Исследование возможностей и разработка средств совершенствования серийных погружных вентильных электродвигателей для нефтедобывающих насосов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Хоцянов, Иван Дмитриевич

• Хоцянов, Иван Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хоцянов, Иван Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОГРУЖНЫХ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ НАСОСОВ.

1.1. Состав регулируемого электропривода установок электроцентробежных и электровинтовых насосов.

1.2. Оценка энергетической эффективности вентильных электроприводов погружных нефтедобывающих насосов.

1.3. Конструктивные особенности погружных вентильных электродвигателей, применяющихся в составе электропривода нефтедобывающих насосов.

1.4. Оценка возможности повышения ресурса и характеристик погружных вентильных электродвигателей за счет совершенствования конструкции и применения новых материалов.

1.5. Характеристики узлов вентильного электропривода нефтедобывающих насосов, влияющие на энергоэффективность.

Выводы по главе 1.

2. КОМПЬЮТЕРНАЯ ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПОГРУЖНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ.

2.1. Выбор метода анализа электромагнитных и тепловых процессов в погружных вентильных электродвигателях.

2.2. Моделирование электромагнитных процессов в погружных вентильных электродвигателях.

2.3. Реализация в программе АШУБ модели для расчета электромагнитных процессов в погружном вентильном электродвигателе.

2.4. Проверка адекватности разработанной модели электромагнитных процессов.

2.5. Моделирование в программе Ашуя теплового состояния погружного вентильного электродвигателя.

2.6. Экспериментальное определение тепловых параметров исследуемой системы и их сравнение с результатами расчета.

Выводы по главе 2.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОГРУЖНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

3.1. Исследование радиальной силы одностороннего магнитного притяжения для различных конструкций роторов погружных вентильных электродвигателей.

3.2. Исследование влияния конструктивных особенностей на реактивный момент.

3.3. Учет теплового расширения элементов конструкции.

3.4. Исследование перегревов в обмотке.

3.5. Исследование влияния параметров обмотки электромеханического преобразователя на КПД.

Выводы по главе 3.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОГРУЖНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.

4.1. Исследование энергетических характеристик погружного вентильного электропривода при питании от синусоидального и от шестиимпульсного источника питания.

4.2. Исследование зависимости КПД погружного вентильного электродвигателя от величины напряжения питания.

4.3. Методика определения оптимального напряжения питания погружного вентильного электродвигателя, исходя из условий эксплуатации.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование возможностей и разработка средств совершенствования серийных погружных вентильных электродвигателей для нефтедобывающих насосов»

Нефтедобывающая отрасль играет важную роль в экономике России. По объемам добычи нефти Российская Федерация занимает лидирующее место в мире. По данным Мирового энергетического агентства (International Energy Agency), в ближайшие десятилетия - до 2030 ^потребление нефти возрастет до 7,1 млрд. т, при этом её роль в мировом балансе останется определяющей. В структуре себестоимости нефтедобычи вследствие ухудшения структуры запасов нефти и роста доли механизированной добычи происходит устойчивый рост затрат на электроэнергию [15]. Доля трудно извлекаемых запасов нефти (низко проницаемые пласты, остаточные запасы, глубокозалегающие горизонты и т.п.) в настоящее время составляет не менее 65%[66]. Кроме того, крупнейшие месторождения, открытые в 60-70-х годах XX века, значительно истощены, и добыча их при существующих технологиях требует значительных энергетических затрат. Так, в настоящее время на стоимость электроэнергии приходится 30-35% себестоимости добычи нефти [14].

Мероприятия по усовершенствованию электротехнических комплексов нефтедобычи ведутся постоянно по всем направлениям, формирующим себестоимость, и, в первую очередь, в направлениях снижения энергозатрат и повышения ресурса средств механизированной добычи нефти. Большое значение уделяется также оптимизации функциональных характеристик и режимов работы, обеспечивающих повышение добывных возможностей скважины.

Одним из основных средств механизированной добычи нефти являются установки электроцентробежных насосов (УЭЦН). В РФ более 45 % всех нефтяных скважин оснащены УЭЦН. Ими обеспечивается основной объем добычи нефти (по разным данным не менее 75 %) [15, 17, 53, 56, 66]. В Западной Сибири с использованием УЭЦН добывается до 90 % нефти. Количество скважин, оборудованных УЭЦН, превышает 20 тысяч штук.

Тенденция возрастающего использования УЭЦН, по всей видимости, сохранится.

Для реализации экономичных способов изменения отбора все шире используются установки с регулируемой частотой вращения. Высокая эффективность применения такого электропривода для оптимизации режимов работы различных технологических систем подтверждена многолетним мировым опытом [4, 5, 13, 33, 36]. Важный вклад в теорию и практику регулируемого электропривода внесли: А.Я. Бернштейн, Н.Ф. Ильинский, В.И. Ключев, М.П. Костенко, Г.Б. Онищенко, A.C. Сандлер, P.C. Сарбатов и другие.

Регулируемые электроприводы для установок электроцентробежных и винтовых насосов строятся либо по схеме преобразователь частоты (ПЧ) -асинхронный двигатель (АД), либо по схеме вентильного электродвигателя, когда частота и фаза выходного напряжения ПЧ жестко связаны с положением ротора электромеханического преобразователя, выполняемого, как правило, по типу синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов. В состав электропривода установок электроцентробежных и винтовых насосов входят также кабель и повышающий трансформатор. Вентильный электропривод по своим энергетическим характеристикам превосходит асинхронные приводы, как регулируемые, так и нерегулируемые, решает многие технологические и ресурсные задачи при эксплуатации установок. В области частот вращения от 1500 до 4000 об/мин погружные вентильные электродвигатели (ПВЭД) имеют повышенный на 6-М0% КПД по сравнению с приводом на основе асинхронных двигателей (АД) с регулированием от ПЧ. При одном и том же напряжении питания потребляемый ими ток примерно на 20% меньше, что позволяет снизить потери в кабеле и увеличить его ресурс. За счет низкого перегрева обеспечивается также увеличение ресурса ПВЭД, снижается интенсивность коррозии, появляется возможность работы с пизкооборотными насосами и нестабильными потоками [8,9, 34, 50].

Важным обстоятельством, влияющим на выбор нефтяными компаниями типа погружного электродвигателя (ПЭД), являются существующие тарифы на электроэнергию и имеющаяся разница в цене на асинхронные и вентильные двигатели в комплекте со станцией управления. Быстрый рост тарифов на электроэнергию в 2008 г. совпал с быстрым падением цен на нефть. Это обстоятельство заставило все без исключения нефтяные компании акцентировать усилия на задаче энергосбережения и способствовало значительному увеличению спроса на ПВЭД. По результатам эксплуатации компании получили подтверждение снижения энергопотребления установок с ПВЭД на 5 -г 30% [7, 28, 46, 55, 69].

В настоящее время в компании ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» внедрение ПВЭД является одним из основных инструментов программы энергоэффективной эксплуатации оборудования. Например, в ТПП «Покачевнефтегаз» число действующих на месторождениях компании установок с ПВЭД только за 2011 год увеличилось с 398 до 623 штук при действующем фонде У ЭЦП - 1960 единиц. На месторождениях компании за счет замены асинхронных ПЭД на вентильные энергопотребление УЭЦН снижено в среднем на 20% [55].

В нефтяной компании ОАО «ТНК-ВР» дополнительно к замерам энергопотребления на 603 скважинах Самотлорского месторождения провели расчеты, которые показали, что при существовавших в 2011 г. тарифах на энергию и при существовавшей разнице в цене для получения принятого в ОАО «ТНК-ВР» индекса доходности (Р1) более 1,5 необходимо снижение потребляемой активной мощности не менее чем на 17% [69]. В этом случае проекты снижения энергопотребления даже методом массовой замены погружных асинхронных электродвигателей на вентильные не будут уступать другим мероприятиям по энергосбережению.

Учитывая, что тарифы па электроэнергию постоянно растут в среднем на 10-г12% в год, также растет доля трудно извлекаемых запасов нефти, привлекательность эксплуатации установок с вентильными электроприводами будет увеличиваться.

История создания ПВЭД для установок нефтедобывающих насосов в России насчитывает более 15 лет. Общее число, поступивших в эксплуатацию ПВЭД (по данным, опубликованным в печати на начало 2012 года), уже приблизилось к 5000 шт. и постоянно растет [8, 35, 52, 55]. Установки с ПВЭД производства ООО «РИТЭК-ИТЦ» успешно эксплуатировались в 1617 скважинах (по состоянию на 31.12.2011 г.). Производственной компанией «Борец» изготовлено порядка 2000 таких изделий. ЗАО «Новомет-Пермь» поставлено заказчикам около 1000 штук ПВЭД. Электродвигатели выпускаются с частотами вращения от 100 до 6000 об/мин, с мощностью в одной секции от 6 до 400 кВт с диаметром корпуса (далее габаритах) 81, 92, 103, 117, 130 мм. Им нет альтернативы как в области частот вращения от 100 до 1500 об/мин, так и частот вращения выше 4000 об/мин, а также в приводе установок 3-го и меньших габаритов (минимальный внутренний диаметр скважины для 2А габарита равен 88 мм, для 3 габарита - 100 мм) для всех частот вращения.

За последние годы основными изготовителями ОАО «AJ1HAC», ПК «Борец», ЗАО «Новомет-Пермь», ООО «РИТЭК-ИТЦ» проделана большая работа по повышению качества как традиционных электропогружных установок с АД, так и сравнительно новых - с ПВЭД. Важный вклад в разработку и внедрение ПВЭД внесли многие отечественные исследователи: Гинзбург М.Я., Павленко В.И., Сагаловский В.И., Сагаловский A.B., Русаков A.M., Санталов A.M. и другие.

Несмотря на значительное число публикаций по теме ПВЭД серийные двигатели нуждаются в дальнейшем техническом совершенствовании, которое позволило бы обеспечить рост эффективности их использования в нефтяной отрасли за счет повышения энергетических характеристик приводов, расширения функциональных возможностей и увеличения ресурса. Потенциал повышения технико-экономических показателей электроприводов с ПВЭД в настоящее время не исчерпан.

Таким образом, с учетом возрастающих требований к повышению эффективности добычи нефти сегодня имеются все необходимые предпосылки для технического совершенствования используемых серийных ПВЭД. Следовательно, необходимы и актуальны работы по исследованию возможностей технического их совершенствования.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование возможностей и разработка средств совершенствования серийных ПВЭД для нефтедобывающих насосов за счет улучшения их технико-экономических показателей и, в том числе, повышения их энергоэффективности.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ конструкций серийных ПВЭД для нефтедобывающих насосов, выявлены доступные для доработки значимые параметры и характеристики ПВЭД, влияющие на энергоэффективность и на другие технико-экономические показатели. В частности, выявлено влияние технологических допусков элементов конструкции на силы магнитного притяжения, а также влияние расположения и количества технологических пазов в расточке статора на реактивный момент.

2. Разработан новый подход к моделированию электромагнитных полей электрических машин в программе Апхуя, снижающий на порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета без потери точности. На его основе разработана и апробирована компьютерная имитационная модель (КИМ) для исследования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя.

3. На основе проведенных па КИМ исследований, расчетов, а также экспериментов разработаны новые конструкции узлов серийных ПВЭД, улучшающие их характеристики и потребительские свойства.

4. Ыа основании экспериментальных и теоретических исследований характеристик вентильных электроприводов погружных насосов при различных режимах питания даны рекомендации по выбору энергоэффективных режимов.

Объект исследования

Объектом исследования в работе являются электроприводы центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с серийными погружными маслонаполненными вентильными электродвигателями.

Электропривод установок нефтедобывающих насосов состоит из наземной и погружной частей. В состав наземной части входит повышающий трансформатор с первичным напряжением 0,38 кВ и напряжением ступеней регулирования до 5,5 кВт, станция управления, состоящая из преобразователя частоты (ПЧ), фильтра (в случае с ШИМ) и ряда вспомогательных систем. Станция управления подключается к промышленной трехфазной сети напряжением 380 В, частотой 50 Гц. Погружная часть электропривода состоит из ПВЭД и кабельной линии.

Методы исследования

Поставленные задачи решались автором, как в теоретических работах, так и экспериментально: на стендах с сертифицированным оборудованием, а также в промысловых условиях. В работе использованы методы теории поля, теории электрических и магнитных цепей, теории электрических машин и электропривода, принципы системного анализа. Для обработки полученных результатов применены программа Ма^гСАЭ, специализированные программы. Исследования электромагнитных и тепловых процессов в ПВЭД проводились в программной среде Атух с помощью специально разработанных КИМ, основанных на методе конечных элементов.

Достоверность полученных результатов

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены:

- Согласованием полученных результатов исследования с соответствующими известными положениями из теории электрических машин, теории электрических цепей и электропривода. Моделированием в современных программных продуктах, доказательством адекватности моделей по выполняемым функциям, а также их апробацией на уровне публикаций.

- Детальной экспериментальной проверкой всех конструктивных решений, выводов, рекомендаций (с использованием сертифицированного оборудования и приборов ведущих мировых производителей).

Научная новизна выполненной работы заключается в том, что впервые:

1. Предложен новый подход к моделированию электромагнитных полей электрических машин в программе Л/г^ без интерполяции данных между сетками, позволивший без потери точности снизить на порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета. На его основе разработана и апробирована КИМ для исследования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя.

2. На основе исследований ПВЭД с помощью КИМ:

- получена количественная оценка влияния технологических зазоров на силы одностороннего магнитного притяжения пакетов ротора в ПВЭД, на ее основе усовершенствована и запатентована конструкция ротора, обеспечивающая снижение усилия на 1 метр активной длины в 3-К3,5 раза и виброскорости в 2-г2,5 раза на резонансных частотах вращения;

- выявлено и оценено влияние расположения и количества технологических пазов в расточке статора на технико-экономические показатели ПВЭД, предложена схема расположения технологических пазов, обеспечивающая уменьшение реактивного момента в 3-г5 раз и улучшение пусковых свойств ПВЭД.

3. На основании экспериментальных и теоретических исследований разработана и апробирована инженерная методика настройки величины напряжения питания ПВЭД, обеспечивающая минимальное значение потребляемого тока для текущего состояния системы «УЭЦН - скважина».

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:

1. Разработанная КИМ для исследования и проектирования ПВЭД позволяет с учетом конструктивных особенностей и алгоритмов управления с малыми затратами времени (на порядок ниже, по сравнению с классической методикой), с требуемой точностью в соответствии с потребностями серийного производства рассчитывать выходные показатели и характеристики при параметрическом моделировании, решать задачи по уточнению данных с целью получения требуемых характеристик.

2. Усовершенствованная и запатентованная конструкция ротора со специальными кольцами, меняющими радиальный размер при воздействии осевой нагрузки, позволяет при сохранении технологичности сборки, за счет существенного снижения уровня вибрации расширить рабочий диапазон частот вращения ПВЭД с 3000 до 6000 об/мин и за счет этого сократить габариты установки.

3. Полученные в результате исследований рекомендации по конфигурации листа статора и параметрам обмотки позволяют улучшить эксплуатационные характеристики серийных двигателей, в том числе, повысить надежность запуска и ресурс за счет уменьшения в 3-1-5 раз реактивного момента, увеличить КПД ПВЭД па 1+1,2%.

4. Составленные по результатам экспериментальных исследований рекомендации по выбору напряжения питания ПВЭД позволяют повысить энергоэффективность УЭЦН: увеличить КПД вентильных двигателей на

2-г2,5%, повысить КПД повышающего трансформатора на величину до 0,5%, снизить потребляемый ток (до 6%) и потери в питающем кабеле (до 12%).

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы на следующих предприятиях.

1. ОП «ОКБ БН» ЗАО «Новомет-Пермь» при разработке погружных вентильных электродвигателей типа ПВЭДН в габаритах 81, 117, 130 мм.

2. ЗАО «АВАНТО» при проведении работ по разработке вентильных электроприводов различного назначения, в том числе и погружных.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», а так же на следующих конференциях:

- четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 28-29 февраля 2008 г.;

- пятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 26-27 февраля 2009 г.;

- шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), февраль 2010 г.;

- семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 24-25 февраля 2011 г.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Новый подход к моделированию электромагнитных полей электрических машин в программе АпБуя без интерполяции данных между сетками, позволивший без потери точности снизить па порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета, а также: а) разработанная на его основе КИМ для исследования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя; б) результаты проверки адекватности разработанной модели.

2. Результаты исследований ПВЭД на КИМ и рекомендации по совершенствованию его узлов и деталей, представленные в виде конструктивных решений, позволяющих улучшить эксплуатационные характеристики серийных электродвигателей.

3. Результаты экспериментальной оценки зависимости КПД погружных вентильных электроприводов от параметров напряжения на выходе ПЧ и рекомендации по выбору энергоэффективного режима, представленные в виде методики настройки величины напряжения питания ПВЭД, обеспечивающей минимальное значение потребляемого тока для текущего состояния системы «УЭЦН - скважина».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Хоцянов И. Д. Оптимизированный по времени расчет электромагнитных и тепловых полей электромеханических устройств с постоянными магнитами в программе Ansys II «Вестник МЭИ», 2012. № 4. - С. 36-42.

2. Хоцянов И.Д., Санталов A.M., Кирюхин В.П., Хоцянова О.Н. Вентильные электроприводы для центробежных насосов // «Вестник МЭИ», 2007. №3.- С. 21-26.

3. Хоцянов И., Санталов А., Перельман О., Рабинович А., Пошвин Е., Кошелев С. Погружные вентильные двигатели. История, конструктивные особенности, возможности // «Нефтегазовая вертикаль», 2011, № 12-е. 58-65.

4. Хоцянов И.Д., Санталов A.M., Стенин С.Л., Хоцянова О.Н. Погружные вентильные электроприводы // Электротехнические комплексы автономных объектов: Сборник научных трудов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008.

С.34-37.

5. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Расчет тепловых и электромагнитных полей электромеханических устройств в версии Academic Teaching Ansys для ВУЗОВ.// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл.: В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. Т.2. - С. 91-93.

6. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Моделирование погружных вентильных электродвигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Пятнадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез.докл.: В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009. Т.2. - С. 89-91.

7. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Разработка методики расчета погружных асинхронных электродвигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Четырнадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез.докл.: В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Т.2. - С. 74-75.

8. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Особенности макетирования погружных электродвигателей. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез.докл.: В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Т.2. - С. 81-82.

9. Пат. 2 380 810 Российская Федерация: МПК Н02К 5/12, Н02К 5/132, Н02К 5/24. Погружной электродвигатель / Хоцянов И.Д., Пошвин Е.В, Санталов A.M., Хоцянова О.П.; заявитель и патентообладатель ЗАО «Новомет-Пермь» - № 2008149649/09 , заявл. 16.12.08; опубл. 27.01.10, Бюл. № 3.

10. Полезная модель к пат. 115 131 Российская Федерация: МПК Н02К 29/00, МПК Н02К 21/12. Вентильный электродвигатель / Горбунов Д.В., Кошелев С.Н., Хоцянов И.Д. и др.; заявитель и патентообладатель ЗАО «Новомет-Пермь» - № 2011138767/07, заявл. 21.09.2011; опубл. 20.04.12, Бюл. № И.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 71 наименования. Ее содержание изложено на 172 страницах машинописного текста, включая 84 рисунка, 24 таблицы и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Хоцянов, Иван Дмитриевич

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. При питании погружного вентильного двигателя синусоидальным напряжением, повышается его КПД на 2 2,4 % по сравнению с шестиимпульсным питанием. КПД трансформатора повышается на величину порядка 0,3 - 0,5 %

2. При исследовании работы погружного электродвигателя с питанием от преобразователя частоты с ШИМ выходного напряжения без выходного ЬС -фильтра выявлен значительный рост (в 2,5 раза) потерь в трансформаторе. В связи со значительным повышением частоты и пиковых значений напряжения высоковольтной стороны трансформатора прогнозируется ускоренное старение изоляции кабеля и трансформатора. Эксплуатация преобразователя частоты с ШИМ выходного напряжения без выходного ¿С - фильтра не рекомендуется.

3. С точки зрения энергетических показателей установки, в большинстве случаев при длине кабеля более 1500 м оптимален подбор напряжения на выходе ПЧ, направленный на достижение минимального тока двигателя. Методика подбора напряжения на выходе ПЧ, реализующая принцип минимизации потребляемого двигателем тока, представляет практическую ценность при настройке оборудования в полевых условиях.

4. При малых глубинах скважин оптимальным с точки зрения экономии электроэнергии может быть напряжение, соответствующее максимальному КПД электродвигателя, но такой подход к настройке ПЧ трудоемок и малоприменим на практике.

5. Подбор напряжения, направленного на повышение со$(р на выходе станции управления, приводит к повышению потерь во всех частях установки: двигателе, кабеле, трансформаторе. При том, что со$<р на выходе станции управления не связан с соя(р потребляемой из сети электроэнергии, ориентация на повышение соя(р при определении выходного напряжения преобразователя частоты недопустима.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные теоретические и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основании анализа конструкций серийных ПВЭД для нефтедобывающих насосов, выявлены доступные для доработки значимые параметры и характеристики ПВЭД, влияющие на энергоэффективность, ресурс и на другие технико-экономические показатели. В частности, это влияние технологических допусков элементов конструкции на силы магнитного притяжения, а также влияние расположения и количества технологических пазов в расточке статора на реактивный момент.

2. Предложен новый подход к практической реализации процедуры моделирования электромагнитных полей электрических машин в программе А/г^уя путем отказа от интерполяции данных между сетками при моделировании вращения ротора, позволивший без потери точности снизить на порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета. На его основе разработана и апробирована КИМ для исследования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя. На основе натурного моделирования произведена проверка данного подхода и разработанной модели ПВЭД на адекватность. Расхождение по выходным показателям не превышает 5 %.

3. На основе исследований ПВЭД на КИМ:

- Получена количественная оценка влияния технологических зазоров на силы одностороннего магнитного притяжения пакетов ротора; на ее основе усовершенствована и запатентована конструкция ротора, обеспечивающая снижение усилия на 1 метр активной длины в 3-^3,5 раза и виброскорости в 2-г2,5 раза на частотах вращения, соответствующих резонансам. Существенное снижение уровня вибрации позволяет расширить рабочий диапазон частот вращения ПВЭД с 3000 до 6000 об/мин и за счет этого сократить габариты установки.

- Оценено влияние конструктивных особенностей ПВЭД на реактивный момент, в том числе, выявлено существенное влияние на его величину расположения и количества технологических пазов на внутренней поверхности статора. Предложена схема позиционирования технологических пазов, обеспечивающая уменьшение реактивного момента в 3+5 раз и улучшение пусковых свойств ПВЭД.

4. Исследования на КИМ и расчеты по традиционным методикам характеристик ПВЭД с различными параметрами обмотки позволили, в частности, установить, что применение обмоток, рассчитанных на максимально допустимое номинальное напряжение с увеличенным количеством эффективных проводников в пазу (технологический коэффициент заполнения паза 0,77+0,79) позволяет повысить КПД серийных машин в среднем на 1 + 1,2% и снизить рабочий ток двигателя, а, следовательно, и потери в кабеле.

5. Составленные по результатам экспериментальных и теоретических исследований рекомендации по выбору типа питания ПВЭД позволяют повысить энергоэффективность УЭЦН: увеличить КПД вентильных двигателей на 2+2,5%, повысить КПД повышающего трансформатора на величину до 0,5%, снизить потребляемый ток (до 6%) и потери в питающем кабеле.

6. С точки зрения энергетических показателей установки, в большинстве случаев оптимален подбор напряжения на выходе ПЧ, направленный на достижение минимального тока двигателя. Методика подбора напряжения на выходе ПЧ, реализующая принцип минимизации потребляемого двигателем тока, представляет практическую ценность при настройке оборудования в условиях эксплуатации на скважине. Подбор напряжения, нацеленный на повышение созф на выходе станции управления, приводит к повышению потерь во всех частях установки: двигателе, кабеле, трансформаторе и никак не отражается на качестве потребляемой установкой из сети электроэнергии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хоцянов, Иван Дмитриевич, 2012 год

1. Аракелян А.К., Афанасьев A.A. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод: В 2-х кн. / Кн. 1: Вентильные электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1997. - 509 с.

2. Аракелян А.К., Афанасьев A.A. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод: В 2-х кн. / Кн. 2: Регулируемый электропривод с вентильным двигателем. М.: Энергоатомиздат, 1997. - 468 с.

3. Баткилин М.Е. Пути повышения эффективности вентильного привода УЭЦН // «Инженерная практика», 2012. № 3 С. 118 - 123.

4. Богданов A.A. Вопросы повышения эффективности эксплуатации скважин погружными электронасосами// Обзорная информ. Сер. Машины и нефтяное оборудование. М.: ВНИИОЭНГ,- 1976.- С.34-41.

5. Богданов A.A. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968,- 272 с.

6. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. Программа ANSYS: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений -М.: Издательский центр «Академия», 2006. 288 с.

7. Васильченко В.А., Романов A.A. Повышение энергоэффективности добычи нефти в ООО «РН-ЮГАНСКНЕФТЕГАЗ» // «Инженерная практика», 2012. № 3-С. 92-98.

8. Гинзбург М.Я. Вентильный привод УЭЦН и УЭВН пример успешной реализации синергетического эффекта в технике // «Инженерная практика», 2012. № 3 - С. 128 - 134.

9. Гинзбург М.Я., Павленко В., Камалетдинов Р. История одного изобретения // «Нефтегазовая вертикаль», 2006. № 12.

10. Горбунов Д. Вентильный двигатель // «Арсенал нефтедобычи», 2008. № 3(6). ЗАО «Новомет-Пермь». - С. 19-21.

11. Григорьева О. «Проблемы работы УЭЦН на месторождениях Компании обсуждали в Нижневартовске»//«Новатор», 2007. №18 С. 23-27.

12. Журнал горнопромышленников России «Берг привилегии» Электронный ресурс. / 2010. № 2 Наступает новый этап добычи российской нефти. Необходима новая парадигма. URL.:http://berg-privileg.com (дата обращения: 04.05.2011)

13. Зайцев А. В., Лядов Ю. С. Регулируемый электропривод и его роль в энергосбережении // Электротехнические комплексы и системы управления. 2006. № 2. С. 35-37.

14. Зуев А. Энергосбережение в добыче: каждый киловатт на счету // «Новатор», 2009. № 28 С.4-7.

15. Ивановский В.Н. Энергетика добычи нефти: основные направления оптимизации энергопотребления // «Инженерная практика», 2011, № 6 С. 1826.

16. Игнатьев М. Энергосбережение и энергоэффективность. // «Нефтегазовая Вертикаль», 2010, №12 С. 62-71.

17. Ильинский Н.Ф., Москаленко В.В. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение: учеб. Пособие для студ. высш. учеб. заведений М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 208 с.

18. Ильин А. Тщательно отобранное напряжение // «Нефтегазовая Вертикаль», 2006. №12 С. 94-96.

19. Камалетдинов P.C. Повышение эффективности работы скважинных насосов путем применения вентильных погружных электродвигателей // Автореферат диссертации на соискание уч. степени к.т.н. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2007. - 20 с.

20. Клявлин A. ANSYS, Inc.: современные методы моделирования электромагнитного поля // «САПР и графика», № 6, 2011. С. 52-54.

21. Корышев О.В. Оценка теплового состояния погружных электродвигателей // Материалы 6-ой Международной конференции и выставки «Механизированная добыча 2009» , 22-24 апреля 2009.

22. Костенко М.П., Пиотровский JI.M. Электрические машины. В 2-х ч. Ч. 2. Машины переменного тока. Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений. - Л.: Энергия, 1973. - 648 с.

23. Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с.

24. Многофазная синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов. Математическая модель электромагнитного расчета / Лопатин В.В., Швецов Н.И., Мордвинов Ю.В., Глазкова Л.В. // М.: Издательство HI ill ВНИИЭМ, 1988.-82 с.

25. Мякушев К. Современные методы расчета электрических машин // «САПР и графика», № 5, 2001.

26. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Теория поля. т. 2 -М.: Наука, 1988.-509 с.

27. Лунев Н.В. Опыт эксплуатации ВЭД, ЭЦН 5-й группы, фазопреобразователей и вихревых газосепараторов в условиях месторождений ТНК-ВР // «Инженерная практика», 2011. № 5 С. 12-23.

28. Лунев Н.В., Амельченко В.Г., Каверин М.Н., Косилов Д.А. Результаты сравнительных промысловых испытаний энергопотребления вентильных и асинхронных ПЭД // «Инженерная практика», 2012. № 3 С. 124 -126.

29. Надежность электрических машин: учеб. пособие для вузов / Н.Л. Кузнецов. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 432 с.

30. Непомнящий М.А. Погружные электродвигатели для скважинных насосов Кишинев: Штиница, 1982. - 168 с.

31. Окунеева H.A. Разработка и исследование электропривода для нефтедобывающих насосов с погружным магнитоэлектрическим двигателем // Автореферат диссертации на соискание уч. степени к.т.н. М.: МЭИ(ТУ), 2008. -20 с.

32. Оптимальная защита магнитов NdFeB от коррозии. По материалам статьи С.Р. Траут Spontaneous Materials // Магнитное общество: Бюллетень, том 4, № 4 , 22 декабря 2003 г.

33. Павленко В.И., Гинзбург М.Я. Еще раз об энергоэффективности вентильных приводов УЭЦН// «Инженерная практика», 2011. №6 С. 53-57.

34. Павленко В.И., Гинзбург М.Я. Новый высокоэффективный привод для погружных центробежных и вихревых насосов // «Технологии ТЭК», 2004. № 6 С. 47-52.

35. Павленко В.И., Гинзбург М.Я. Тенденция замены ПЭД на ВД: Мир последовал за инновацией ЛУКОЙЛа // «Нефтегазовая вертикаль», 2010. №20 С. 56-60.

36. Павленко В., Климов В., Климов И. Сравнительный анализ электромагнитных процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей промышленности // «Силовая электроника», 2010. № 3 С. 30-35.

37. Петров Г.Н. Электрические машины. Часть I. М.: Энергия, 1974.240 с.

38. Погружные вентильные электродвигатели «НОВОМЕТ» // Проспект ГК «НОВОМЕТ» 4 с. URL: http:// www.novomet.ru/pdf/2012ru/Motorprint.pdf (дата обращения 15.10.2012).

39. Полухин Р. Новые разработки компании «Борец», направленные на снижение себестоимости добычи нефти // Материалы 6-ой Международнойконференции и выставки «Механизированная добыча 22-24 апреля 2009 г. -М., 2009.

40. Пономарев Р.Н. Аварийные отказы оборудования УЭЦН и разработка мероприятий по их устранению: Дис. канд. техн. наук. Уфа, 2006. - 136 с.

41. Пошвин Е.В. Термостойкий погружной электродвигатель // «Арсенал нефтедобычи», 2011. № 2 С. 24-29.

42. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов. В 2-х кн.: кн. 1/ И.П. Копылов, Б.К. Клюков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. - 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 464 с.

43. Расчет электромагнитных полей с помощью программного комплекса ANSYS: учеб. пособие / Под ред. Ю.А.Казанцева М.: Издательство МЭИ, 2003,- 100 с.

44. Ребенко C.B. Энергетическая эффективность вентильных приводов УЭЦН и УЭВН // «Инженерная практика», 2010. № 3 С. 62-66.

45. Решение задач теплообмена ANSYS 5.1 J Перевод Югов В.П. М.: Представительство CAD-FEM, 2001. - 110 с.

46. Сагаловский A.B. Вентильная реальность в механизированной добыче // Материалы 8-ой выставки-конференции «Механизированная добыча -2011», М., 20-22 апреля 2011. URL:http:// www.ngv.ru/conference/branchcalendar/conference59.aspx.

47. Сагаловский A.B. Новое поколение вентильных электродвигателей компании «Борец» новый шаг в энергосбережении // «Инженерная практика», 2010. № 8 - С. 28-29.

48. Сагаловский В.И. Погружные установки с вентильными электродвигателями // «Нефтегазопромысловый ипжинириг», 2006. № 4 — С. 1416.

49. Санталов A.M. Вентильные электродвигатели для погружных электронасосов // Сборник докладов VI Всероссийской техническойконференции «Производство и эксплуатация УЭЦН» Альметьевск: Изд-во з-да «АЛНАС», 1996.

50. Санталов А. Хоцянов И., Перельман О., Рабинович А., Пошвин Е., Кошелев С. Погружные вентильные двигатели. История, конструктивны особенности, возможности // «Нефтегазовая вертикаль», 2011, № 12 С. 58-65.

51. Сипайлов В.А. Оптимизация режимов работы установок электроцентробежных насосов механизированной добычи нефти: 05.09.03 -электротехнические комплексы и системы: Дис. канд. техн. наук Томск: Томский политехнический университет, 2009. - 154 с.

52. Слепченко С.Д. Математика прогноза // «Нефтегазовая Вертикаль», 2006, №12-С. 48-51.

53. Ткач A.B. Результаты выполнения мероприятий по программе повышения энергоэффективности в ООО «ЛУКОЙЛ Западная Сибирь // «Инженерная практика», 2012. № 3 - С. 110 - 113.

54. Трегубов М.И. Исследование основных характеристик установки электроцентробежного насоса с вентильным двигателем для эксплуатации нефтяных скважин: Автореферат дис. на соискание уч. степени к.т.н. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2010. - 23 с.

55. Филиппов И.Ф. Теплообмен в электрических машинах: Учеб. пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1986. - 256 с.

56. Хоцянов И.Д. Оптимизированный по времени расчет электромагнитных и тепловых полей электромеханических устройств с постоянными магнитами в программе Ansys И «Вестник МЭИ», 2012. № 4. С. 36-42.

57. Хоцянов И.Д., Санталов A.M., Стенин С.Л., Хоцянова О.Н. Погружные вентильные электроприводы // Электротехнические комплексы автономных объектов: Сборник научных трудов. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - С.34-37.

58. Хоцянов И.Д., Санталов A.M., Кирюхин В.П., Хоцянова О.Н. Вентильные электроприводы для центробежных насосов // «Вестник МЭИ», 2007. №3.-С. 21-26.

59. Чигарев A.B., Кравчук A.C., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: справ, пособие. М.: Машиностроение-1, 2004. - 512 с.

60. Что мешает инновациям? Аналитическая служба «Нефтегазовой вертикали» // «Нефтегазовая вертикаль», 2012. № 13-14 С. 54-60.

61. Шенгур Н.В., Иванов A.A. Мифы и реальности внедрения вентильного электродвигателя в УЭЦН // «Инженерная практика», 2011, №3-С. 36-38.

62. Электродвигатель вентильный погружной высокооборотный серии ПВЭД // Сайт ООО «НПК «ЛЕПСЕ Нефтемаш». 1ЖЬ.:11Ир:/Лер8е-neflemash.ru/products/28 (дата обращения 05.06.2012)

63. Экономическая география России: Учебник / Под общей ред. акад. В.И. Видяпина. М.:ИНФРА-М, Российская экономическая академия, 1999. -533 с.

64. Якимов С.Б., Каверин М.Н., Тарасов В.П. Анализ эффективности применения вентильных двигателей ПК «Борец» для снижения энергопотребления в ТНК-ВР (в порядке обсуждения) // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса, 2011., № 3 С. 44-48.

65. Якимов С.Б. Основные направления деятельности по повышению энергоэффективности механизированной добычи // «Инженерная практика», 2011, №5-с. 45-48.