Энергоресурсосберегающее электрооборудование нефтедобыващих установок с плунжерным погружным насосом

На правах рукописи

Артыкаева Эльмира Мидхатовна

ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ НЕФТЕДОБЫВАЩИХ УСТАНОВОК С ПЛУНЖЕРНЫМ ПОГРУЖНЫМ

НАСОСОМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Чебоксары – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» на кафедре «Электромеханики и технологии электротехнического производства» (г. Чебоксары).

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Нестерин Валерий Алексеевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Иванов Александр Григорьевич
	кандидат технических наук, доцент Шамис Михаил Александрович
Ведущая организация:	НГДУ «Альметьевнефть» ОАО «Татнефть» г. Альметьевск, Республика Татарстан

Защита состоится «17» февраля 2012 г. в 16 часов 00 минут в зале Ученого совета на заседании диссертационного совета Д212.301.06 при ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» (428034, г. Чебоксары, ул. Университетская д. 38, библиотечный корпус, третий этаж).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 428015, г. Чебоксары, Московский пр., 15 на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «___» __________ 2012 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Н.В. Руссова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При эксплуатации нефтяных месторождений широко применяется добыча нефти с помощью скважинных штанговых насосных установок (СШНУ). В России такими установками оснащено около 60% всех действующих скважин. Простота обслуживания и надежность СШНУ, а также возможность применения в осложненных горно-геологических условиях эксплуатации вывели этот способ на ведущее место в нефтедобывающей отрасли и сделали его самым распространенным как в нашей стране, так и за рубежом. В его основе лежит использование насоса возвратно-поступательного действия, опускаемого в скважину и приводимого в движение приводом, расположенным на поверхности.

Для эффективной работы СШНУ и выбора оптимального режима электропривода (ЭП) необходим контроль и диагностика параметров его работы, которые осуществляются на основе динамограмм и ваттметрограмм. В этом плане представляет интерес развитие теории и практики применения ваттметрограмм взамен динамограммам, требующих значительных затрат на установку приборов и оборудования*.

В настоящее время в СШНУ широко применяют привод на основе серийного нерегулируемого асинхронного электродвигателя (АД) с короткозамкнутым ротором. Основным достоинством такого асинхронного электродвигателя является простота его конструкции, надежность и невысокая стоимость. В то же время этот электропривод обладает и рядом недостатков:

• сложная кинематическая схема, обусловленная необходимостью преобразования высокоскоростного вращательного движения в возвратно-поступательное движение с низкой скоростью;
• сравнительно невысокие энергетические показатели ЭП в совокупности с механизмом, (КПД, cos);
• отсутствие регулирования частоты вращения, что не позволяет выбрать оптимальный режим работы насоса;
• необходимость периодического обслуживания механизмов ЭП (редуктор, ремень);
• большие габариты и масса.

Учитывая выше изложенное, возникает необходимость в совершенствовании электропривода СШНУ, направленном на повышение энергоэффективности электрооборудования в целом. Таким образом, тематика диссертационной работы, посвященная вопросам повышения энергетических показателей электрооборудования СШНУ, а также контролю и диагностике его работы, являются актуальной.

Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании электротехнического комплекса нефтедобывающего оборудования СШНУ путем использования новых типов ЭП и применения энергосберегающих технологий, а также способов контроля и диагностики на основе динамограмм и ваттметрограмм.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

________

* Автор выражает свою искреннюю признательность и благодарность доктору технических наук ГЕНИНУ В.С. за оказанные научные консультации и рекомендации по теории и практике использования динамограмм и ваттметрограмм в системах контроля и диагностики СШНУ.

• анализ эффективности существующего электрооборудования СШНУ и выработка предложений по энергоресурсосберегающим технологиям и применению более эффективных типов ЭП;
• сравнение технико-экономических показателей существующих и перспективных ЭП, обоснование эффективности электрооборудования СШНУ с применением вентильных электродвигателей (ВД) вращательного движения взамен АД.
• разработка математической модели электротехнического комплекса, включающего линейный цилиндрический вентильный двигатель (ЛЦВД) и насосную часть скважины с учетом динамограммы и исследование режимов работы привода.
• разработка конструкции и методики расчета основных параметров ЛЦВД с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов (ПМ).
• выбор эффективных методов, средств контроля и диагностики СШНУ в целях энергоресурсбережения.

Предметом исследования является совершенствование элементов комплекса электрооборудования на базе СШНУ, моделирование и выбор оптимального типа ЭП с точки зрения энергоресурсосбережения.

Объектом исследования является электротехнический комплекс оборудования СШНУ, включающий в себя ЭП с передаточными звеньями, электродвигатель и насосную часть.

Методология исследования. Теоретической и методологической базой диссертационного исследования являются обобщенная теория электрических машин, уравнения ВД с возбуждением от высокоэнергетических ПМ; методы математического моделирования и расчет электромагнитных полей, а также методы контроля и диагностики СШНУ посредством динамограмм и ваттметрограмм.

Диссертационная работа опирается на исследования ученых и инженеров ОАО «Татнефть», г. Альметьевск; ТатНИПИнефть ОАО «Татнефть», г. Бугульма; ОАО ВНИИР, г. Чебоксары; ФГБОУ ВПО Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова, г. Чебоксары; ГБОУ ВПО Альметьевский государственный нефтяной институт, г. Альметьевск; ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

• в результате сравнительного анализа электропривода СШНУ с использованием ВД и АД установлено, что эффективность предлагаемого ЭП с вентильным двигателем выше по сравнению с известным на базе АД вследствие более низких суммарных затрат включающих стоимость электроэнергии и электродвигателя.
• выбраны наиболее рациональные кинематические схемы построения комплекса электрооборудования СШНУ с ВД возвратно-поступательного движения, для которых предложено конструктивное исполнение в виде ЛЦВД, отличающихся от известных наружным расположением подвижной части и гребенчатой структурой внутреннего магнитопровода. Показано, что применение ЛЦВД в составе ЭП в комплекте с насосной частью СШНУ соответствует современным экономическим и функциональным требованиям энергоресурсосберегающих технологий по сравнению с аналогичной системой на базе нерегулируемого и регулируемого АД;
• разработана математическая модель ЭП с линейным цилиндрическим вентильным двигателем, нагруженным на нефтяной плунжерный насос, и отличающаяся тем, что в ней учтена динамограмма в виде зависимости усилия на штоке от его перемещения и позволяющая исследовать переходные процессы ЛЦВД в режиме пуска и реверса в составе СШНУ. В результате исследования на математической модели получены зависимости токов, электромагнитного усилия, перемещения, скорости которые позволяют найти динамические параметры, обеспечивающие эффективность применения ЛЦВД;
• показаны преимущества методов контроля и диагностики СШНУ совместно с ЭП путем использования динамограмм и ваттметрограмм, а также их использование при построении математической модели.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в обеспечении экономии электроэнергии и эксплуатационных расходов при использовании предложенных в диссертации конструктивных решений и организационных мероприятий при эксплуатации электрооборудования СШНУ. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электроэнергетика» ГБОУ ВПО Альметьевского государственного нефтяного института, а также в НГДУ «Елховнефть» ОАО «Татнефть». Что подтверждается соответствующими актами.

На защиту выносятся:

• обоснование технико-экономической эффективности применения ВД вращательного и поступательного движения в электроприводах СШНУ взамен АД;

• математическая модель и методика электромагнитного расчета ЛЦВД нагруженного на нефтяной плунжерный насос, позволившие разработать конструкцию двигателя возвратно-поступательного движения с высокими динамическими, энергетическими и массогабаритными показателями;
• результаты исследования динамических режимов ЛЦВД нагруженного на нефтяной плунжерный насос, проведенных с использованием динамограмм, которые позволили обосновать эффективность применения таких двигателей в приводах СШНУ;
• рекомендации по организации энергосберегающих режимов работы СШНУ с электроприводами на базе ВД с использованием динамограмм и ваттметрограмм.

Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованным применением математического моделирования, а также сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными в ОАО «Татнефть», и с результатами исследования других авторов.

Апробация исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов», (Тольятти, 2009 г.); на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем (ДНДС-2009)» (Чебоксары, 2009 г.); на научных сессиях ученых Альметьевского государственного нефтяного института (Альметьевск, 2008, 2009, 2010 гг.); на IV, V Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009, 2010 гг.); на VII Mezinrodn vdcko-praktick konference «Aktuln vymoenosti vdy – 2011» (Praha, 2011); на XVIII Международной конференции по постоянным магнитам (Суздаль, 2011г.); на научно – практическом семинаре кафедры «Электромеханики и технологии электротехнического производства» ЧГУ им. И.Н. Ульянова (Чебоксары, 2011 г.).

Публикации. Содержание диссертации отражено в 13 опубликованных научных работах автора, из них 2 – в рецензируемых изданиях из списка ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 120 страниц основного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 135 наименований, 4 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены заслуги ведущих ученых в области разработки силового электрооборудования и ЭП нефтедобывающих скважин: Б.С.Абрамовича, М.И. Альтшуллера, Т.М. Алиева, И.Г. Белова, В.С. Генина, Ш.К. Гиматутдинова А.Н. Евсеева, А.Г. Иванова, В.Д. Ковшова, Ш.Ф. Тахаутдинова, В.Я. Чаронова, В.А.Шабанова и других.

Рассмотрены различные варианты построения электротехнических комплексов обеспечивающих работу СШНУ с анализом их преимуществ и недостатков.

Обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, рассмотрены новизна и практическая значимость выносимых на защиту научных результатов работы.

В первой главе проведен анализ работы существующего электрооборудования СШНУ на базе нерегулируемого АД с короткозамкнутым ротором и регулируемого АД с указанием достоинств и недостатков. Альтернативой АД являются более эффективные вентильные электродвигатели. Выявлено, что наиболее широкое применение в нефтедобывающем электрооборудовании ВД находят в погружных нефтяных центробежных насосах подобно серийным асинхронным погружным электродвигателям типа ПЭД, тогда как литература по применению ВД в СШНУ практически отсутствует.

Кроме того проанализированы известные из литературы перспективные решения энергоресурсосбережения в приводах СШНУ. Также рассмотрены распространенные на практике методы контроля и диагностики работы комплекса электрооборудования и насосной установки СШНУ. В результате проведенного анализа выбрана и обоснована тема и сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе проведена сравнительная оценка работы комплекса электрооборудования СШНУ с АД и ВД, нагруженных на нефтедобывающий плунжерный насос.

Для оценки конкретных преимуществ применения ВД по сравнению с АД обратимся к динамограммам СШНУ. Динамограмма СШНУ представляет собой зависимость нагрузки на полированный шток от его положения. На рисунке 1 а представлен пример такой динамограммы, полученной на действующем оборудовании одной из скважин ОАО «Татнефть».

Характер динамограммы определяется такими факторами, как длина хода полированного штока, действующие на него усилия, глубина спуска насоса, диаметр насоса, число качаний в единицу времени. Динамограмма позволяет определить гидростатические нагрузки на плунжер, а также диагностировать состояние и характер нарушений в погружном оборудовании. Дополнительные сведения о работе СШНУ могут быть получены из ваттметрограммы, пример которой, совмещенной с соответствующей ей динамограммой, развернутой во времени, представлен на рисунке 1 б.

а)	б)

Рисунок 1 – Контроль работы СШНУ
а) динамограмма, б) ваттметрограмма, совмещённая с развёрнутой динамограммой

Из динамограммы, рисунок 1 б, видно, что в течение одного цикла работы СШНУ нагрузка на штоке меняется ориентировочно от 35 до 55 кН, т.е. в 1,6 раза. Из соответствующей ей ваттметрограммы следует, что потребляемая АД мощность при этом изменяется от 1,6 до 11,25 кВт, т.е. в 7 раз. При максимальной потребляемой мощности 11,25 кВт в приводе СШНУ для обеспечения запаса по максимальному моменту использовался АД номинальной мощностью 18 кВт. Как отмечают многие авторы, для обеспечения необходимой перегрузочной способности АД его номинальную мощность следует выбирать завышенной ориентировочно в 1,5  2 раза. В связи с этим представляется более выгодным применить в приводах СШНУ вентильный электродвигатель.

Целесообразность применения ВД в приводах СШНУ обусловлена прежде всего тем, что его номинальная мощность оказывается в 2  3 раза меньше чем у АД при обеспечении одной и той же перегрузочной способности по моменту. Для наглядности в таблице 1 сопоставлены некоторые характеристики серийно выпускаемых асинхронных и вентильных электродвигателей.

Из таблицы 1, следует, что вентильный двигатель типа 5ДВМ165М имеет номинальную мощность в 2 раза и номинальный момент в 1,65 раза меньше, чем у асинхронного двигателя типа 4А100L4. В то же время вентильный двигатель 5ДВМ165М допускает пятикратную кратковременную перегрузку и его максимальный момент составляет 85 Нм. Это выше, чем у асинхронного двигателя 4А100 L4 в 1,6 раза.

Таблица 1- Технические характеристики серийных электродвигателей

Тип двигателя	Р2ном. кВт	nном. об/мин	Мmax./Мном Н м	Cos	%	m кг
АД – 4А100 L4	4	1430	69,4/27	0,84	84	56
ВД – 5ДВМ165М	2,5	1500	85/17	1	92	25
АД – 4А160 М4	18,5	1465	277/126	0,87	87,5	160
ВД – 5ДВМ215S	7	2000	175/35	1	90	60
АД - 4Ф180М4	30	1460	452/205	0,87	90	195
ВД – 5ДВМ215L	14	2000	350/70	1	91	70