Определение параметров работы станков-качалок нефти в режиме энергосбережения

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

УДК 620.9

Э.М. АРТЫКАЕВА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ СТАНКОВ-КАЧАЛОК НЕФТИ В РЕЖИМЕ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Ключевые слова: Энергосбережение, контроль, станок-качалка нефти, динамограмма, ваттметрограмма, коррелирующие коэффициенты, мощность.

Проведен анализ влияния погрешностей в задании исходных данных на результаты расчетов показателей работы станка — качалки нефти, выработаны предложения по их корректировке при организации энергосберегающих режимов оборудования с использованием ватт-метрограмм. Показана однозначная взаимосвязь динамограмм с ваттметрограммами.

E.M. ARTYKAEVA

DETERMINING THE CONDITIONS OF PUMPING UNIT OIL IN POWER SAVING

Key words: Power saving, checking, tool rocking oil, dinamogramma, vattmrtrogramma, correlated factors, power.

This article analyzed the impact of errors in the initial data on the results of calculations of machine—oil pumping unit, to proposals for their correction in the organization of energy-saving mode using equipment vattmet-rogramm. It is shown that the unique relationship of dynamometer with the vattmetrogrammas.

Контроль работы станков-качалок нефти (СКН) обычно осуществляется с помощью динамометрирования. Динамометрирование - это процесс получения зависимости изменения нагрузки в точке подвеса штанг от перемещения этой точки в течение цикла качания. Соответствующие регистраторы отображают эту зависимость в виде замкнутых кривых, называемых динамо -граммами [2, 4]. По результатам динамометрирования, т.е. по полученным динамограммам, для каждой из скважин определяется состояние погружного оборудования, рассчитывается ряд показателей, характеризующих работу скважины. В качестве исходных данных для таких расчетов наряду с динамограммой используются заданные характеристики оборудования и технологического режима работы конкретной скважины. Другая часть исходных данных при выполнении расчётов принимается априорно из некоторого диапазона, поскольку они не могут быть измерены непосредственно или их определение сопряжено с существенными затруднениями. Это приводит к заметным отклонениям в расчётах и снижает эффективность эксплуатации СКН. Альтернативой динамограмм являются ваттметрограммы.

Целью работы являются анализ влияния погрешностей в задании исходных данных на результаты расчетов показателей работы скважины и выработка предложений по их корректировке при организации энергосберегающих режимов оборудования с использованием ваттметрограмм.

Расчеты производительности, давления на приеме и выкиде насоса могут быть выполнены с известным приближением по апробированной в практике методике [2,4] при варьировании ряда параметров: обводненности и плотности жидкости; коэффициента дегазации; коэффициентов, учитывающих утечки в нефтекомпрессорной трубе (НКТ) и насосе.

Точный расчет этих параметров практически невозможен, поскольку выполняется по теоретической динамограмме и требует достоверного знания зна-

чений большого числа факторов и характеристик, которые в расчётных методиках не учитываются или учитываются не в полном объёме. К этим факторам можно отнести следующие: режим откачки, глубину погружения насоса под уровень жидкости, свойства продукции, степень изношенности насоса и герметичность его клапанов, герметичность НКТ, профиль ствола скважины и др.

Непосредственно для такого расчёта можно использовать упрощенную (идеализированную) динамограмму, которая получается путем аппроксимации данных экспериментальной динамограммы. Вид таких практической и теоретической динамограмм, получаемых в системе телекоммуникаций нефтяных качалок [6], представлен на рис. 1. Если следовать методике [2, 4], теоретическая производительность насоса QтеoP (м3/сут.) вычисляется по формуле:

бТеор.= 1440 • ^ 50 п ,

Рис. 1. Динамограмма работы скважины с наложенной на нее теоретической динамограммой

где 1440 - число минут в сутках; ^0 - площадь сечения плунжера насоса, м2; 50 - длина хода полированного штока, м; п - частота качаний, мин-1.

В качестве исходных данных, наряду с динамограммой, используются характеристики технологического режима работы скважины: глубина спуска насоса, диаметр насоса, количество и диаметр штанг в колонне, количество и диаметр труб, число качаний в единицу времени (мин), ход полированного штока и др. Использованные при этом расчётные выражения представлены в таблице.

Наименование показателя Расчётные выражения

Фактическая производительность насоса, м3/сут. бфакт. = 0геор. ' где 2теор. - теоретическая производительность насоса, К1 - коэффициент, учитывающий утечки в НКТ; К2 - коэффициент, характеризующий изменение объема нефти при подъеме на поверхность (для безводной девонской нефти значение этого коэффициента может быть принято равным 0,87, а для каменноугольной - 0,96); К3 - коэффициент, учитывающий утечки в насосе; К4 - отношение длины хода плунжера к длине хода штока: К4 = ^пл./^шт.; Р - коэффициент наполнения: р- ^эф. ; ^лУ(«наг,+ 1) £эф- длина хода плунжера при движении с открытым нагнетательным клапаном, м; £шг. - длина хода полированного штока, м; £пл..- длина хода плунжера, м; Днагр. - отношение объема газа к объему нефти в цилиндре.

Окончание табл. 1

Наименование показателя Расчётные выражения

Давление на выкиде насоса, атм. Рвы,- Н „У ст. |^1 - у-], где Нн. - глубина спуска насоса, м; уст. - удельный вес стали и жидкости в г/см3; у _ вес колонны штанг в жидкости, кгс; Рш - вес колонны штанг в воздухе, кгс.

Давление на приеме насоса, атм. Р -Р' ( Р' Л Р -Р' Рпр. - Рж. + Рзат. - Рвык. - в" ш. - Н„.У с, I 1 - Р- I - в" ш. , ^0 V Рш. ) ^0 где р'ж - вес штанг в жидкости, кгс; рзат. - вес столба жидкости в затрубном пространстве, кгс; рвык. - давление на выкиде насоса, атм.; Рвмг - нагрузка в верхней мертвой точке, кгс (1 кгс = 9,80665 Н).

Анализ проведенных расчетов показывает, что при увеличении плотности жидкости на 30% результаты расчёта давления на выкиде насоса изменяются на 54%, давления на приеме насоса - на 65%, производительности насоса - на 14% [3]. Ошибки в определении коэффициента дегазации приводят к отклонениям в производительности насоса до 13%, а погрешности в определении коэффициентов, учитывающих утечки в НКТ и насосе, приводят к ошибке в определении производительности насоса до 12%. При неправильном определении обводненности для различных горизонтов (девон, карбон) возникают ошибки в определении производительности насоса, достигающие 10%.

Значимость разброса результатов расчётов в зависимости от выбора значений исходных данных показывает очевидную необходимость корректировки полученных расчетным путём показателей работы СКН.

Проведенные расчеты рассмотренных показателей в зависимости от выбора значений исходных данных выявляют их линейный характер. Отсюда следует возможность использовать интегральные поправочные коэффициенты. Их значения могут быть получены путём сопоставления результатов расчётов с результатами непосредственных замеров (например, производительность насоса можно определить, используя данные со счетчика контроля жидкости или же на газозамерной установке). Из сопоставления результатов расчётов и замеров получаем:

к бфакт. брасч.

где к - интегральный коррелирующий коэффициент производительности насоса; 2факт. - фактическое значение производительности насоса, полученное с помощью замеров, м3/сут.; брасч- расчетное значение производительности насоса, м3/сут.

Аналогичным образом можно получить коррелирующие коэффициенты для вычисления давления на приеме и выкиде насоса.

В ряде случаев, как, например, при исследовании энергосберегающих режимов работы СКН целесообразно пользоваться ваттметрограммами, которые однозначно связаны с динамограммами. Ваттметрограмма представляет собой зависимость потребляемой электроприводом активной мощности в функции времени или

от положения полированного штока при работе СКН. Следует отметить, что ватт-метрограмма отражает состояние всей насосной установки, а не только ее подземной части, как динамограмма. В то же время можно показать, что для скважин с динамограммами параллелограммного типа циклические ваттметрограммы электропривода насосной установки однозначно взаимосвязаны [1].

Рассмотрим эту взаимосвязь динамограмм с ваттметрограммами. Кинематическая схема СКН, показанная на рис. 2, включает в себя асинхронный электродвигатель 1, клиноременную передачу 2, зубчатый редуктор 3 и шарнирный четырехзвенный механизм 4 с балансиром 5, преобразующим движение ведомого (выходного) вала редуктора в возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг.

Кривошипный центр О СКН с аксиальным механизмом расположен на прямой В1В2, проходящей через точки сочленения шатуна с балансиром в крайних верхнем В1 и нижнем В2 положениях.

У станков-качалок с аксиальным исполнением одинаковое время хода штанг вверх и вниз. Это достигается благодаря наличию зависимости между звеньями преобразующего шарнирного четырехзвенного механизма при максимальной длине хода точки подвеса штанг [5]:

( 1 Л2 ( 1 \2 ( 1 \2

+ /22 = г2 - /32

или

г / /1

+

У

1

Г / /

V 2

+

1

Г / /

= 1.

3 У

При соблюдении этого условия в крайнем верхнем и крайнем нижнем положениях механизма направление шатуна и кривошипа совпадает с вертикальной прямой, проходящей через крайние положения сочленения шатуна с балансиром и через центр вращения кривошипа.

Мощность, потребляемая приводным электродвигателем СК, определяется величиной результирующего крутящего момента на кривошипном валу редуктора, Вт:

%п 1 „

-• М кр,

Ж =-

дв. 30

Пдв.Пп.м.Пред.Пкр.п.

где п - частота вращения электродвигателя, мин-1

кр.

Пда- КПД электродвигателя; Пп.м - КПД передаточного механизма, учитывающий потери на трение в редукторе и клиноременной передаче; Пред- передаточное число редуктора; Пкрп,- передаточное число клиноременной передачи, равное отношению диаметров шкивов редуктора и электродвигателя; Мкр - крутящий момент на валу двигателя, Н-м.

—Динамограмма Ваттметрограмма I Время! с

Положение штока, м

Теоретическая динамограмма и ваттметрограмма при нормальной работе СКН

Положение штока, м

Время, с

б

Теоретическая динамограмма и ваттметрограмма при утечке в нагнетательном клапане

Положение штока, м

Время, с

Теоретическая динамограмма и ваттметрограмма при утечке в приемном клапане

Положение штока, м

_2 ^ I Время, с

-Динамограмма Ваттметрограмма г ’

Теоретическая динамограмма и ваттметрограмма при незаполнении ШСН

Рис. 3. Различные виды динамограмм в функции положения полированного штока и соответствующие им ваттметрограммы в функции времени

в

Формула (1) не учитывает упругость клиноременной передачи и нежесткую характеристику электродвигателя.

Крутящий момент на валу двигателя равен произведению касательной силы Т в точке ее приложения на плечо действия этой силы г, Нм [1]:

( I Г }

Mкр.= Т • Г =

V li г )

где Тп.ш. - сила, определяемая нагрузкой в точке подвеса штанг, Н; Ткг. - сила, определяемая массой кривошипного уравновешивающего груза, Н; Рп.ш. -нагрузка в точке подвеса штанг, Н; Ркг. - вес кривошипного груза, Н; ф - угол поворота кривошипа, рад.; г1 - расстояние от центра масс кривошипного груза до оси вращения, м.

Таким образом, форма кривой потребляемой мощности (в ваттметро-грамме) при условии полного уравновешивания СКН и работы двигателя в линейной области рабочей характеристики определяется крутящим моментом на кривошипном валу от усилия в точке подвеса штанг, т.е. формой динамограммы, развернутой во времени, что полностью согласуется с выводами работы [1].

Расчеты, выполненные с использованием рассмотренных соотношений (1) и (2), и полученные теоретические ваттметрограммы однозначно соответствуют теоретической динамограмме рис. 1 в режиме нормальной работы СКН и динамограммам при неисправностях в его работе, таких как утечка в приемном клапане, утечка в нагнетательном клапане, незаполнение ШСН, обрыв штанг. На рис. 3 (а-г) показаны различные виды динамограмм в функции положения полированного штока и соответствующие им ваттметрограм-мы в функции времени.

Таким образом, учитывая показанную выше однозначную связь рассматриваемого типа динамограмм с ваттметрограммами, при организации энергосберегающих режимов работы нефтяного электрооборудования в СКН предпочтительно использовать ваттметрограммы, в которых мы имеем дело именно непосредственно с мощностью, на которой и строится процесс энергосбережения.

Выводы. 1. Допуская погрешности в результатах динамографирования и частных замеров, коррелирующие коэффициенты целесообразно определять на основании нескольких динамограмм и соответствующих замеров. Их статистическая обработка позволит получить более обоснованные значения коррелирующих коэффициентов и оценить их достоверность.

2. Применение статистически уточненных коррелирующих коэффициентов позволит повысить достоверность получаемых расчётным путём параметров работы скважины и обеспечит ее работу в энергосберегающем режиме.

3. Показана однозначная связь параметров динамограммы с ваттметро-граммой СКН, использование которой позволяет упростить обеспечение энергосберегающего режима работы СКН.

Литература

1. Алиев Т.М. Автоматический контроль и диагностика скважинных штанговых насосных установок / Т.М. Алиев, А.А. Тер-Хачатуров. М.: Недра, 1988. 232 с

2. Белов И.Г. Исследование работы глубинных насосов динамографом / И.Г. Белов. М.: Гос. науч.-техн. изд-во нефтяной и горно-топливной лит., 1960. 428 с.

3. Гуськова И А. Использование коррелирующих коэффициентов при расчете параметров работы подземного оборудования / И.А Гуськова, Э.М. Артыкаева // Динамика нелинейных дискретных систем (ДНДС - 2009): материалы VIII Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2009. С. 98-100.

4. Тахаутдинов Ш.Ф. Обработка практических динамограмм на ПЭВМ / Ш.Ф. Тахаутдинов, Р.Г. Фархуллин, Р.Х. Муслимов, Э.И. Сулейманов. Альметьевск: Изд-во Казан. ун-та, 1996. 68 с.

5. Мухаметзянов А.К. Добыча нефти штанговыми насосами / А.К. Мухаметзянов, И.Н. Чернышев, А.И. Липерт С.Б. Ишемгужин. М.: Недра, 1993. 350 с.

6. Чаронов В.Я. Средства автоматизации технологических установок нефтегазодобывающих предприятий / В.Я. Чаронов, М.И. Альтшуллер, В.С. Генин, А.Г. Иванов и др.; под ред. В.С. Генина. Чебокса-

ры: Изд-во «Офисная полиграфия», 2002. 272 с.

АРТЫКАЕВА ЭЛЬМИРА МИДХАТОВНА - аспирантка кафедры электромеханики и технологии электротехнического производства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (elmira_midhatovn@mail.ru).

ARTYKAEVA ELMIRA MIDHATOVNA - post-graduate student of Electromechanics and Electrotechnical Production Technology Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

УДК 621.313.315

А.А. АФАНАСЬЕВ, В.А. НЕСТЕРИН, В.М. НИКИТИН, Р.А. РОМАНОВ

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВЕНТИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ПРОИЗВОДСТВА ЗАО «ЧЭАЗ»

Ключевые слова: вентильные двигатели, постоянные магниты, резольверы, векторное управление. Рассмотрены преимущества и достоинства наиболее современных бесконтактных электромеханических преобразователей энергии — вентильных электродвигателей с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов (ВДПМ) типа железо-неодим-бор. Проведено сравнение серийных образцов ВДПМ отечественного производства с лучшими зарубежными аналогами. Рекомендованы наиболее перспективные области применения этих электродвигателей и электроприводов на их основе.

A.A. AFANASYEV, V.A. NESTERIN, V.M. NIKITIN, R.A. ROMANOV BRUSHLESS MOTORS IN ELECTRIC DRIVES OF MANUFACTURE JSC «ChEAZ»

Key words: brushless motors, constant magnets, resolvers, field-oriented control.

In article advantages and deficiencies of the most modern contactless electromechanical converters of energy — selfcontrolled synchronous motors with excitation from rare-earth constant magnets (SSMCM) type iron-neodim-pine forest are considered. Comparison of serial samples SSMCM of a domestic production with the best foreign analogues is resulted. The most perspective scopes of these electric motors and electric drives on their basis are recommended.

За последние десятилетия вентильные двигатели с постоянными магнитами (ВДПМ) и электроприводы на их основе заняли прочное положение в производственных программах ведущих зарубежных электромашиностроительных компаний («Сименс», «Бош Рексрот», «Дженерал Электрик», «Ан-сальдо», «Фанук» и др.). В большинстве каталогов готовой продукции этих компаний вентильные двигатели с редкоземельными постоянными магнитами представлены на первом месте.

Развал СССР привел к значительному отставанию отечественного электромашиностроения в данной области. Остался на территории Украины, а затем и прекратил выпуск ВДПМ Днепропетровский электромашиностроитель-