центробежные и винтовые насосы [8]. За последние годы изготовителями проделана большая работа по повышению качества традиционных погружных насосных установок. Однако и сегодня они нуждаются в дальнейшем техническом совершенствовании, которое позволило бы удовлетворить возросшие требования потребителей и обеспечить рост эффективности их использования.
Изменяющиеся в процессе работы привода нагрузки и интенсивность охлаждения электродвигателя, выдвигаемые требования к обеспечению функционирования в наклонных и сильно искривленных скважинах, сокращению энергопотребления, а также уменьшению стоимости изготовления, ремонта и эксплуатации приводов заставляют вести поиск новых технических решений.
6 Суммируя требования, изложенные в различных источниках, можно заключить, что электропривод нефтедобывающих насосов должен обладать следующими основными качествами:
быть регулируемым в широком диапазоне частот вращения (1:8) и нагрузок (1:10);
КПД электропривода и коэффициент мощности электродвигателя должны оставаться высокими при всех основных режимах эксплуатации;
иметь высокую мощность в заданных габаритах;
обеспечивать возможность работы с минимальной частотой вращения и минимальных расходах охлаждающей (пластовой) жидкости;
иметь малые потери в длинной силовой линии связи погружного электродвигателя с поверхностью;
отношение вращающего момента электродвигателя в кратковременном режиме перегрузки к номинальному значению должно быть не менее 2;
обеспечивать возможность автоматической адаптации к изменяющимся условиям функционирования для оптимизации режима работы насосной установки;
электродвигатель должен обладать свойствами, позволяющими применить достаточно простые, но эффективные алгоритмы управления.
Помимо обеспечения указанных качеств электропривода важно минимизировать его себестоимость, что обусловливает необходимость применения соответствующей полупроводниковой элементной базы, материалов и выбора рациональной структуры привода, обеспечения высокой технологичности изготовления.
До настоящего времени для привода нефтедобывающих насосов, как правило, используются погружные асинхронные электродвигатели серии ПЭД [9, 10]. Этому типу привода присущи невысокие КПД и коэффициент мощности, большие пусковые токи, относительно большая длина электродвигателя, а также сложность реализации алгоритма эффективного управления.
7 Актуальность выбранной темы
Таким образом, в связи с возрастающими требованиями в повышении эффективности добычи нефти, используемые в настоящее время погружные
асинхронные двигатели, не удовлетворяют запросам потребителей. Поэтому необходима и актуальна разработка нового электропривода насосов с погружными электродвигателями, способного отвечать современным требованиям.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование электроприводов, обладающих высокими потребительскими свойствами, для центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с погружными электродвигателями.
Для достижения поставленной цели в работе потребовалось решить следующие задачи:
Выбрать тип электропривода и погружного электродвигателя для нефтедобывающих насосов.
Обосновать рациональные конструкции магнитных систем электродвигателей погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие высокой технологичностью и высокими энергетическими показателями.
Разработать математическую модель электромагнитных процессов для исследования и проектирования электропривода с погружным магнитоэлектрическим двигателем (МЭД), учитывающую конструктивные особенности и алгоритмы управления электроприводом, разработать схемы замещения исследуемых магнитных систем, проверить адекватность разработанной модели.
Дать рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружного МЭД с учетом особенностей применения, а также по алгоритму управления вентильным электроприводом (ВЭП).
Спроектировать и исследовать погружные МЭД предложенных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления.
8 Объект исследования
Объектом исследования в работе является вентильный электропривод (ВЭП) для центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с погружными маслозаполненными МЭД [11-13].
ВЭП состоит из наземной и подземной (погружной) части. В состав наземной части входит силовая станция управления, которая подключается к промышленной трехфазной сети напряжением 380 В, частотой 50 Гц и повышающий трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку цепей. Погружная часть ВЭП состоит из МЭД и линии передачи.
Особенности конструкций разработанных МЭД заключаются в следующем:
погружной двигатель заполняется трансформаторным маслом под давлением около 25 МПа, а снаружи охлаждается прокачиваемой между корпусом и обсадной трубой скважины пластовой жидкостью с температурой до 135С;
регулирование выходных характеристик ВЭП осуществляется с помощью бездатчикового способа управления;
при существенно большой мощности (от 16 до 400 кВт) погружные МЭД выполняют в корпусе малого диаметра (92, 103, 117 и 130 мм), но большой длины (до 6 м);
в магнитных системах используются статор с закрытыми пазами и ротор с замкнутыми для размещения постоянных магнитов окнами;
магнитопровод набирается из тонколистовой электротехнической стали так же, как выполняются магнитные системы погружных асинхронных двигателей.
В настоящей работе под ВЭП в дальнейшем будем понимать электропривод, у которого состояние ключей инвертора определяется положением ротора. Асинхронный электропривод, управляемый от преобразователя частоты выделен в отдельный класс электроприводов.
9 Методы исследования
Комплексное исследование электропривода на базе МЭД включает в себя анализ электромагнитных процессов с помощью аналитических методов исследования, базирующихся на методе мгновенных значений, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и матричной алгебре. Исследования электромагнитных и тепловых процессов в МЭД проводились посредством математических моделей, основанных на методе эквивалентных схем замещения, и с применением пакета конечно-элементного анализа ELCUT.
Достоверность полученных результатов
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций в диссертационной работе обосновывается хорошим совпадением результатов теоретического исследования и экспериментальных данных, полученных на опытных образцах для различных режимов работы привода.
Научная новизна и практическая ценность
Обоснована целесообразность применения ВЭП с погружным МЭД для нефтедобывающих установок центробежных и винтовых насосов.
Разработаны конструкции магнитных систем электродвигателя погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие хорошей технологичностью изготовления и высокими энергетическими показателями.
Разработаны математическая модель электромагнитных процессов и схемы замещения выбранных магнитных систем для исследования и проектирования погружных МЭД, учитывающие их конструктивные особенности и алгоритмы управления ВЭП, позволяющие с малыми затратами времени и приемлемой точностью рассчитывать выходные показатели и характеристики ВЭП. Проверена адекватность разработанной модели.
Даны рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружных МЭД с учетом
10 особенностей их применения, а также по алгоритму управления ВЭП.
5. С использованием разработанной математической модели спроектированы и исследованы погружные МЭД предложенных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления, отвечающие современным требованиям, предъявляемым к электродвигателям подобного назначения.
Внедрение результатов работы:
Разработанные математические модели реализованы в виде комплекса программ и готовы для использования на персональном компьютере. Их использование позволяет вести расчетные исследования и проектирование МЭД погружного исполнения рассмотренных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления.
Результаты диссертационной работы использованы:
При серийном производстве ГК «БОРЕЦ» погружных МЭД серии 1ВЭДБТ в габарите 117 мм мощностью 18, 26, 36, 45, 72, ПО, 128, 180 и 20 кВт (500-^-3500 об/мин) для центробежных насосов, и серии 2ВЭДБТ в габарите 117 мм мощностью 10, 14, 21, 28, 35, 42, 49, 56 и 70 кВт (250^-1500 об/мин) для винтовых насосов. Электродвигатели в габаритах 103 и 130 мм находятся на стадии производства и испытания.
При разработке ООО «РИТЭК-ИТЦ» типоразмерных рядов МЭД для погружных центробежных и винтовых насосов в корпусах диаметром 92, 117 мм, мощностью 16, 24, 40, 48 и 64 кВт.
ФГУП «Альфа» при проведении работ, связанных с разработкой вентильного электропривода специального назначения и поиском оптимальных режимов управления электроприводом со сходной магнитной системой.
Разработанное в рамках данной работы программное средство учебного назначения (ПСУН) реализовано в учебном процессе на кафедре ЭКАО МЭИ (ПСУН «Программа моделирования электромагнитных процессов в вентильных синхронных машинах с возбуждением от постоянных магнитов»), а также используется при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ.
11 Область применения результатов:
Основной областью применения результатов работы является ВЭП для нефтедобывающих погружных насосов. Кроме того, разработанные математические модели, а также результаты расчетных исследований по выявлению влияния параметров на выходные характеристики, могут быть использованы при проектировании и исследовании ВЭП другого назначения.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Обоснование выбора типа электропривода и погружного электродвигателя для нефтедобывающих насосов.
Рациональные конструкции магнитных систем электродвигателя погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие высокой технологичностью и высокими энергетическими показателями.
Математическая модель электромагнитных процессов и схемы замещения выбранных магнитных систем для исследования и проектирования погружных МЭД. Результаты проверки адекватности разработанной модели.
Результаты математического моделирования ВЭП на базе спроектированных МЭД.
Рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружного МЭД с учетом особенностей применения, а также по алгоритму управления ВЭП.
Апробация работы
Основные результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института, а также на следующих конференциях:
одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 1-2 марта, 2005;
двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 2-3 марта, 2006;
тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 1-2 марта, 2007;
четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 28-29 февраля, 2008.
Для решения поставленных задач в первой главе описаны функции, выполняемые приводом в составе насосной установки, проведен обзор различных видов установок для погружных скважинных насосов, используемых в настоящее время, проанализированы условия работы электропривода (ЭП) и предъявляемые к нему требования. Проведен обзор электродвигателей, применяющихся в настоящее время в составе ЭП для погружного электронасоса.
Во второй главе приведены структурная и функциональная схемы ВЭП с погружным электродвигателем, проведен обзор различных типов электрических машин, возможных для использования в составе ВЭП. По результатам анализа в качестве наиболее перспективного варианта, выбран МЭД. Описаны особенности конструкции, предложены рациональные типы магнитных систем с постоянными магнитами (ПМ), имеющие высокие энергетические показатели и обладающие хорошей технологичностью в изготовлении. Проанализированы свойства материалов, применяемых для изготовления ПМ; по результатам их анализа и сравнения как наиболее приемлемый для использования в погружных электродвигателях выбран материал на основе сплава неодим-железо-бор.
В третьей главе произведен выбор методов исследования, разработана математическая модель электромагнитных процессов в ВЭП на базе МЭД, выполненная с использованием малоузловых схем замещения. Для конкретных объектов исследования на основе анализа численных результатов, полученных с помощью разработанного программного продукта и их сравнения с экспериментальными данными проведена проверка адекватности математической модели и сделан вывод о целесообразности ее использования как инструмента для исследования и проектирования ВЭП на базе погружного МЭД для центробежных и винтовых насосов.
Приведена методика оценки теплового состояния электродвигателей на базе эквивалентных тепловых схем замещения.
Четвертая глава посвящена расчетным исследованиям, выполненным с использованием разработанной математической модели. Проведен сравнительный анализ характеристик и показателей МЭД с магнитными системами различной конфигурации, а также исследование влияния конструктивных параметров отдельных магнитных систем на выходные показатели МЭД.
С помощью разработанной модели приведены результаты электромагнитного расчета погружного МЭД одной из предложенных конструкций. Выявлено, что высокие значения КПД и коэффициента мощности сохраняются во всем диапазоне частот вращения и нагрузок.
Проведена оценка теплового состояния восьмиполюсного погружного МЭД, сделан вывод о его соответствии требованиям по перегреву, проведено сравнение полученных данных с экспериментом. Приемлемая степень адекватности модели говорит о целесообразности ее применения для оценки теплового состояния погружных МЭД.
Даны рекомендации для выбора размеров и параметров магнитных систем погружных МЭД при их применении в нефтедобывающем оборудовании, представляющие практическую ценность при проектировании двигателей данного назначения.
По результатам анализа имеющихся данных проведено сравнение приводов на базе МЭД и АД, находящихся в эксплуатации.
В заключении обобщены основные результаты и сделаны выводы по работе.
Основные положения диссертации освещены в следующих статьях и публикациях:
1. Окунеева Н. А., Соломин А. Н., Русаков А. М. Вентильные электродвигатели в составе нефтедобывающего оборудования // «Электричество», 2008. №1.- С. 60-65.
Окунеева Н. А., Русаков А. М., Соломин А. Н., Шатова И. В. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных двигателях // «Вестник МЭИ», 2007. № 3. - С. 33-39.
Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Магнитные системы вентильных электродвигателей для погружных насосов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Одиннадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2005. Т. 2. - С. 90.
Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Разработка и исследование погружных вентильных индукторных двигателей для нефтедобычи // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. Т. 2.-С. 78-79.
Окунеева Н. А., Русаков А. М., Соломин А. Н. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных двигателях для нефтедобывающего оборудования // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Тринадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Т. 2. - С. 72-73.
Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Результаты испытания вентильных двигателей специального назначения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Четырнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Т. 2. - С. 62-63.
По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 95 наименований. Ее содержание изложено на 204 страницах машинописного текста, включая 93 рисунка, 26 таблиц и 4 приложений.
Типы электродвигателей, применяющихся в составе электропривода погружных насосов
До последнего времени в погружных электроприводах для нефтедобычи использовался асинхронный трехфазный маслонаполненный электродвигатель (АД) с короткозамкнутым ротором [9, 18]. Основными проблемами, с которыми приходится сталкиваться при использовании АД, являются следующие:
- согласование частоты напряжения питающей сети с требуемой частотой вращения;
- регулирования производительности насоса;
- относительно низкий КПД.
Принципиальная конструктивная схема установки погружного центробежного электронасоса была разработана в России в 1918 году, а его использование в нефтедобычи началось в середине 30-х годов в США. За прошедшие годы были достигнуты большие успехи в области развития этого вида техники. Но, несмотря на это, за последние 10-15 лет существенно повысить показатели приводов с асинхронными двигателями типа ПЭД не удалось [12].
Проведенный анализ литературных источников [2, 7, 11-14] показал, что совершенствование приводов погружных насосов за последние 10 лет происходило по двум направлениям:
- изменением конструкции и характеристик приводов с традиционно применяемым асинхронным двигателем;
- установкой новых вентильных электроприводов с магнитоэлектрическими двигателями.
В первом случае велась разработка и совершенствование в основном нерегулируемых приводов для УЦН с различными диаметрами корпуса (96, 103, 117, 130 и 135 мм), постепенно осуществлялся переход к регулируемым вентильным приводам с асинхронными двигателями. Повышались удельно-массовые показатели электродвигателей за счет: - применения более теплостойких электроизоляционных материалов, проводов и масел;
- увеличения допускаемой температуры перегрева обмоток с 40С до 70 -80С за счет снижения срока службы изоляции с 25-КЗО до 5 лет.
Особенностями ВД с постоянными магнитами, применяемыми с 1995 по 2005 г. является:
- использование традиционных магнитных систем с креплением постоянных магнитов в форме сегментов или дуг на поверхности втулки ротора с применением немагнитного бандажа;
- применение беспазовой или зубцовой рабочей обмотки [16, 95];
- повышенная частота вращения ротора (9000-И 2000 об/мин);
- использование тонкого листа статора (0,19 -0,27 мм) для уменьшения потерь в стали.
Таким образом, в конструкциях ЭД исключался традиционный подход в изготовлении ПЭД и применение освоенных промышленностью насосов. Это создало дополнительные трудности, как при изготовлении УЦН в целом, так и при их внедрении.
Проведенные работы по разработке и внедрению погружного инвертора [38], расположенного вблизи электродвигателя, как показало время, положительного результата не дали. К аналогичному результату пришли и разработчики мощного (более 500 кВт) вентильного электропривода с частотой вращения электродвигателя более 6000 об/мин.
В последние годы все больше скважин оборудуется винтовыми насосами. Как было сказано выше, наиболее эффективно такие насосы работают при малых частотах вращения. Однако создание погружных АД с частотой вращения менее 1000 об/мин при имеющихся ограничениях практически невозможно, а двигатель с частотой вращения 1000 об/мин удалось создать мощностью только 16 кВт, так как большая мощность требует перехода на секционные двигатели, что увеличивает их стоимость и снижает надежность. Поэтому основным двигателем для привода УВН до последнего времени оставался 4-хполюсный двигатель с частотой вращения 1500 об/мин [19, 20].
Для повышения эффективности работы УВН необходимо создать двигатель с регулируемой частотой вращения [21] в диапазоне 250-Н000 об/мин, что позволит существенно повысить ресурс УВН и довести его до уровня ресурса винтовых насосов с поверхностным приводом.
Использование для снижения частоты вращения двигателя понижающего редуктора в целом ухудшает показатели системы. В частности, снижает надежность и ресурс, уменьшает КПД, остаются проблемы цены, возможности обслуживания и ремонта.
В отношении УЦН следует отметить, что номинальная частота вращения серийного насоса (2910 об/мин), обусловленная частотой вращения погружного 2-х полюсного АД типа ПЭД, не является оптимальной для всех условий эксплуатации. Регулируемый же привод позволяет выбрать частоту вращения насоса, при которой будет обеспечена более эффективная работа УЦН в скважинах с низким пластовым давлением, высоким газовым фактором, высокой вязкостью продукции, большим содержанием механических примесей и других осложняющих факторах.
Регулирование производительности насоса может осуществляться следующими способами:
1. Периодической откачкой нефти, предусматривающей отключение двигателя при снижении динамического уровня жидкости ниже уровня насоса до нового накопления жидкости в скважине. Отметим, что при высоком содержании механических примесей и песка, остановка двигателя может привести к заклиниванию насоса.
При быстром восстановлении динамического уровня АД будет работать с частыми пусками и остановами. С учетом дополнительных потерь в роторе в переходных процессах в и без того напряженного в тепловом отношении приводе такой способ управления производительностью погружного АД является недопустимым, а при прямом пуске приводит к высоким механическим нагрузкам, перегрузкам по току в кабеле и частым выходам из строя.
2. Регулирование частоты вращения двигателя. При использовании АД это может быть обеспечено параметрическим способом (при изменении числа пар полюсов в многоскоростном АД) или при включении в состав ЭП преобразователя частоты. Переключение числа пар полюсов используется в станках-качалках, и этому способу свойственны недостатки, связанные с низкими показателями в переходных режимах.
Использование преобразователя частоты позволяет также решить вопросы согласования частоты напряжения и частоты вращения. Отметим, что даже при выборе частотно-управляемого асинхронного ЭП возможности дальнейшего улучшения энергетических характеристик АД практически исчерпаны -невозможно реализовать конструкцию АД небольшого диаметра с приемлемым КПД (у разработанных электродвигателей он не превышает 0,75 -0,83), cosq) в системе не будет превышать величину 0,72-Ю,85. Включение в состав АД систем регулирования частоты вращения кратно увеличивает стоимость привода; при этом показатели эффективности привода остаются без изменения [22].
Обозначенные проблемы наиболее успешно решаемы созданием установок погружных центробежных и винтовых насосов с ВЭП, к возрастанию роли которых в составе погружных ЭП привело быстрое и успешное развитие силовой полупроводниковой техники и технологии производства постоянных магнитов, т.е. тех составляющих, сочетание которых обеспечивает бесконтактность, хорошую управляемость, высокий КПД, простоту конструкции и широкие функциональные возможности ВЭП [23, 24].
Выбор материала постоянных магнитов для погружных электродвигателей
При проектировании ЭМ с ПМ важно грамотно выбрать тип материала постоянных магнитов. При выборе материала для постоянного магнита обычно руководствуются следующими критериями:
- стоимость магнита;
- магнитные свойства материала;
- физические свойства материала (твердость, прочность);
- рабочая температура.
На сегодня известно множество материалов, используемых при изготовлении постоянных магнитов [25-27]: альнико (Al-Ni-Co), ферриты (керамика), самарий-кобальт (Sm-Co), ниодим-железо-бор (Nd-Fe-B), железо-хром-кобальт (Fe-Cr-Co) и материалы в виде смеси магнитного порошка и какой-либо связующей компоненты (магнитопласты). В качестве связующего материала могут выступать каучук, пластик и материалы на базе эпоксидной смолы.
Основные свойства наиболее распространенных на практике материалов ПМ приведены в Приложении 1.
Положительными качествами Al-Ni-Co в сравнении с другими материалами являются: высокая остаточная намагниченность Вг (0,67ч-1,35 Тл), температура Кюри примерно 840С, высокая температурная стабильность (0,02 %/С), возможность формирования в материале-магнитного поля большой кривизны, легко поддается механической обработке. В качестве недостатков материала Al-Ni-Co можно назвать его хрупкость. Обычно его обрабатывают полированием, шлифованием или электроэрозией. Кроме того альнико имеет невысокую коэрцитивную силу (50-І-150 А/м).
Феррит является самым дешёвым магнитным материалом. Он обладает относительно высоким значением коэрцитивной силы (200 400 кА/м), высоким удельным электрическим сопротивлением ( 10-й0 Ом-м).
К недостаткам ферритовых материалов можно отнести относительно низкую температуру Кюри (около 450С), низкую температурную стабильность (0,2 %/С), а главное малую остаточную индукцию.
Достоинствами магнитов, выполненных из сплава Sm-Co являются высокая остаточная индукция (до 1,15 Тл), коэрцитивная сила (от 440 до 1250 кА/м), высокая температура Кюри (в зависимости от соотношения составляющих 750С (1:5) или 825С (2:17)), хорошая температурная стабильность (0,035 %/С) и значительно более высокая энергия магнитного поля, чем у Al-Ni-Co.
К недостаткам магнитов Sm-Co относятся высокая стоимость и хрупкость. Это самый дорогой из имеющихся магнитных материалов. Высокая цена материала определяется использованием в нём дорогих редкоземельных металлов. В частности, технология очистки самария достаточно дорога, так же как и кобальта, который широко используется в производстве сталей высоких марок.
В сравнении со сплавом Sm-Co магниты из сплава Nd-Fe-B обладают высоким энергетическим произведением (вплоть до 370 кДж/м3) при значительно меньшей цене.
Магниты Nd-Fe-B имеют широкий диапазон рабочих температур (от -40С до +200С), некоторые их виды можно использовать вплоть до 240С, однако, они имеют пониженные значения магнитных характеристик по сравнению с остальными марками.
Магниты Nd-Fe-B имеют меньшую температурную стабильность, чем магниты Sm-Co - их температурный коэффициент магнитной индукции изменяется от 0,07 до 0,13 %/С (у Sm-Co - 0,035 %/С). Вследствие этого при температурах более 180С магниты Sm-Co могут создавать большие значения магнитного поля, чем магниты Nd-Fe-B.
Nd-Fe-B имеет низкую температуру Кюри (примерно 310С), которая может быть повышена добавлением кобальта. Однако, как отмечалось ранее, использование кобальта вместо железа ведет к удорожанию материала.
Подверженность коррозии Nd-Fe-B вынуждает наносить на магниты покрытие. Окраска, покрытие эпоксидной смолой хороши в качестве защиты от окисления, но добавляют лишний слой между магнитом и другими частями изделия. Этот слой вызывает дополнительное магнитное сопротивление в цепи. Покрытия никелем и цинком наиболее выгодны. Эти модифицированные магниты могут быть использованы до температур +220С. Для успешного использования при повышенных температурах магнитная цепь должна быть оптимизирована с точки зрения минимизации процессов размагничивания при высоких температурах.
Магнитопласты изготавливаются посредством смешения магнитного порошка и какой-либо связующей компоненты. В качестве связующего вещества могут применяться каучук, акрил, полиамид, термопластик, пластик, винил, эпоксидная смола и др. Связующий материал во многом определяет физические свойства магнитопластов.
В качестве магнитного порошка рациональными являются гибриды, представляющие собой смеси ферритового порошка с небольшим количеством редкоземельного порошка, обычно Nd-Fe-B. Разное процентное соотношение компонентов такого гибрида позволяет получить необходимые значения остаточной намагниченности и коэрцитивной силы.
Тем не менее, максимальное энергетическое произведение у магнитопластов ниже, чем у более плотных спеченных магнитных материалов.
Технология изготовления магнитопластов позволяет создавать как простые, так и очень сложные формы магнитов: с прямой, радиальной и многополюсной намагниченностью. Один из недостатков магнитопластов является низкий верхний температурный предел использования, диктуемый температурным состоянием связующего материала. Эта величина обычно составляет от 80С до 220С.
Рабочие температуры магнитопластов ниже по сравнению с рабочими температурами спеченных магнитов, но разработки последних лет позволили приблизить их к уровню 140-1 80С, что делает возможным их применение в пэд.
Наиболее широкое распространение в МЭД получили магниты из высококоэрцитивных материалов Sm-Co и Nd-Fe-B, основные характеристики которых приведены в таблице 2.1. С учетом температурного коэффициента эти сплавы обладают сопоставимыми магнитными характеристиками, однако по стоимости и доступности на рынке Sm-Co проигрывает. Поэтому для магнитных систем МЭД в составе погружного ВЭП рекомендуется выбирать материал на основе сплава Nd-Fe-B. Sm-Co как правило, используется, в быстроходных МЭД (л 6000 об/мин) или при температуре пластовой жидкости более 150С.
Проверка адекватности разработанной математической модели электромагнитных процессов
Степень адекватности результатов, полученных при расчете МЭД различных конструкций, оценивалась исходя из сравнения расчетных данных с результатами экспериментов. При этом сравнивались как мгновенные зависимости, так и интегральные значения выходных показателей.
Для проверки разработанной математической модели и расчетной программы для ВЭП на базе МЭД с различными магнитными системами были использованы экспериментальные данные не только МЭД погружного исполнения (получение которых из-за сложности реализации подобного эксперимента в обычных условиях затруднительно), но и МЭД другого назначения, что обусловлено возможностью применения разработанной расчетной модели при проектировании МЭД со сходными магнитными системами.
На этапе, предшествующем изготовлению разрабатываемых ВЭП с погружными МЭД, были проведены испытания макетного образца [84] ВЭП на базе МЭД с одной из рассматриваемых магнитных систем (рис. 3.7), предназначенного для работы в составе микрокриогенной системы (МКС). Номинальный момент исследуемого двигателя составлял 0,05 Н м.
Целью исследований являлось практическое подтверждение достоверности разработанной математической модели электромагнитных, проверка ее адекватности на примере ВЭП с одной из предложенных магнитных систем с ПМ на роторе.
При этом были решены следующие задачи:
1. Определены точки механической характеристики объекта испытания при постоянном напряжении питания (/„=22 В) и соответствующие им значения КПД, потребляемого тока, потребляемой и выходной мощности ВЭП. 2. Проверена адекватность математической модели путем сравнения результатов эксперимента и расчета, выполненного с использованием расчетной программы, реализующей разработанную математическую модель.
Электродвигатель представляет собой МЭД с ДПР на базе 3-х фазной синхронной машины с 6 зубцами на статоре, в пазах которого расположены ДПР, и 4 постоянными магнитами на роторе. Скос пазов отсутствует. Конструктивные и обмоточные данные машины сведены в таблицу 3.1
В состав испытательного стенда (рис. 3.8) входят:
ИП1, ИП2 - источники питания постоянного тока с плавным регулированием напряжения в диапазоне от 0 до 30 В и током до ЗА;
БПУ - блок питания и управления АП 06001У с выводными кабелями;
ЭМ, ДПР - объект испытаний;
НУ - нагрузочное устройство на базе электромагнитного тормоза со шкалой измерения момента (предельный момент 0,15- -0,2 Нм; момент нагрузки должен обеспечиваться в диапазоне частот вращения от 2000 до 5000 об/мин), ОС - осциллограф, предназначенный для индикации линейного напряжения и получения информации о частоте вращения двигателя;
А - амперметр магнитоэлектрической системы с диапазоном измерения токов от 0 до 3 А и классом точности 0,2, предназначенный для измерения /п;
V - вольтметр магнитоэлектрической системы с диапазоном измерения напряжений от 0 до 30 В и классом точности 0,2, предназначенный для измерения Uп.
Приборы, используемые при проведении экспериментов, представлены в таблице 3.2. Используемые измерительные приборы сведены в таблицу 3.3.
При измерении величин тока и напряжения переключатели диапазонов измерений приборов устанавливались в такое положение, чтобы измерения происходили во второй части шкалы.
Эксперимент проводился в соответствии со следующим планом:
1. Сборка испытательного стенда согласно схеме испытаний, приведенной нарис. 3.8.
2. Тарировка шкалы момента нагрузочного устройства. Положение балансировочных грузов подбиралось таким образом, чтобы измеренная с помощью динамометра сила тяжения нити F, охватывающей обод нагрузочного устройства, при отклонении стрелки на половину шкалы в сторону направления вращения двигателя была равна
F=MmJd, (3.24) где Мном - номинальный момент испытуемого ЭД; d - диаметр обода нагрузочного устройства. Цена деления шкалы измерения момента (Нм/дел) будет равна т\=Миом/кд0, (3.25) где &до - половинное число делений шкалы измерения момента (середина шкалы). 3. Измерение параметров в режиме, близком к холостому ходу: - установка напряжения питания ИГО, равного О В. - подача от ИП1 напряжение питания на двигатель, путем плавного увеличения его от нуля до 22В, с целью исключения вероятности динамического броска стрелки шкалы нагрузочного устройства и нарушения установленной градуировки шкалы;
Влияние дискретного скоса пазов на момент залипання, форму и величину линейной ЭДС
Анализ влияния дискретного скоса проводился для одного из погружных вентильных двигателей, принадлежащего серии 1ВЭДБТ-117В5, мощностью 32 кВт, выпускаемого ГК «Борец». Эскиз поперечного сечения магнитопровода представлен на рис. 4.29. Максимальное число сдвигаемых модулей ограничивается длиной магнита, которая в исследуемом двигателе составляет 40 мм. При стандартной длине секции (320 мм по магнитам) становятся возможными варианты с двумя, четырьмя и восемью сдвинутыми модулями.
Для этих трех вариантов был произведен расчет зависимости момента залипання, коэффициента гармоник и действующего значения линейной ЭДС от угла скоса, измеряемого в долях зубцового деления статора. Расчет проводился в режиме с нулевыми токами и заторможенном роторе при оценке момента залипання и при частоте вращения 3000 об/мин - при оценке величины и формы ЭДС.
Анализ технической реализации и зависимостей, приведенных на рис. 4.30 -4.32, показал:
- с ростом числа дискретно сдвигаемых модулей процесс сборки конструкции усложняется, при этом увеличивается количество требуемых исполнений штампа;
- минимальное значение момента залипання наблюдается при угле скоса 0,75 зубц. дел. и четырех сдвигаемых модулях;
- с увеличением угла дискретного скоса в пределах исследуемого диапазона улучшается форма ЭДС, о чем свидетельствует уменьшение коэффициента гармоник, однако действующее значение ЭДС при этом снижается.
С учетом выявленного влияния величины дискретного скоса и числа модулей на показатели МЭД наиболее рациональным вариантом скоса является скос на 0,75 зубц. дел. с четырьмя сдвигаемыми модулями.
Опыт эксплуатации данного ВЭП показал, что при реализации выбранного дискретного скоса наблюдается низкий уровень вибраций, отвечающий существующим нормам и требованиям и способствующий надежной работе подшипниковых узлов.
Результаты электромагнитного расчета погружного магнитоэлектрического двигателя
С использованием приведенных в главе 3 математических моделей электромагнитных и тепловых процессов были разработаны отрезки серий погружных МЭД для УЦН и УВН с рядом рассмотренных в работе магнитных систем, выполненных в различных диаметрах корпуса (Приложение 3).
С целью иллюстрации уровня выходных показателей разработанных МЭД и их зависимостей от угла включения фазы, частоты вращения и нагрузки для погружного МЭД, эскиз магнитной системы которого приведен на рис. 4.33 приведены результаты электромагнитного расчета, произведенного с помощью компьютерной программы, реализующей представленную математическую модель.
Рис. 4.33 Эскиз пластины ротора и статора погружного МЭД
1ВЭДБТ80-117В5 для электроцентробежного насоса СРном=80 кВт, Лном= 6000 об/мин, наружный диаметр 117 мм)
Схема замещения магнитной цепи данной конструкции магнитной системы приведена на рис. П2.5. Основные геометрические, обмоточные и расчетные данные - в таблице 4.7, выходные показатели в номинальном режиме - в таблице 4.8.
