Повышение эффективности работы скважинных насосов путем применения вентильных погружных электродвигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Камалетдинов, Рустам Сагарярович

• Камалетдинов, Рустам Сагарярович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Камалетдинов, Рустам Сагарярович

Введение.

ГЛАВА 1. Анализ современного состояния добычи нефти в РФ.

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.

2.1.Краткий анализ состояния теории и практики вентильных электродвигателей.

2.2. Анализ применимости вентильных двигателей с постоянными магнитами для привода погружных насосов при добыче нефти.

2.3.Тегаюфизические процессы работы погружного привода на основе вентильных двигателей при различных режимах работы УЭЦН.

2.3.1. Расчет теплового состояния восьмиполюсного вентильного электродвигателя.

2.3.1.1. Математическое описание процессов теплопроводности в погружном электродвигателе и формирование математической модели.

2.3.1.2. Методика тепловых расчетов вентильных двигателей на основе эквивалентных тепловых схем замещения.

2.3.1.3. Результаты расчета теплового поля двигателя ВД125-117 методом конечных элементов

2.3.1.4. Результаты расчета теплового состояния ВД125-117 методом эквивалентных схем

2.3.2.Аналитическое определение оптимальных областей регулирования насосных установок разных типов с вентильными приводами.Методика подбора погружного оборудования.

2.3.3. Расчет максимальных значений частоты вращения вала насоса, подачи и напора в зависимости от мощности вентильного электродвигателя.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования некоторых вопросов работы погружного привода на основе вентильных двигателей

3.1.Стенд для проведения исследований погружного привода на основе вентильных двигателей. 67 3.2.Экспериментальные исследования погружного привода на основе вентильных двигателей. Обработка результатов эксперимента.

3.3.Разработка программы и методики испытаний и исследований асинхронных и вентильных электродвигателей

3.4.Методы испытаний 75 Выводы по третьей главе.

Глава 4.0пыт промысловых испытаний и внедрения установок скважинных насосов для добычи нефти с погружным электроприводом на основе 87 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.

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 высо-комоментных винтовых насосов. 107 Выводы по четвертой главе. 116 Общие выводы и результаты работы. 117 Список использованной литературы. 120 Приложения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности работы скважинных насосов путем применения вентильных погружных электродвигателей»

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.

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 без 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 (20002006 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.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Камалетдинов, Рустам Сагарярович

Общие выводы по работе

1. Установлено, что для повышения энергетической эффективности УЭЦН необходимы двигатели не только с более высокими КПД, но и с максимально низкими значениями рабочих токов, что позволит существенно сократить потери мощности в кабельных линиях, снизить тепловые потери и уменьшить теплона-пряженность самих погружных приводов.

2. Определены дальнейшие пути и задачи исследований, установлена необходимость проведения теоретических исследований по изучению закономерностей работы погружных вентильных электродвигателей, по изучению теплофизических процессов в двигателе и по созданию методик расчетов его рабочих параметров.

3. Созданы математические модели теплофизического процесса работы вентильного электродвигателя типа ВД.

4. Разработанные математические модели и выполненные с их помощью тепловые расчеты показали хорошее совпадение с результатами стендовых экспериментов, имитирующих заводские испытания, что говорит о высокой достоверности полученных в работе выводов.

Незначительные расхождения результатов (не более 5-6%) обусловлены невозможностью точного учета всех условий проведения эксперимента и, соответственно, допущениями, принятыми при оценке теплового состояния.

5.Расчеты тепловых полей методом конечных элементов показали, что превышение температуры пазовой части обмотки двигателя над температурой окружающей среды составляет около 10°С, что заметно меньше, чем дает эксперимент (на 15-18°С) и расчет с помощью тепловой схемы замещения (на 17-18°С). Такое занижение расчетной температуры пазовой части обмотки имеет место, главным образом, из-за не полного учета подогрева ее от лобовых частей.

6.Расчетные исследования с помощью метода конечных элементов и тепловых схем замещения показали, что перегрев лобовых частей существенно зависит от их длины и формы, теплопроводности изоляции, близости корпуса и других металлических частей с высокой теплопроводностью, интенсивности

117 перемешивания масла. Отсутствие перемешивания масла и компактные, хорошо изолированные лобовые части обмотки способствуют увеличению их перегревов (до 30-35°С).

7. Показано, что при номинальной нагрузке и температуре охлаждающей воды 95°С время нагрева магнитов и внутренней среды двигателя ВД125-117В5 составляет 6 мин, а обмотки якоря 2-3 мин. Выход двигателя на установившуюся температуру заканчивается через 15-20 минут и температура отдельных его элементов достигает:

- для магнитов — 111 °С (перегрев -16 °С);

- для корпуса -100 °С (перегрев - 5 °С);

- для лобовой части обмотки -112 "С (перегрев -17 °С);

- для пазовой части обмотки — 113 °С (перегрев -18 °С);

- для зубцов статора -106 °С (перегрев -11 °С);

- для спинки статора -102 °С (перегрев - 7 °С).

8. На основании результатов экспериментальных исследований и выполненных расчетов тепловых процессов ряда вентильных электродвигателей серии ВД-117В5 для погружных центробежных насосов уточнена методика тепловых расчетов с помощью эквивалентных схем замещения и подтверждена ее адекватность.

9. Комплектацию насосов вентильными электродвигателями рекомендуется производить по мощности максимального ресурса, которая принимается на 20 % ниже его мощности при номинальной частоте вращения.

10. Реальное снижение энергопотребления при добыче нефти УЭЦН с вентильными приводами по сравнению с серийными асинхронными обеспечивается за счёт:

- более высоких значений КПД вентильных двигателей - 92 %, против КПД серийных асинхронных ПЭД - 84%;

- снижения потерь мощности в кабеле, так при номинальном токе вентильного двигателя ВД32,1в =20А и токе асинхронного ПЭД32,1а =25А снижение потерь мощности в кабеле составляет 36%;

- работы большей части вентильных двигателей в скважинах при частотах вращения ниже номинальных значений (76%), где при частотах вращения ниже 2800 об/мин потребляемая им мощность на 11% меньше номинальной (при частоте вращения 2910 мин-1).

11. Фактическое снижение энергопотребления при замене асинхронных приводов на вентильные двигатели составило от 20% до 30%.

12. Значение наработки до отказа УЭЦН с вентильными двигателями с учётом всех причин отказов составляют в разных регионах эксплуатации от 200 до 350 суток, а межремонтный период - от 250 до 1000 суток.

13. Разработаны вентильные погружные приводы с частотой вращения ротора 300 - 700 мин-1, которыми комплектуются винтовые насосы с подачей от 25 до 63 мЗ/сут. Внедрение низкооборотных приводов позволило увеличить наработку винтовых установок в 2 - 10 раз, а также позволило ввести в эксплуатацию ряд скважин, которые ранее не эксплуатировались из-за высокой вязкости откачиваемой продукции, или эксплуатировались с очень низкими наработками.

14. Промысловые испытания и широкое внедрение погружных насосных установок с вентильными приводами доказали их работоспособность и высокую технико-экономическую эффективность.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Камалетдинов, Рустам Сагарярович, 2007 год

1. Ивановский В.Н. Научные основы создания и эксплуатации насосного оборудования для добычи нефти в осложненных условиях из мало и среднедебитных скважин.Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, М.1999.

2. Камалетдинов Р.С. «Основные направления совершенствования системы работы с механизированным фондом скважин «НК ЛУКОЙЛ», журнал «Территория Нефтегаз», №8, 2005 г., с.60-66.

3. Иванов А.А., Кудряшев С.И., Маркелов Д.В. « Результаты эксплуатации опытно-промышленной партии установок ЦУНАР 100», журнал «Территория Нефтегаз», №2, 2005 г. с.30-39.

4. Кудряшев С.И., Здольник С.Е., Литвиненко В.А. и др. «Опыт эксплуатации российских интеллектуальных погружных насосов», журнал «Территория Нефтегаз», №11, 2005 г.с.40-47.

5. Черемисинов Е.М., Матвеев С.Н., Оводков О.А. «Частотные режимы работы системы «скважина-насос» установки ЦУНАР 100», журнал «Бурение и нефть», №11,2002 г.

6. Kamaletdinov R.S. «Cardinal lines pump operated well stock operation improvement in ОАО «LUKOIL» ОС», OIL GAS CHEMISTRU.№ 3-4,2005.

7. Камалетдинов Р.С. «Система работы с механизированным фондомскважин в ОАО НК «ЛУКОЙЛ», перспективы совершенствования электропоizvгружных установок». Тезисы доклада на Международной конференции « Механизированная добыча», Москва. 2004 г.

8. Камалетдинов Р.С. «Основные направления совершенствования системы работы с механизированным фондом скважин в ОАО «НК ЛУКОЙЛ». Тезисы доклада на Международной конференции « Механизированная добыча», Москва. 2005 г.

9. Камалетдинов Р.С. «Анализ работы механизированного фонда скважин ОАО «Ж ЛУКОЙЛ». Тезисы доклада на Международной конференции « Механизированная добыча», Москва. 2006 г.

10. Гинзбург М.Я.,Павленко В.И., Камалетдинов Р.С. «История одного изобретения», аналитический журнал «Нефтегазовая вертикаль», №12, 2006.

11. ELCUT. Руководство пользователя. ПК ТОР. С-Пб., 1989-2005, http: //elcut.ru.

12. Нестационарные тепловые расчеты в электрических машинах. Беспалов В.Я., Дунайкина Е.А., Мощинский Ю.А./Под ред. Б. К. Клокова. -М.: МЭИ, 1987.-72 с.

13. Нагрев и охлаждение электрооборудования летательных аппаратов. Н.З. Мастяев, И. Н. Орлов.- М.: Моск.энерг.ин-т, 1995.

14. Счастливый Г.Г. и др. Погружные асинхронные электродвигатели. М.: Энергоатомиздат, 1983.-168 с.

15. Борисенко А.И. и др. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. М., «Энергия», 1974.- 560 с.

16. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

17. Матвеев С.Н. Резервы повышения дебита насосных скважин на месторождениях ОАО «Сургутнефтегаз»,Нефтепромысловое де-ло.ВНИИОЭНГ, 2002.№4.

18. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. Москва, Высшая школа, 1985.

19. Кузнецов В.А., Кузьмичёв В.А. Вентильно-индукторные двигатели. М. Издательство МЭИ, 2003.

20. Животовский JI.C., Смойловская JI.A. Лопастные насосы для абразивных гидросмесей. Москва, «Машиностроение», 1978, стр.87.

21. Павленко В.И., Гинзбург М.Я. Новый высокоэффективный привод для погружных центробежных, и винтовых насосов. «Технологии ТЭК», №3,2004.

22. Беспалов В.Я., Дунайкина Е.А., Мощинский Ю.А. Нестационарные тепловые расчёты в электрических машинах, Москва, Издательство МЭИ, 1987.

23. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин. Москва, Энергия, 1970.

24. Счастливый Г.Г., Семак В.Г., Федоренко Г.М. Погружные асинхронные электродвигатели, Москва, Энергоатомиздат,1983.

25. Dugan R.C., Мс granaghan М. F., Beaty Н. W. Electrical Power Systems Quality,

26. Львов А.П. Электрические сети повышенной частоты, Энергоиз-дат, 1981.

27. Павленко В.И., Гинзбург М.Я. Вентильные приводы УЭЦН- энергоэффективная техника нефтедобычи. «Технологии ТЭК», №4,2006.

28. Magnetsysteme nach Mass. /Beier Ernst//Technica.-Suisse,2003.-t.52,N 6.-c. 24-29.

29. Масленников B.C. Трапецеидальная форма ЭДС вращения вентильных двигателей. Электротехника, 2001, №8, с. 25-29.

30. Patrick J.McCleer,. Quasi-square wave back-emf permanent magnet ac machines with five or more phases. Patent US 5642009. 24.06.1997.

31. Голубев А.Н., Субботин М.В. Математическая модель синхронного двигателя с m-фазной обмоткой для стационарных режимов. Электротехника. 2002, № 1, с. 35-39.

32. Шевченко А.Ф. Электромеханические преобразователи энергии с модулированным магнитным потоком. Дисс. . докт. техн. наук. Новосибирск, НГТУ, 1999, 328 с.

33. Гриднев А.И., Келин Н.А., Клевец Н.И. и др. Синтез и оптимизация роторов из высококоэрцитивных постоянных магнитов и систем для намагничивания. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1987. №6.

34. Шевченко А.Ф. Синхронный электродвигатель. А.С. СССР №1345291. Опубл. 15.10.82. Бюлл. №38.

35. Шевченко А.Ф. Синхронный электродвигатель. Патент РФ №2059994. Опубл. 10.05.96. Бюлл. №13.

36. Шевченко А.Ф. Математическая модель многополюсных синхронных машин с зубцовыми обмотками с амплитудно-модулированным полем. Электротехника, 1999, № 12, с. 28-34.

37. Калужский Д.Л. Электрические машины с дискретно-распределенными обмотками. Дисс. . докт. техн. наук. Новосибирск, НГТУ, 1999, 270 с.

38. Hirano, Masahiro. Brushless DC motor using permanent magnet. Patent EP 0909009.14.04.1999 r.

39. Kimura, Mamoru, . Permanent magnet type rotating electrical machine, and power generation system and drive system using it. Patent EP 1248348. 09.10.2002 r.

40. Волокитина E.B., Свиридов В.И., Шалагинов В.Ф. Особенности применения постоянных магнитов в вентильных электродвигателях авиационных электроприборов. Электротехника. 2003, № 7, с. 55-59.

41. Zhu Z. Q., Chen Y. S., Howe D. Iron loss in permanent-magnet brushless AC machines under maximum torque per Ampere and flux weakening control. IEEE Trans. Magn.-2002.-T.38, N 5.-c. 3285-3287.

42. Высоцкий В. Е., Тулупов П. В., Верещагин В.Е. Система автоматизированного проектирования бесконтактных вентильных двигателей постоянного тока. Электричество.-2003.-№10.-с. 25-36.

43. Jockel A., Kaufhold М. Permanentmagneterregte GroSSmaschinen: Potenziale in der Oberklasse. Elek. Masch.-2002.-t.81,N 12.- c. 26-30.

44. Multilevel DC link inverter. UT-Battelle. Patent 09/853133. 10.06.2003 г.НКИ 318/254.-045.

45. Kim Kyeong-Hwa ,Youn Myung-Joong. Performance comparison of PWM inverter and variable DC link inverter schemes for high-speed sensorless control of BLDC motor. Electron. Lett.-2002.-t.38,N 21.-е. 1294-1295.

46. Brushless sensorless DC motor assembly with precisely controllable positioning. Semipower Systems. Patent 09/232412. 05.12.2000 г. НКИ 318/254.-045.

47. Morimoto Shigeo, Kawamoto Keisuke, Sanada Masayuki, Takeda Yoji. Sensorless control strategy for salient-pole PMSM based on extended EMF in rotating reference frame. IEEE Trans. Ind. Арр1.-2002.-т.38, N 4.-c. 1054-1061.

48. Green S., Atkinson D.J., Jack A.G., Mecrow B.C., King A. Sensorless operation of a fault tolerant PM drive. IEE Proc. Elec. Power Арр1.-2003.-т.150, N 2.-c. 117-125.

49. Brushless motor driving circuit and a method of controlling the brushless motor driving circuit. Matsushita Electric Industrial Co.- Patent 09/323967; 15.05.2001 r.

50. Kim K.-H. Design and performance comparison of a stationary frame digital current control for a PM synchronous motor. IEE Proc. Elec. Power Appl.-2003.-t.150, N 3. -c. 357-364.

51. Литвинов M.B. Электроцентробежная насосная установка. Заявка 2219373 643, МКИ F 04 D 13/10. 20.12.2003 г.

52. Камалетдинов Р.С. «Никакого волшебства», аналитический журнал «Нефтегазовая вертикаль», М.№12,2006 г.с.14-17.

53. Черемисинов Е.М., Матвеев С.Н.,Оводков О.А. Частотные режимы работы системы «скважина-насос» установки «ЦУНАР-100», ж-л Бурение и нефть,-2002.-№11,с.59.

54. Камалетдинов Р.С. «Применение приводов УЭЦН на основе вентильных электродвигателей», журнал «Бурение и нефть», №1, 2007 г., с.56-57.

55. Камалетдинов Р.С. «Исследование теплового режима вентильного двигателя в составе установок электроцентробежных насосов», журнал «Нефтяное хозяйство», №1,2007 г., с.70-72.