Исследование устойчивости погружного асинхронного электродвигателя при использовании внутрискважинного компенсатора

УДК 621.3

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПОГРУЖНОГО

АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВНУТРИСКВАЖИННОГО

КОМПЕНСАТОРА

В. А. Копырин, Ф.А. Лосев

Рассмотрены вопросы определения границ динамической устойчивости установок электроцентробежных насосов при внесении емкости параллельно обмоткам статора погружного асинхронного электродвигателя. Разработана математическая модель электротехнического комплекса установки для добычи нефти во вращающейся двухфазной системе координат ё-д, жестко связанной с ротором электродвигателя. В ходе исследования получены кривые динамической устойчивости погружного асинхронного электродвигателя при провалах напряжения и различных значениях мощности компенсирующего устройства.

Ключевые слова: динамическая устойчивость, погружной асинхронный электродвигатель, энергия, нефтяная скважина, внутрискважинный компенсатор.

Механизированная добыча нефтесодержащей жидкости из скважины является энергоемким процессом, на который приходится от 55...62 % от общего потребления электроэнергии на месторождениях. Оставшаяся часть электроэнергии расходуется на работу системы закачки воды в пласт от 22 до 30 %, на подготовку, транспорт нефти и газа от 8 до 23 % и другие технологические процессы [1]. При работе установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) основные потери энергии приходится на потери в насосе от 30 до 40 %, в погружном асинхронном электродвигателе (ПЭД) до 14 %, в питающем кабеле до 15 %, в трансформаторе, станции управления и насосно-компрессорных трубах до 9 % [2, 3]. Следовательно, данные установки имеют крайне низкий коэффициент полезного действия в пределах от 20 до 30 %.

Для повышения энергоэффективности механизированной добычи нефти и снижения потерь активной мощности в токопроводящих элементах электротехнического комплекса (ЭТК) УЭЦН в настоящее время активно внедряются ПЭД с повышенным напряжением [4, 5] и погружные вентильные электродвигатели [6]. Снижение энергопотребления при использовании погружных электродвигателей с повышенным напряжением достигается за счет уменьшения потребляемого электрического тока до 60 %. Вентильные электродвигатели по сравнению с асинхронными ПЭД имеют более высокий коэффициент полезного действия - свыше 90 % и коэффициент мощности от 0,95 до 0,99, за счет чего достигается снижение потребляемой активной мощности до 10 %.

Одной из наиболее простых и часто применяемых на практике технологий, направленных на повышение энергоэффективности эксплуатации скважин с УЭЦН, является увеличение сечения питающего кабеля [7, 8].

Экономия электроэнергии при данном методе достигается за счет уменьшения сопротивления токопроводящих жил при выборе питающего кабеля большего сечения.

Еще одной из перспективных технологий повышения энергоэффективности механизированной добычи нефти установками электроцентробежных насосов является компенсация реактивной мощности внутри скважины, на зажимах погружного асинхронного электродвигателя. В работах [9, 10] приведены результаты исследования энергетических параметров ЭТК УЭЦН при использовании внутрискважинных компенсаторов реактивной мощности (ВКРМ) [11, 12] в составе энергоэффективных УЭЦН [13]. Предложенные авторами устройства позволяют уменьшить потребление активной мощности до 12,5 % за счет повышения коэффициента мощности сети в узле нагрузки - погружном асинхронном электродвигателе. Однако в работах не рассмотрены вопросы динамической устойчивости работы УЭЦН с внутрискважинным компенсатором реактивной мощности. Таким образом, оценка устойчивости ПЭД по напряжению при различных значениях величины емкости, добавленной параллельно цепи статора, является актуальным.

Определение границ динамической устойчивости ПЭД в зависимости от коэффициента загрузки электродвигателя и длины питающего кабеля приведено в работах [14, 15]. Предложенные математические модели позволяют определить допустимую длительность провала питающего напряжения по условию сохранения динамической устойчивости ПЭД. Тем не менее, данные модели не учитывают емкость ВКРМ, добавленную параллельно обмоткам статора электродвигателя, которая существенно влияет на его статические и динамические характеристики.

Целью работы является определение границы динамической устойчивости и коэффициента запаса устойчивости по напряжению установок электроцентробежных насосов при внесении емкости параллельно обмоткам статора погружного асинхронного электродвигателя.

Электротехнический комплекс энергоэффективной УЭЦН включает в себя: источник питания (шины КТП 10/0,4 кВ); станцию управления, питающий трансформатор типа ТМПН, кабельную линию (КЛ), погружной асинхронный электродвигатель и внутрискважинный компенсатор реактивной мощности (рис. 1).

Станция

ТМПН

ПЭД

ВКРМ

Рис. 1. Однолинейная схема энергоэффективной УЭЦН

391

Для моделирования переходных процессов в погружном асинхронном электродвигателе используются уравнения Парка-Горева. Уравнения включают в себя электрическую и механическую составляющие. Все электрические переменные и параметры электродвигателя приводятся к статору и к вращающейся двухфазной системе координат ^ д.

Механическая часть асинхронного электродвигателя описывается выражениями [16]

d dt d_ dt

m

2H

qm - wm,

т т fie F' wm Tm )>

где ют - угловая скорость ротора; 0т - угловое положение ротора; Те -электромагнитный момент; Тт - механический момент на валу; Н - суммарная инерционная постоянная машины и нагрузки; ^ - суммарный коэффициент вязкого трения (машины и нагрузки).

Электрическая часть асинхронной машины описывается выражениями [16]

uqs - Rs ' lqs + dt + w' yqs>

D • d

uds - Rs • lds + d[t yds -w' Vqs>

0 -Rr' {qr + dy'qr +{W-Wr)yd

d

qr dt d

0 -K- ldr +~7ydr-(w-wr Wdr, dt

Te -1,5 (yds ' lqs - yqs ' d )i

где uds, ids, uqs, iqs - проекция векторов напряжения и тока статора на соответствующие оси; i'dr, iqr - проекция векторов тока ротора на соответствующие оси; Rs, Lb, R'r, Цг - активное сопротивление и индуктивность рассеяния статора и ротора соответственно; Lm - индуктивность цепи намагничивания; Ls, L'r - полные индуктивности статора и ротора; yds, yqs, ydr, yqr - проекция векторов потокосцепления статора и ротора на оси d и q соответственно; w, wr - угловая частота напряжения питания и электрическая угловая скорость ротора.

Потокосцепление статора и приведенное потокосцепление ротора, а также индуктивность статора и приведенная индуктивность ротора опре-

деляются по выражениям yds

' Ls ' lqs + Lm

ldr

y

qs

' Ls ' lqs + Lm

qr

Ydr — Lr ' ldr + Lm

lds-

y

/

qr

T' . i' + T

r qr m

qs

Ls — Lls + Lm

L'r = L¡s + Lm C°°T-

ветственно.

В качестве нагрузки погружного асинхронного электродвигателя выступает электрический центробежный насос, механическая характеристика которого определяется по выражению [17]

Мс — М0 +

w

w

п

f \2 w

wn

H

H 0 - Hc

где Мп - момент сопротивления при номинальной нагрузке; М0 - момент сопротивления при трогании; о - угловая скорость вала электроцентробежного насоса; wn - номинальная угловая частота вращения вала электроцентробежного насоса; H0 - напор УЭЦН при нулевой подаче; Hc -статический напор.

В энергоэффективной УЭЦН параллельно обмоткам статора ПЭД подключается устройство компенсации реактивной мощности. Тогда математическая модель узла нагрузки «ПЭД-ВКРМ» будет включать уравнения переходных процессов в емкости и алгебраическую сумму токов в узле согласно первому закону Кирхгофа [18]:

dudc

— xc  ldc — uq

dt du

qc _

xc • lqc + ud 5

Ж

= Ч + Че

1д = + 1де

где иЧс, идс - проекция векторов напряжения компенсирующего устройства на соответствующие оси; ¡¿с, 1дс - проекция векторов тока компенсирующего устройства на соответствующие оси; хе - емкостное сопротивление компенсирующего устройства.

В настоящее время с увеличением доли трудно-извлекаемых запасов нефти длина питающих кабелей УЭЦН находится в пределах от 500 до 2000 м и может достигать 3000 м, что оказывает существенное влияние на переходные процессы [14, 15]. В качестве модели кабеля используется П-образная схема замещения с постоянными активными, индуктивными и емкостными элементами. С учетом уравнений баланса токов в узлах схемы замещения получим следующую систему уравнений:

393

Ш,

Жк _иЫ ~ и2й Гк

Ж Хк Хк

ё*дк _ и1д ~ и2д ~

Хк Хк

Ж

ёиЫ Ж

' 1ёк 1дк  1дк + Чк ,

: Х1кс ' 1Ыс и1д

ёи

Ж

ёи2ё Ж

1д

— _ Х1кс  11де + и1ё,

ёи

2д

Х2кс  12с1с ~ и2д,

Х2кс ' 12дс + и2ё ,

Ж

Чк _ Ч + г2ёс ,

1дк _ 1д + 12дс, Жу _ 1ёк + 1Ыкс, д$уя

1дк + ^1дкс

где Жк, 1дк, ¡Ж, 1дс - проекция векторов тока на продольную и поперечную составляющие в начале и конце КЛ на соответствующие оси; и^, ид -

проекция векторов напряжения в начале и конце КЛ на соответствующие оси; 1 - к началу КЛ; 2 - к концу КЛ; , ду - проекция векторов тока

в сети на соответствующие оси; Хк, Гк, Хкс - индуктивное, активное и емкостное сопротивление КЛ.

Все уравнения составлены относительно синхронных осей Ж и д, где Ж - продольная ось, д - поперечная ось. Параметры в системах уравнений представлены в относительных единицах.

Для моделирования процессов самозапуска погружного асинхронного электродвигателя в составе УЭЦН при провалах напряжения выбран электродвигатель марки ПЭД-Я 90-117 М1В5, паспортные данные которого приведены в табл. 1. Напряжение от питающего трансформатора ТМПН-160/3 до погружного электродвигателя передается по питающему кабелю марки КПБП 3х25 длиной 2000 м. Математическая модель реализована в программном комплексе МаШсаё.

Опыт эксплуатации УЭЦН показывает, что значение коэффициента мощности установки, определяемый в основном погружным электродвигателем, находится в пределах от 0,7 до 0,85 при номинальной нагрузке и может снижаться до 0,6 - 0,75 при недогрузках. На практике фактический

коэффициент мощности ниже номинального значения, это связано с тем, что выбранное оборудование работает в неоптимальных рабочих зонах, а порой морально и физически устарело. Исходя из этого, для дальнейшего исследования коэффициент мощности ПЭД принят еовфэ=0,74.

Таблица 1

Паспортные данные погружного электродвигателя ПЭД-Я 90-117 М1В5

Номинальная мощность при 50 Гц, кВт Номинальное напряжение, В Номинальный ток, А Коэффициент мощности Коэффициент полезного действия, % Скольжение, %

90 1800 44,2 0,84 84 5

В результате моделирования получены кривые динамической устойчивости погружного асинхронного электродвигателя для различной мощности компенсирующей установки (рис. 2).

с

Д 2 3 4 5 6

О 0,1 0.2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 и, о.е.

Рис. 2. Кривые динамической устойчивости ПЭД-Я 90-117 М1В5 (1 - без ВКРМ; 2 - мощность ВКРМ 25 квар; 3 - 32,5 квар; 4 - 45 квар;

5 - 50 квар; 6 - 55 квар)

Анализ полученных кривых динамической устойчивости показал, что при увеличении мощности внутрискважинного компенсатора реактивной мощности происходит увеличение напряжения статической устойчивости погружного электродвигателя. Например, увеличение мощности ВКРМ с 25 до 32,5 квар приводит к увеличению напряжение статической устойчивости с 0,41 о.е. до 0,48 о.е, а при увеличении с 25 до 45 квар - с 0,41 о.е. до 0,55 о.е.

Одним из основных показателей устойчивости является коэффициент запаса устойчивости по напряжению, который рассчитывается по выражению [17, 19]

*общ

ку = ^ ,

где Ьуст - площадь области устойчивой работы, ограниченная кривой динамической устойчивости и единицей по оси напряжения; Ьобщ - площадь области, ограниченная единицей по оси напряжения и временем ввода резерва ^р=2 с по оси длительности провала напряжения.

Рассчитанные коэффициенты запаса устойчивости ПЭД по напряжению в зависимости от мощности ВКРМ приведены в табл. 2.

Таблица 2

Коэффициенты запаса устойчивости ПЭД по напряжению в зависимости от мощности ВКРМ

Явкрм, квар 0 25 32,5 45 50 55

ку 0,874 0,79 0,745 0,706 0,667 0,624

Физический смысл полученных коэффициентов запаса устойчивости можно трактовать следующим образом:

- кривая вероятности сохранения динамической устойчивости работы ПЭД при единичном внешнем возмущении и единичной вероятности срабатывания противоаварийной автоматики в питающей энергосистеме подчиняется экспоненциальному закону;

- чем больше мощность компенсирующей установки, тем ниже коэффициент запаса динамической устойчивости погружного асинхронного электродвигателя, то есть выше вероятность его опрокидывания и снижение возможности самозапуска при восстановлении электроснабжения.

Выводы

1. В ходе исследования получена математическая модель электротехнического комплекса энергоэффективной установки электроцентробежного насоса для добычи нефти, которая позволяет исследовать устойчивость погружного асинхронного электродвигателя при провалах питающего напряжения и различных значениях мощности компенсирующего устройства.

2. Установлено, что чем выше мощность внутрискважинного компенсатора реактивной мощности, тем выше напряжение статической устойчивости погружного электродвигателя.

3. При увеличении мощности внутрискважинного компенсатора реактивной мощности вероятность сохранения динамической устойчивости погружного электродвигателя при провалах напряжения снижается.

Список литературы

1. Вопросы энергоэффективности установок электроприводных центробежных насосов / В.Н. Ивановский [и др.] // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2016. № 4. С. 25-30.

396

2. Мартюшев, Д.Н. Комплексный подход к энергоэффективности при добыче нефти УЭЦН // Инженерная практика. 2011. № 6. С. 72-77.

3. Ивановский В.Н. Энергетика добычи нефти: основные направления оптимизации энергопотребления // Инженерная практика. 2011. № 6. С. 18-26.

4. Высоковольтный погружной двигатель мощностью 180 кВт. Первый опыт применения в России / Д.Б. Елисеев, Э.Г. Кулаев, Д.А. Коси-лов, С.Б. Якимов // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса: науч. -техн. журн. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2013. № 6. С. 46-50.

5. Якимов С.Б., Каверин М.Н., Тарасов В.П. О новых перспективах применения ПЭД с повышенным напряжением питания для снижения капитальных и операционных затрат // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса: науч.-техн. журн. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2015. № 4. С. 34-38.

6. Якимов С.Б., Каверин М.Н., Тарасов В.П. Анализ эффективности применения вентильных двигателей ПК «Борец» для снижения энергопотребления в «ТНК-ВР» // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса: науч.-техн. журн. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2011. № 3. С. 44-48.

7. Якимов С.Б., Каверин М.Н., Тарасов В.П. Оптимизация сечения кабеля УЭЦН - простая и эффективная технология энергосбережения // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса: науч.-техн. журн. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012. № 3. С. 53-57.

8. Якимов С.Б. Современное состояние и перспективные направления снижения тепловых потерь в кабельных линиях УЭЦН большой мощности в ОАО «НК «Роснефть» // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса: науч.-техн. журн. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2016. № 3. С. 40-46.

9. Копырин В. А. Индивидуальная компенсация реактивной мощности погружного асинхронного электродвигателя // Конференция «НЕФТЬ И ГАЗ 2016»: сборник трудов. М.: Издательский Центр РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. М. Губкина, 2016. С. 336-335.

10. Смирнов О.В., Копырин В.А. К вопросу об использовании внут-рискважинных компенсаторов реактивной мощности // Известия вузов. Нефть и газ. 2015. № 2. С. 68-70.

11. Внутрискважинный компенсатор реактивной мощности: пат. 145053 РФ. Опубл. 10.09.2014. Бюл. №25.

12. Погружной компенсатор реактивной мощности: пат. 159860 РФ. Опубл. 20.02.2016. Бюл. №5.

13. Погружная насосная установка с повышенным коэффициентом мощности: пат. 159811 РФ. Опубл. 20.02.2016. Бюл. №5.

14. Абрамович Б.Н. Динамическая устойчивость работы установок электроцентробежных насосов // Нефтяное хозяйство. 2010. № 9. С. 104106.

15. Лосев Ф.А., Мартьянов А.С., Сушков В.В. Оценка динамической устойчивости погружных установок электроцентробежных насосов // АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЭНЕРГЕТИКИ: материалы международной научно-практической конференции. 2017. С. 303-306.

16. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: учебник для электроэнергет. спец. вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1985. 536 с.

17. Ершов М.С., Егоров А.В., Трифонов А.А. Устойчивость промышленных электротехнических систем. М.: ООО «Издательский Дом «Недра», 2010. 319 с.

18. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. 9-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2002. 638 с.

19. Егоров А.В., Новоселова Ю.В. Устойчивость асинхронных многомашинных комплексов при внешних многопараметрических возмущениях // Промышленная энергетика. 2000. № 11. С. 24-27.

Копырин Владимир Анатольевич, специалист отдела, kopyrinvaagmail.com, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,

Лосев Федор Алексеевич, ассист., fedor losamail.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет

THE STABILITY RESEARCH OF THE SUBMERSIBLE ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR WITHDOWNHOLE COMPENSATOR

V.A. Kopyrin, F.A. Losev

The main goal of the article to determine the dynamic stability limit of the electric centrifugal pumps with downhole compensator. The mathematical model of the oil production facility electrotechnical complex in a two-phase rotating coordinate system d-q was developed. Also the dynamic stability curves of a submerged asynchronous electric motor were obtainedfor different values of capacity.

Key words: dynamic stability, submersible induction motor, energy, oil well, down-hole compensator.

Kopyrin Vladimir Anatolevich, specialist of the department, kopyrinvaagmail.com, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen,

Losev Fedor Alekseevich, assistant, fedor los a mail.ru, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen