Исследование потерь электрической энергии, вызванных наличием высших гармоник в напряжениях и токах силового канала преобразования энергии установок электроцентробежных насосов

УДК 621.313.321

Ю. Н. Кликушин, Е. В. Птицына, В. Н. Сорокин

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ВЫЗВАННЫХ НАЛИЧИЕМ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В НАПРЯЖЕНИЯХ И ТОКАХ СИЛОВОГО КАНАЛА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Рассматриваются потери электрической энергии, вызванные наличием высших гармоник в напряжениях и токах силового канала преобразования энергии установок электроцентробежных насосов. Показано положительное влияние синусных фильтров на гармонический состав токов и напряжений силового канала, а также на существенное снижение дополнительных потерь от высших гармоник в трансформаторе, кабельной линии и самом электродвигателе.

Основным побочным эффектом широкого внедрения статических преобразователей частоты (СПЧ) станций управления (СУ) установками электроцентробежных насосов (УЭЦН) является генерирование высших гармонических составляющих в токах и напряжениях элементов электрооборудования силового канала преобразования электрической энергии. Подобные установки широко применяются в хозяйстве железнодорожных станций, в электротехнологических установках нефтедобычи и т. д. Особенно актуальным этот вопрос стал при переходе к современным СПЧ на базе транзисторных автономных инверторов напряжения (АИНов) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и несущей частотой модуляции 1,5 - 16 кГц. Специалистами было установлено, что применение такого рода АИНов вызывает опасное повышение напряжения и на погружном асинхронном электродвигателе (ПЭДе) вследствие высоких значений производных ди/Ж, достигающих величин до 7500 В/мкс и более, возникают явления отраженных от зажимов ПЭДа электромагнитных волн резонанса на высших гармониках, поверхностного эффекта, короны; увеличивается вибрация конструкций, возникают дополнительные потери электрической энергии [1, 2].

Средствами преодолния отрицательного воздействия полигармонических выходных напряжений СУ является применение трех основных типов фильтров: дросселей переменного тока, ди/д^-дросселей и фильтров, синусных фильтров различных предприятий - изготовителей электротехнического оборудования. Лучшая защита ПЭДа и элементов электрооборудования силового канала УЭЦН обеспечивается применением синусных фильтров, включенных на выходе СУ [1, 2]. Поскольку в эксплуатации в настоящее время находятся различные типы станции управления с разными принципами действия АИНов и различным гармоническим составом выходных напряжений, становится актуальной задача исследования фактического влияния высших гармоник на несинусоидальность токов и напряжений ПЭДа и потери электрической энергии в силовом канале УЭЦН.

Осуществляется сравнение основных типов СУ - Екк^гоБрееё, Электон, Триол, Эталон -между собой, а также сравнение с напряжениями, имеющими гармонический состав, соответствующий требованиям действующего ГОСТ 13109-97. «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Эксперимент проводился в следующей последовательности. Анализатором качества электрической энергии АКЭ-823 регистрировались напряжения на выходных зажимах синусных фильтров или на выходных зажимах станции управления при отсутствии фильтров; анализатором качества электрической энергии определялся гармонический состав напряжения до 60-го порядка включительно; гармонические составляющие напряжения до 100-го по-

рядка определялись расчетным путем на основании визуализации в реальном времени исследуемых переменных по их осциллограммам; расчетным путем определялся гармонический состав токов СУ и ПЭДа и напряжение ПЭДа в соответствии со схемой замещения силового канала электрической энергии, содержащего трансформатор, кабельную линию, удлинитель кабельной линии и ПЭД. Согласно общей методике расчета ПЭДа [3] определялся гармонический состав его напряжения и тока; по результатам расчета определялись коэффициенты искажения синусоидальности кривых напряжения и тока на выходе станции управления 1У1у,

/1у и на двигателе - 02у, /2у соответственно -

Ки =

100

Еи > / и 11;

у=2

ки =

100

I ¡1 / /,,;

2

к2 и =

100

Еи/и21;

у=2

к 21 =

100

Е/2у / ¡21.

у=2

а также коэффициенты потерь активной мощности, вычисленные как отношение суммарной мощности высших гармоник к мощности первой гармоники на выходе станции управления к1Р и на двигателе К2Р:

к1Р =

100

Едр.

у=2

/ АРП =

100

Е и1У С08

у=2

/ ип 1п соБ(^11 );

к2 Р

100

I ДР2,

у= 2

/ ЛР21 =

100

2v/2v )

у= 2

/ и21/21 соБ

где и1у, /1у, и2у, /2у, соб(^>1у ), соб(^2у ) - действующие значениягармоникнапряжений, токов и соответствующие коэффициенты мощности гармоник порядка V = 1,.. .,100.

Все вычисления проводились для диапазона скольжений ПЭДа от холостого хода 5 = 0 до пускового режима 5 = 1, полученные результаты сравнивались с предельно допустимым значением гармонического состава напряжений с коэффициентом искажения синусоидальности к1и = 12 % в соответствии с требованием ГОСТ 13109-97.

Для систематизации проводимого исследования была выбрана нефтедобывающая скважина в следующей комплектации: двухсекционный электроцентробежный насос ЭЦНДИ 550-1700 по 178 ступеней; погружной электрический двигатель ПЭДН 32-117-1000, Электон 05-160 с погружным телеметрическим блоком ТМС М5В5; удлинитель У2-50/16 КПпБП длиной 50 м; основной кабель КП-16-1755 КПпБП длиной 1755 м; промысловый трансформатор ТМПН-63/3-УХЛ1 с напряжением на первичной и вторичной обмотках 380/1069 В.

Математическая модель для выполняемых расчетов с учетом изменения активных и реактивных сопротивлений схем замещения трансформатора, кабельной линии, удлинителя кабельной линии в зависимости от номера гармоники V записывалась в форме:

и* = А02у+¿а ;

I = СО, + Ь12 .

1у У 2У У 2У

Здесь Ау, Ву, Су, - параметры математической модели. Данные параметры вычислялись на каждой частоте V = 1,.. .,100 гармоник напряжения 1У1у.

Взаимосвязь между напряжением 02у и током 12у ПЭДа (1), (2) для каждой гармоники

V = 1,...,100

и2у=(Г2У +

12У

определялась на основании общих выражений для активной т2у и реактивной х2у составляющих входного сопротивления ПЭДа, рассчитанных, как отмечалось выше, для различных скольжений 5 с учетом зубцовых гармоник, вытеснения тока в стержнях ротора, насыщения по путям основного потока и потоков рассеяния [3].

Анализу подвергались шесть вариантов: «Стандарт 1», «Стандарт 2» - теоретические выходные напряжения СУ с гармоническим составом по ГОСТ 13109-97 для предельно допустимого коэффициента искажения синусоидальности к1и = 12%; «Эталон» - выходное

напряжение СУ - «СУЧР 630 Эталон», полученное измерением на нефтедобывающей скважине; «Триол» - выходное напряжение СУ - «Триол 400», полученное измерением на нефтедобывающей скважине; «Электроспид» - выходное напряжение СУ - «Е1ес1оБрееё»; «Электон» - выходное напряжение СУ - «Электон-05-400» без выходного синусного фильтра. Результаты расчета согласно математической модели (1) - (6) представлены на рисунках 1 и 2.

Коэффициент искажения синусоидальности напряжения на двигателе ки (см. рисунок 1) для всех исследуемых вариантов повышается с увеличением скольжения ПЭДа 5 (с увеличением загрузки двигателя по моменту). Максимальный коэффициент искажения синусоидальности соответствует варианту, при котором синусный фильтр отсутствует, - СУ «Элек-тон-05» (см. рисунок 1, кривая 1); минимальные значения коэффициента искажения синусоидальности соответствуют вариантам СУ «Эталон», «Электон-04», «Триол» (см. рисунок 1, кривые 4 - 6). Изменение коэффициента искажения синусоидальности для указанных СУ демонстрирует действие сетевых фильтров гармоник, установленных на нефтепромысловой комплектной трансформаторной подстанции. В целом влияние синусных фильтров на искажение синусоидальности напряжения на погружных электродвигателях существенно и оправдывает затраты на их установку.

Коэффициент потерь мощности кр (см. рисунок 2), который определяет дополнительные потери мощности от высших гармоник в силовом канале УЭЦН, для всех исследуемых вариантов понижается с увеличением скольжения ПЭДа 5 (с увеличением загрузки двигателя по моменту); в номинальном режиме работы ПЭДа остается на уровне не выше 1,5 %; в режимах, близких к холостому ходу ПЭДа, дополнительные потери мощности увеличиваются, не превышая, однако, значения 2,5 %; в режимах на участке изменения скольжения от критического до пускового 5 = 1 дополнительные потери мощности несущественны.

В целом положительное влияние синусных фильтров не только сказывается на оптимизации гармонического состава токов и напряжений силового канала УЭЦН, но и приводят к существенному снижению дополнительных потерь от высших гармоник в трансформаторе, кабельной линии и в самом электродвигателе УЭЦН, что является одним из направлений применения энергосберегающих технологий в хозяйстве железнодорожных станций, в электротехнологических установках нефтедобычи и т. д.

k

и

18,0 %

10,8 7,2 3,6 0

1

2х

5 6 3

О 0,2 0,4 0,6 o.e. 1,0

s

Рисунок 1 - Зависимость коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения ПЭДа: 1 - СУ «Элекгон-05»; 2 - СУ «Электроспид»; 3 - СУ с гармоническим составом по ГОСТ 13109-97; 4 - СУ «Эталон»; 5 - СУ «Электон-04»; 6 - СУ «Триол»

3,0

kp

0,2 0,4 0,6 o.e. 1,0 s -

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента потерь мощности в силовом канале УЭЦН: 1 - СУ «Электон-05»; 2 - СУ «Электроспид»; 3 - СУ с гармоническим составом по ГОСТ 13109-97; 4 - СУ «Эталон»; 5 - СУ «Электон-04»; 6 - СУ «Триол»

Список литературы

1. Хиббард, Дж. Предотвращение аварий двигателя при его удаленном подключении к

преобразователю частоты на ЮБТ [Текст] / Дж. Хиббард, X. Николас // Электротехнический рынок. - 2007. - № 9 (15). - С. 1 - 8.

2. Павленко, В. А. Сравнительный анализ электромагнитных процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей промышленности [Текст]/ В. А. Павленко, В. С. Климов, И. В. Климов // Силовая электроника. - 2010. - № 31. - С. 1 - 16.

3. Ковалев, А. Ю. Моделирование погружных асинхронных электрических двигателей в составе установок электроцентробежных насосов [Текст]: Дис... канд. техн. наук. Омск, 2010. - 146 с.

УДК 662.61.502.36:665.754

Д. К. Кузнецова, В. Н. Кузнецов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА СОПЛОВЫХ ОТВЕРСТИЙ ВОДОМАЗУТНЫХ ЭМУЛЬСАТОРОВ

Разработана методика расчета процессов истечения из сопел пароводяной смеси в затопленное пространство, позволяющая производить расчет установок для подготовки водомазутной эмульсии, используемой в качестве топлива в котельных установках предприятий промышленности и железнодорожного транспорта.

Существующие горелочные устройства на котлах малой и средней мощности не обеспечивают качественного распыла топлива, эффективного смешивания капелек мазута и окислителя, что является их конструктивным недостатком. Для обеспечения более полного сгорания топлива операторы котлов вынуждены увеличивать подачу воздуха на горение, что приводит к возрастанию объемов продуктов сгорания и повышению потерь тепла с уходящими газами.

Как показывают многократные испытания, проведенные в разных котельных, в топках котлов не выдерживается оптимальное соотношение «топливо - воздух», коэффициент избытка воздуха достигает 2,0 - 2,5 вместо рекомендуемого значения 1,15. КПД котла при этом снижается на 8 - 10 % по сравнению с номинальным, указанным в паспорте.

Таким образом, главной задачей повышения эффективности работы котлоагрегатов является улучшение качества ведения топочных процессов. Радикальной мерой совершенствования режима горения мазута в топках с механическими форсунками является переход от чистого топлива на водомазутную эмульсию (ВМЭ). Оптимальное содержание воды в мазуте составляет 8 - 12 %, размеры глобул - от 1 до 70 мкм.

При резком снижении давления за соплом форсунки капельки воды, находящейся в перегретом состоянии, вскипают, разрываются на более мелкие, интенсифицируют смешение топлива с окислителем за счет появления составляющих скоростей, перпендикулярных потоку. Одновременно проявляется и каталитическое действие Н20 на процесс выгорания капелек топлива. Устойчивое интенсивное горение ВМЭ, протекающее в более коротком факеле и характеризуемое высокой полнотой сгорания топлива при минимальных избытках воздуха, открывает возможности существенного повышения экономичности работы котлоагрегатов.

Технология приготовления водомазутных эмульсий обычно основана на механическом смешивании и последующем микродроблении капель воды в различных по конструкции и принципу работы устройствах [1]. Наиболее приемлемыми из них являются роторный и ро-торно-пульсационный эмульсаторы, центробежный дисперсатор, эмульсионная форсунка, струйный смеситель. Для всех подобных устройств характерны сложность и трудоемкость изготовления, значительные затраты электрической энергии на привод вращающихся частей, относительно невысокий срок службы.

Предложенный сотрудниками кафедры теплоэнергетики ОмГУПСа способ подготовки и сжигания водомазутной эмульсии [2] исключает наличие механического устройства для