Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния добычи нефти в РФ . 6
Доля скважинных насосных установок в добыче нефти и в фонде скважин. Основные проблемы эксплуатации установок с погружным электроприводом. Выводы, цели и задачи исследований .
ГЛАВА 2. Теоретические исследования закономерностей работы погружных электроприводов на основе вентильных двигателей . 19
2Л.Краткий анализ состояния теории и практики вентильных электродвигателей. 19
2.2. Анализ применимости вентильных двигателей с постоянными магнитами для привода погружных насосов при добыче нефти . 29
2.3.Теплофизические процессы работы погружного привода на основе вентильных двигателей при различных режимах работы УЭЦН. 30
2.3.J. Расчет теплового состояния восьмиполюсного вентильного электродвигателя. 30
2.3.1.1. Математическое описание процессов теплопроводности в погружном электродвигателе и формирование математической модели. 30
2.3.1.2. Методика тепловых расчетов вентильных двигателей на основе эквивалентных тепловых схем замещения . 34
2.3Л-3, Результаты расчета теплового поля двигателя ВД125-117 методом конечных элементов 38
2.3.1.4, Результаты расчета теплового состояния ВД125-117 методом эквивалентных схем 45
2.3.2,Аналитическое определение оптимальных областей регулирования насосных установок разных типов с вентильными приводами.Методика подбора погружного оборудования. 55
2.3.3. Расчет максимальных значений частоты вращения вала насоса, подачи и напора в зависимости от мощности вентильного электродвигателя, 63
Выводы по второй главе, 64
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования некоторых вопросов работы погружного привода на основе вентильных двигателей 67
3.1,Стенд для проведения исследований погружного привода на основе вентильных двигателей. 67
3 Д.Экспериментальные исследования погружного привода на основе вентильных двигателей. Обработка результатов эксперимента, 73
3-3. Разработка программы и методики испытаний и исследований асинхронных и вентильных электродвигателей 74
3.4 .Методы испытаний 75
Выводы по третьей главе. 86
Глава 4. 0пыт промысловых испытаний и внедрения установок скважинных насосов для добычи нефти с погружным электроприводом на основе вентильного двигателя
4,1 .Основные типоразмеры электроприводов на основе вентильного двигателя. Проведение промысловых испытаний установок скважинных насосов для добычи нефти с погружным электроприводом на основе вентильного двигателя. 87
4,2.Результаты промысловых испытаний установок скважинных насосов для добычи нефти с погружным электроприводом на основе вентильного двигателя. 97
4.2.1 .Внедрение вентильных двигателей для привода низкооборотных высокомоментных винтовых насосов. 107
Выводы по четвертой главе. 116
Общие выводы и результаты работы. 117
Список использованной литературы
- Доля скважинных насосных установок в добыче нефти и в фонде скважин. Основные проблемы эксплуатации установок с погружным электроприводом. Выводы, цели и задачи исследований
- Анализ применимости вентильных двигателей с постоянными магнитами для привода погружных насосов при добыче нефти
- Методика тепловых расчетов вентильных двигателей на основе эквивалентных тепловых схем замещения
- Разработка программы и методики испытаний и исследований асинхронных и вентильных электродвигателей
Введение к работе
В настоящее время более 65% всей нефти в России добывается с помощью скважинных насосных установок с погружным электроприводом -установками электроцентробежных и электровинтовых насосов. Такими установками оснащено более 30% всех российских скважин, а общее электро-потребление составляет 23,5 млрд. КВт-ч, 45% от всех затрат на подъем нефти.
Несмотря на значительные успехи в области совершенствования конструкции и технологии производства погружных асинхронных электродвигателей типа ПЭД, их повышенный нагрев в определенных режимах отбора жидкости из скважин приводит к существенному снижению ресурса двигателя и УЭЦН в целом- Практически исчерпаны возможности дальнейшего повышения параметров энергетической эффективности погружных асинхронных двигателей, необходимость повышения которых актуализируется в связи со стабильной тенденцией роста тарифов за электроэнергию/!, 2j w
Задача снижения энергопотребления и уменьшение температуры нагрева ПЭД сводится к проблеме повышения КПД двигателя. Однако за последние 15-20 лет этот показатель практически не повышался, и сегодня он находится в интервале 82-84,5% (2-х полюсные ПЭД для УЭЦН) и 70-78% (4-х полюсные ПЭД для УЭВН).
Таким образом, во всех серийно выпускаемых погружных асинхронных электродвигателях от 15,5 до 30% электрической мощности выделяется в виде тепла. Добиться повышения КПД и соответствующего существенного снижения тепловыделения в этих двигателях за счет новых конструктивных решений и замены материалов пока не удалось.
Исходя из этой оценки состояния традиционных асинхронных приводов, примерно десять лет назад в России начали работать над созданием приводов погружных центробежных насосов на основе вентильных электродвигателей. Помимо лучших, по сравнению с ПЭД энергетических характеристик, имеется возможность регулирования частоты вращения вентильных электродвигателей оез ухудшения их моментных характеристик, что существенно повышает технологические возможности при эксплуатации УЭЦН.
Настоящая работа посвящена исследованиям в области разработки и эксплуатации приводов УЭЦН на основе вентильных электродвигателей конструкции ООО «РИТЭК-ИТЦ», а также вопросам испытаний и внедрения научно-технических разработок в области совершенствования вентильных приводов.
Работа состоит из 4 глав, основных выводов по работе, приложений, списка использованной литературы из 61 наименования.
Результаты работы неоднократно докладывались на 9 научно-теоретических и научно-практических конференциях и совещаниях (2000-2006 г,г.), основные положения работы были опубликованы в 13 статьях, а также тезисах докладов на указанных выше конференциях.
Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность за большую помощь в работе всем сотрудникам ООО «РИТЭК-ИТЦ», и в частности, В.И.Павленко и М.Я.Гинзбургу.
Доля скважинных насосных установок в добыче нефти и в фонде скважин. Основные проблемы эксплуатации установок с погружным электроприводом. Выводы, цели и задачи исследований
Система управления вентильным приводом обеспечивала автоматический вывод насосной установки на оптимальный режим работы по объемному притоку скважины и с учетом допустимого газовыделения в пластовой жидкости.
Оснащенная обратной связью в виде эхолота и имеющая сенсорную систему электрических параметров установка позволяла по определенной программе исследовать основные параметры скважины, а затем перейти на длительный период откачки пластовой жидкости автоматически поддерживая динамический уровень в оптимальных пределах. Была заложена программа для автоматического вывода скважин на режим с параметрами номинальной частоты вращения 7500 1/мин на период откачки тяжелого раствора, до появления давления в затрубном пространстве, после чего переходить на режим работы по поддержанию заданного динамического уровня, для работы в указанных выше скважинах в пределах 850-900 м необходимо было выработать алгоритм управления контролером станции управления по значениям токовых параметров работы двигателя. По данным анализа работы установки [3] состояние агрегатов установки было признано удовлетворительным,
По результатам эксплуатации установок ЦУНАР-100 с вентильным приводом были сделаны следующие основные выводы:
Широкая рабочая зона в напорно-расходной характеристике насоса и возможность регулирования дебита УЭЦН позволяют сочетать режимы работы скважины и насоса. Данное свойство позволяет форсировать добычу из малодебитных скважин, стабилизировать работу скважин, работающих в "приграничных" зонах рабочих характеристик.
Возможность регулирования частоты вращения позволяет значительно снизить трудозатраты по выводу скважины на режим, при этом, отпадает необходимость постоянного присутствия оператора при выводе скважины на режим путем минимизации темпа откачки солевого раствора и установки режимного отбора после стабилизации динамического уровня. Это особенно ценно при эксплуатации скважин подгазовой зоны, так как снижает вероятность прорыва газа при освоении и позволяет установить оптимальный безопасный дебит при эксплуатации.
Широкая рабочая зона в напорно-расходной характеристике насоса и возможность регулирования дебита насоса создает возможности к повышению добычи за счет: снижения высоты столба жидкости по динамическому уровню в за-трубном пространстве методом регулировки частоты вращения электродвигателя. оптимизации работы скважин, оснащенных серийными установками и работающими в приграничных зонах рабочих характеристик. обеспечение автоматической адаптации насосной установки к притоку с исключением срыва подачи и недопущения остановки насоса при недостаточном притоке.
Снижение эксплуатационных затрат достигается за счет: - снижения трудоемкости монтажа, транспортировки, ремонта и хранения, - возможности автоматического вывода на режим и удержания уровня пластовой жидкости на постоянной величине за счет обратной связи. Уста новка обеспечивает высокую технологичность эксплуатации и позволяет автоматизировать процесс вывода скважины на режим последующим оптимальным режимом эксплуатации.
Установка работоспособна во всем интервале частот вращения вала электродвигателя: от 3500 до 10000 1/мин.
Энергопотребление установки не превышает 8 КВт-ч/куб.м, [5]. Эксплуатация установок ЦУНАР-100 с вентильным приводом выявила и их недостатки, к главному из которых нужно отнести низкую надежность и невысокий КПД установки [6].
Еще одним недостатком установок является очень высокая цена, вызванная необходимостью применения дорогих высококачественных материалов для изготовления рабочих органов (рабочие колеса из титанового сплава) и узлов трения из карбида вольфрама. Это обусловлено очень высокими скоростями вращения и скольжения указанных элементов установки. Большой проблемой является теплоотвод от вентильного двигателя, имеющего очень малые площади поверхности.
Одним из других направлений развития УЭЦН является частотное регулирование асинхронных ГТЭД,
Рассмотрим основные ограничения, связанные с регулированием частоты вращения ротора ЭЦН, оснащенного асинхронным ПЭД.
Основная проблема, связанная с повышенными частотами вращения -это несоразмерность роста мощности двигателя при увеличении частоты и роста потребляемой мощности насоса. То есть, полагая, что потребляемая насосами мощность изменяется пропорционально кубу отношения текущего значения частоты к номинальному, а полезная мощность двигателя - почти пропорционально корню квадратному из этого отношения, можно сказать, что для определенной системы «насос - двигатель» существует верхний предел регулирования частоты.
Анализ применимости вентильных двигателей с постоянными магнитами для привода погружных насосов при добыче нефти
В работе Литвинова М.В, [54] рассмотрена погружная насосная установка, предназначенная для добычи нефти из скважин. Установка содержит погружной двигатель, гидрозащиту, опорную пяту и рабочие ступени многоступенчатого насоса. Перед рабочими ступенями со стороны опорной пяты установлено устройство для создания виброакустической волны. Устройство состоит из неподвижной части с отверстиями и вращающегося диска, выполненных из немагнитного материала, в тела которых вмонтированы ПМ разноименными полюсами, расположенными один напротив другого. Техническое решение конструкции направлено на повышение эффективности работы установки и увеличение срока ее эксплуатации.
В работах Матвеева С.Н. [5, 6] были представлены результаты расчетных исследований влияния скорости охлаждающего потока на интенсивность теплоотдачи от элементов электродвигателя. Было установлено, что увеличение термического сопротивления зазора пропорционально увеличивает температурный перепад на нем. При наличии канавок происходит изменение механизма передачи тепла. Часть теплоты отводится потоком жидкости. Однако, в этих работах отсутствуют математическое обоснование и практическое подтверждение теплового состояния электродвигателей. Возникла необходимость определения теплового состояния восьмиполюсного вентильного электродвигателя.
Для решения этой задачи необходимо было определить теплофизиче-ские показатели рабочего процесса двигателя. Математическое описание процессов теплопроводности в погружном электродвигателе и формирование математической модели
Основной физической величиной, характеризующей процесс теплопроводности, является температура Qt которая в общем случае изменяется как в пространстве, так и во времени.
Совокупность значений температуры для всех точек заданного пространства в данный момент времени / называется температурным полем. Если температура является функцией только пространственных координат, то поле называется стационарным.
Нестационарное уравнение теплопроводности, или уравнение диффузии, для изотропного линейного пространства имеет вид CM = №Q + P, (2.1) ot где t - время, с; с - удельная теплоёмкость, Вт-с/(кг-С); g - плотность материала стержня, кг/м ; Л- удельная теплопроводность, Вт/(сС-м); р — удельные объемные потери, Вт/м3,
Если процесс установился и температурное поле не зависит от времени, то уравнение (2.1) принимает вид уравнения Пуассона ;LV2G+/7 = 0, (2.2)
В соответствии с (2.2) температура в пространстве определяется только удельной теплопроводностью и выделяемыми объемными потерями.
В одной секции погружного электродвигателя с приемлемой степенью точности можно принять, что тепловое состояние в каждом его сечении неизменно при некотором удалении от торцов секции и определяется практиче ски тепловым состоянием Б среднем сечении секции. Следовательно, для определения этого состояния достаточно решить плоскую задачу, т.е. двумерное уравнение Пуассона относительно температуры, которое в декартовой системе координат (при неизменности X в определенной области) будет иметь вид л ЦШ-Р. (2.3) [дх2 ду где xt у - пространственные координаты.
Решение уравнения (2.3) называется краевой задачей. Для ее решения необходимо задать геометрию рассматриваемой области, ее физические свойства (значения Л up) и граничные условия.
Граничные условия для стационарной задачи отображают условия теплового взаимодействия между окружающей средой и поверхностью рассматриваемого тела. В теории теплопроводности различают граничные условия I, II, III и IV родов, а также другие граничные условия (например, при наличии фазовых превращений - промерзания, плавления и др.)- Рассмотрим граничные условия I - Ш родов.
При граничных условиях I рода задается распределение известной температуры на границе области. Распределение температуры на границе может быть задано в виде функции координат. Такие граничные условия имеют место, например, при интенсивном омывании поверхности жидкостью постоянной температуры. Конкретным примером, где могут быть использованы граничные условия I рода, является наружная поверхность корпуса погружного двигателя, омываемая пластовой жидкостью постоянной температуры. Обычно граничные условия I рода называют условиями Дирихле.
Методика тепловых расчетов вентильных двигателей на основе эквивалентных тепловых схем замещения
Оценка теплового состояния основных элементов погружного вентильного электродвигателя проводилась также с помощью разработанной компьютерной программы, реализующей методику анализа тепловых процессов, в основе которой лежит метод эквивалентных тепловых схем замещения (ЭТС). Краткое описание этого метода дано в литературе [14,15,16].
При использовании метода ЭТС основными являются следующие положения:
1. Машина представляется в виде системы однородных элементов, связи между которыми определяются видом и условиями теплообмена. Применительно к рассматриваемому двигателю такими элементами являются: пазовая и лобовая части обмотки» магнитопровод статора и ротор с магнитами, корпус двигателя.
2. В пределах одного элемента условия нагрева и охлаждения остаются постоянными. В плоскости симметрии каждого элемента конструкции устанавливается узел, с которым соединяются сопротивления теплообмена с другими элементами. Сосредоточенные эквивалентные тепловые сопротивления, заменяющие действительные распределенные, предполагаются независящими от величины теплового потока. Действительные распределенные источники тепла заменяются сосредоточенными и представляются на схеме замещения в виде источников теплового потока.
3. Тепловой расчет сводится к расчету средних температур всех элементов машины. Для упрощения решения предполагаем, что в продольном сечении потоки тепла отсутствуют, это позволяет рассматривать плоскую задачу в поперечном сечении машины; в поперечном сечении обмотки превышение температуры отдельных проводников равны среднему превышению температуры в среднем сечении.
Метод ЭТС позволяет представить различные практические задачи расчета установившегося и переходного режимов нагрева электрической машины в виде системы уравнений. Отказ от рассмотрения поля температур внутри отдельно взятого элемента позволяет представить тепловые процессы системой обыкновенных линейных дифференциальных уравнений первого порядка, число которых определяется количеством элементов, на которые разбивается машина. Тепловое состояние п-го элемента в соответствии с (2.1) описывается следующим дифференциальным уравнением теплового баланса: где Сп, Qn - соответственно, теплоемкость и температура п-го элемента; Q» - температура одного из соседних элементов, связанных в тепловом отношении с рассматриваемым n-ым; Рп - потери мощности в n-ом элементе; Ліп-теплопроводность между n-ым и i-ым элементами; t — текущее время.
Для характеристики теплового состояния машины решают следующую систему из и дифференциальных уравнений: где т - количество элементов, связанных в тепловом отношении с первым элементом; к - количество элементов, связанных в тепловом отношении со вторым элементом; q - количество элементов, связанных в тепловом отношении с n-ым элементом.
Точность результатов, полученных с использованием метода эквивалентных схем замещения тепловых режимов, определяется, главным образом, количеством элементов и точностью расчета их параметров.
Основные исходные данные для теплового расчета вентильного электродвигателя берутся из таблицы результатов, полученных после проведения проектного (геометрические данные, массы элементов) и электромагнитного (потери мощности в элементах конструкции электродвигателя) расчетов, а также из справочной литературы (коэффициенты теплопроводности элемен тов, удельные теплоемкости и плотности материалов элементов конструкции электродвигателя). Конструктивные данные могут быть взяты также для реального двигателя, а его потери - по результатам испытаний.
Как показано в [17, 18], для тепловых расчетов погружных электродвигателей применим метод ЭТС, при этом теплофизические характеристики материалов: объемная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, а также интенсивность объемно-распределенных источников теплоты, условия теплообмена на границах тел могут быть приняты постоянными для рассматриваемого интервала температур.
Как показано в [19,20], охлаждающая жидкость в зонах окололобовых пространств обмотки имеет практически одинаковую температуру, т.е. экспериментально установлено, что в этой области нет существенных градиентов температуры. Это свидетельствует о том, что, несмотря на отсутствие специально организованной внутренней циркуляции жидкости, вращение ротора обеспечивает достаточно интенсивное перемешивание ее внутри двигателя. Это позволяет выделить охлаждающую жидкость внутри двигателя в один элемент и считать, что теплоотдача в ней осуществляется конвекцией.
Тепловая схема замещения {ТЗС) состоит из семи элементов: зубцов статора со средней температурой Qzi; спинки статора со средней температурой QaI. оболочки, включающей станину и подшипниковые щиты, со средней температурой Qct пазовой части обмотки статора со средней температурой Qpfl лобовой части обмотки статора со средней температурой Qu; ротора со средней температурой Qr2l внутреннего воздуха со средней температурой Qoi. Элементы ТЗС связаны между собой соответствующими тепловыми про-водимостями. Источниками тепла, сосредоточенными в соответствующих узлах, являются: основные и добавочные потери в зубцах статора JVaI; потери в ярме статора Pcas; потери в меди пазовой части обмотки статора Рт1р; потери в меди лобовой части обмотки статора Ртц\ потери в стали ротора Pri\ внутренние механические потери, состоящие из потерь на трение в подшипниках и потерь на трение ротора о масло или воздух Рщ ,
Разработка программы и методики испытаний и исследований асинхронных и вентильных электродвигателей
Работа с частотой вращения выте поминального ЧЇШЧЄНИЯ ііоіиолнла: - умшчить отбор продукции из скважины бе1 ш дгьйма уааіюпт для замены неправильно подобранного насоса; увеличить подачу насоса при его износе, сопровождающегося сниженном производительности; обеспечить требуемое давление на устье Возможность регулирования частоты вращения вентильною привода реализована практически в 87% СКШЖЙН. .мсилутщусшых УЭЦН є КІІ "31 Н
Работа в диапазоне частоты вращения насоса ниже номинального значения позволяет не только оптимизировать отбор продукции ш шшжин, но и увеличить ресурс насоса и снизить расход электроэнергии на добычу ж счёт уменьшения потребляемой насосом мощности Й соответствующего ужньше-йіїїї ветнчйиьг рабочего тока, определяющего потери мощности в обеде, что видно по оценочным ет ффнциент .
Таким образом, снижение энергопотребления при добыче ішфтн УЭЦН с вентильными приводами по сравнению с серийными асинхронными обеспечивается за счёт: - более высоких значений КПД двигателей - КПД ВД= 92 %, КПД ПЭД 84%; - снижения потерь мощности в кабеле. Например» при номинальном токе 1в вентильного двигателя ВД32- 20а и токе 1а асинхронного ПЭД32- 25а снижение потерь мощности в кабеле составляет 36%; - работы большей части фонда скважин (76%) при частотах вращения ниже номинальных значений. Например, при частоте вращения насоса 2800 об/мин потребляемая им мощность на 11% меньше номинальной (при частоте вращения 2910об/мин).
В ООО «ЛУКОИЛ-Пермь» был организован учёт энергопотребления УЭЦН с вентильными приводами подконтрольной группы скважин. Фактическое снижение энергопотребление при замене асинхронных приводов на вентильные составило от 20 до 30%.
В настоящее время надёжность погружного оборудования характеризуется показателями «наработка на отказ» и «межремонтный период». Наработка на отказ характеризует надёжность оборудования в скважинах, остановившихся на ремонт, и не учитывает возможные наработки оборудования, которое продолжает работать. Таким образом, показатель «наработка на отказ» не в полной мере характеризует средние наработки оборудования, надёжность которого мы хотим оценить. Имеет недостатки и оценка надёжности по показателю «межремонтный период».
Для оценки надёжности нового вида техники на начальном этапе её внедрения предпочтительнее, на наш взгляд, оценка надёжности погружного оборудования, учитывающая «полные» и «неполные» наработки, предложенная специалистами ЗАО «НОВОМЕТ».
Начальный этап внедрения ВД характеризуется некоторыми особенностями. К «стандартному» набору эксплуатационных причин отказов следует добавить такие факторы, как более высокий процент использования оборудования в так называемых «проблемных» (часторемонтируемых) скважинах и недостаток опыта работы персонала с новым видом оборудования.
Подсчитанные по действующим методикам наработки на отказ УЭЦН с ВД, с учётом всех причин отказов составляют в разных регионах эксплуатации от 200 до 350 суток, межремонтный период - от 250 до 1000 суток.
Представление о порядке средних значений наработок, с учётом продолжающих работать установок, можно получить из промысловых данных, в которых представлены сведения по работающим и остановленным на ремонт скважинам, эксплуатируемых УЭЦН с ВД, В работах [7, 8, 9,10,11] приведены также оценочные коэффициенты изменения потребляемой насосом мощности и ожидаемого изменения его ресурса в зависимости от частоты вращения.
В результате промыслового внедрения установлено, что результаты эксплуатации привода на основе вентильного электродвигателя ВД, полученные не по единичным успешно работающим образцам, а по итогам работы достаточно большого количества УЭЦН с вентильными приводами в различных нефтедобывающих регионах, позволяют сделать вывод о том, что поставленная разработчиком цель - повысить функциональные, энергетические и ресурсные характеристики УЭЦН с приводом на основе ВД, Б основном, достигнута. Это, однако, не означает, что возможности дальнейшего совершенствования приводов КП ЭЦН ВД исчерпаны. Основным показателем оценки является соотношение «цена-качество». В таблице 4.11 представлены ценовые характеристики комплектных приводов на основе вентильных электродвигателей и асинхронных нерегулируемых и регулируемых приводов. В таблице также представлены ценовые показатели на установки с вентильными приводами других разработчиков.
