Оптимизация режимов работы установок электроцентробежных насосов механизированной добычи нефти

На правах рукописи

Сипайлов Вадим Андреевич

оптимизация режимов работы УСТАНОВок ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

механизированной добычи нефти

Специальность: 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Томск – 2009

Работа выполнена на кафедре электропривода и электрооборудования

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский политехнический университет»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Букреев Виктор Григорьевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Казанцев Юрий Михайлович
	кандидат технических наук, доцент Рикконен Сергей Владимирович
Ведущая организация:	Обособленное подразделение «Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники» (г. Томск)

Защита диссертации состоится 21 октября 2009 года в 15 часов
на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций
Д 212.269.11 при Томском политехническом университете в ауд. 217
8-го учебного корпуса по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55 или на сайте: http://www.lib.tpu.ru .

Автореферат разослан 18 сентября 2009 года.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

_________________Ю.Н. Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нефтедобывающая отрасль играет огромную роль
в экономике России, в связи с чем повышение эффективности электротехнических комплексов нефтедобычи, характеризующихся осложненными условиями эксплуатации и высоким уровнем энергоемкости (расходы на электроэнергию составляют от 30 до 50 % от общей суммы затрат), является актуальной задачей.

Одними из основных электротехнических комплексов механизированной добычи нефти являются установки с электроцентробежными насосами (УЭЦН). В РФ около 35 % всех нефтяных скважин оснащены УЭЦН, ими обеспечивается основной объем добычи нефти (более 50 %).

Результаты исследований зарубежных и отечественных ученых показывают, что задача повышения эффективности УЭЦН может быть решена за счет использования регулируемого электропривода и применения оптимальных алгоритмов управления.

Решением проблемы повышения эффективности эксплуатации УЭЦН
с асинхронным электроприводом занимаются многие ведущие отечественные
и зарубежные исследователи: В.А. Ведерников, М.С. Ершов, А.М. Зюзев, В.Н. Ивановский, Б.Г. Меньшов, А.Д. Яризев, Kloeppel F., Drehsler P. и другие.

Однако существующие системы управления работой УЭЦН нельзя
в полной мере рассматривать как интеллектуальные, так как они
не обеспечивают принятия решения по установлению наиболее рациональных параметров технологического режима для условий, сложившихся
на определенном интервале времени.

Указанные обстоятельства определили выбор объекта исследования, которым является электротехнический комплекс «Установка электроцентробежного насоса», а также предмета исследования – установившиеся режимы работы УЭЦН.

Целью диссертационной работы является оптимизация установившихся режимов работы УЭЦН с регулируемым электроприводом.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Рассмотреть перспективы и экономическую целесообразность применения регулируемого электропривода в структуре УЭЦН.
2. Сформулировать задачу оптимизации установившихся режимов работы УЭЦН с обоснованием критерия, параметров оптимизации
   и ограничений.
3. Провести системный анализ параметров, определяющих показатели работы УЭЦН, и выявить наиболее значимые факторы.
4. Разработать математическую модель УЭЦН, учитывающую основные технические и технологические параметры.
5. Разработать алгоритм управления, обеспечивающий оптимизацию установившихся режимов работы УЭЦН.
6. Оценить эффективность разработанного алгоритма путем имитационного моделирования и экспериментальных испытаний на скважине.

Методы исследований. В процессе исследования использовались принципы системного анализа, теории оптимизации, метод планирования эксперимента, программные среды RosPump и MatLab с приложениями Power System Blockset и Simulink.

Достоверность полученных результатов. Обоснованность
и достоверность научных выводов и результатов базируется на использовании известных положений теории электрических машин и электропривода, работы скважинных центробежных погружных насосов, движения газоводонефтяной смеси; подтверждается математическим моделированием в современных программных продуктах, а также достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы.

1. Предложен технико-экономический критерий оптимизации работы УЭЦН, отличающийся совместным учетом технических и экономических показателей и позволяющий оценивать в реальном времени эффективность функционирования установки с позиции рентабельности нефтедобычи.

2. Синтезирована модель УЭЦН как элемента системы «УЭЦН- скважина», объединяющая модели гидро- и электромеханической подсистем
и учитывающая взаимное влияние технологических и технических параметров подсистем.

3. Разработан алгоритм управления, обеспечивающий оптимизацию установившихся режимов работы УЭЦН с позиции рентабельности нефтедобычи путем регулирования частоты вращения погружного агрегата.

Основные положения, защищаемые автором.

1. Критерий оптимального (с позиции системы верхнего уровня – комплекс нефтедобычи) функционирования УЭЦН и алгоритм управления установившимися режимами работы УЭЦН в технологической системе «УЭЦН-скважина».

2. Математическая модель УЭЦН, учитывающая основные технологические и технические параметры системы «УЭЦН-скважина».

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований установившихся режимов работы УЭЦН.

Практическая ценность работы.

1. Разработана методика синтеза математической модели УЭЦН
как элемента системы «УЭЦН-скважина», позволяющая получать модель
в виде уравнений регрессии, в явном виде связывающих параметры УЭЦН, управляющие воздействия и возмущающие факторы.

2. Разработан комплекс программ, позволяющий рассчитывать параметры текущего состояния системы «УЭЦН-скважина» в реальном времени
и определять оптимальные значения управляющих воздействий – скорость вращения погружного агрегата, частоту и величину напряжения преобразователя частоты УЭЦН.

Реализация результатов. Результаты исследований использованы
в ОАО «Сургутнефтегаз» в виде рекомендаций по изменению силовой схемы станций управления установками механизированной добычи нефти. При этом фактическое снижение потребляемой активной мощности и затрат
на электроэнергию составило 3,7 % (без изменения производственных показателей установок).

Результаты оптимизации установившихся режимов работы в виде алгоритмов, программ и рекомендаций внедрены на предприятии ООО «Стимул-Т», г. Томск. Эффект от внедрения выразился в увеличении дебита нефти на 2,26 т/сут (14,56 %) и прибыли предприятия на 5,9 %.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ОАО «Сургутнефтегаз» (Сургут, 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия:
от получения и распределения до эффективного использования» (Томск, 2006); Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, 2007); Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2008, 2009); Всероссийской конференции «Разработки молодых специалистов
в области энергетики» (Москва, 2008); Всероссийской научной конференции «Наука, технологии, инновации» (Новосибирск, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК для публикации основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 положительное решение по заявке на полезную модель.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложена на 154 страницах машинописного текста и содержит 32 рисунка, 19 таблиц, библиографический список из 126 наименований, 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика работы, обоснована актуальность темы, определены объект и предмет исследований, сформулированы цель и задачи исследований, определены научная новизна
и практическая значимость работы.

В первой главе выделен объект исследования – установка электроцентробежного насоса, рассмотрены особенности и параметры технологической системы «УЭЦН-скважина», а также пути повышения эффективности работы УЭЦН.

Выполнен технико-экономический анализ различных структур УЭЦН
и обосновано применение установки с частотно регулируемым электроприводом как варианта с наименьшими затратами на эксплуатацию.

Результаты оценки различных вариантов структуры УЭЦН представлены в таблице 1 (1 – базовая структура УЭЦН, включающая скважинный трансформатор – ТМПН, станцию управления – СУ, кабельную линию – КЛ, погружной электродвигатель – ПЭД, насос – ЦН, гидрозащиту, колонну насосно-компрессорных труб – НКТ, устьевую арматуру; 2 – УЭЦН
с установкой компенсации реактивной мощности; 3 – УЭЦН
с преобразователем частоты – ПЧ).

Таблица 1 – Затраты для различных вариантов

структуры УЭЦН (по состоянию на 2008 год)

Затраты, руб. (на одну скважину)	Структура УЭЦН
	1	2	3
Единовременные капитальные вложения	1 957 000	1 959 000	2 131 000
Затраты на ремонт	332 411	332 411	262 183
Затраты на электроэнергию	468 993	461 049	184 534
Затраты на амортизацию	389 410	389 660	411 160
Ежегодные издержки	1 190 814	1 183 120	857 877
Расчетные затраты за срок службы УЭЦН (4,1 года)	4 882 337	4 850 792	3 517 297
Снижение затрат относительно базовой структуры УЭЦН, руб.	–	31 545	1 365 040