Технические науки / Энергетика

Артыкаева Э.М.

Альметьевский государственный нефтяной институт

Повышение энергоэффективности нефтедобывающих станков-качалок нефти с применением вентильных электродвигателей вращательного движения

При эксплуатации нефтяных месторождений широко применяется добыча нефти с помощью скважинных штанговых насосных установок (СШНУ). В России такими установками оснащено около 60% всех действующих скважин. Простота обслуживания и надежность СШНУ, а также возможность их применения в осложненных горно-геологических условиях вывели этот способ добычи на ведущее место в нефтедобывающей отрасли и сделали его самым распространенным способом добычи нефти, как в нашей стране, так и за рубежом. В основу этого способа положено использование насоса возвратно-поступательного действия, опускаемого в скважину и приводимого в движение приводом, расположенным на поверхности. С учетом современных требований энергоресурсосбережения все более актуальной становится задача улучшения энергетических характеристик нефтедобывающего оборудования

В настоящее время в СШНУ широко применяют привод на основе нерегулируемого асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором. Основным достоинством асинхронного электродвигателя является простота его конструкции, надежность и невысокая стоимость. Однако такой электропривод (ЭП) обладает рядом существенных недостатков:

- сложная кинематическая схема, обусловленная необходимостью преобразования высокоскоростного вращательного движения в возвратно-поступательное движение с низкой скоростью;

- невысокие энергетические показатели ЭП в совокупности с механизмом (КПД, cosφ);

- отсутствие регулирования частоты вращения, что не позволяет выбрать оптимальный режим работы;

- необходимость периодического обслуживания механизмов ЭП (редуктор, ремень);

- большие габаритные и масса.

В последнее время в связи с достижением в области высокоэнергетических постоянных магнитов, а также полупроводниковой силовой и микропроцессорной техники появились новые более эффективные бесконтактные вентильные двигатели (ВД) с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов [1]. Основными преимуществами ЭП на базе вентильных электродвигателей по сравнению с АД являются:

- весьма высокая кратковременная перегрузочная способность по моменту, достигающая 5-10 кратного значения от номинального;

- более высокие энергетические показатели (cosφ=1, η=0,85÷0,98);

- существенно меньшие масса и габариты.

Для оценки конкретных преимуществ применения ВД по сравнению с АД обратимся к динамограммам СШНУ. Динамограмма СШНУ представляет собой зависимость нагрузки на полированный шток от его положения. На рисунке 1 а представлен пример такой динамограммы, полученной на действующем оборудовании. Характер динамограммы определяется такими факторами, как длина хода полированного штока, действующие на него усилия, глубина спуска насоса, диаметр насоса, число качаний в единицу времени [2]. Динамограмма позволяет определить гидростатические нагрузки на плунжер, а также диагностировать состояние и характер нарушений в погружном оборудовании. Дополнительные сведения о работе СШНУ могут быть получены из ваттметрограммы, пример которой, совмещенной с соответствующей ей динамограммой, развернутой во времени, представлен на рисунке 1 б. Преимущества ваттметрограмм для анализа энергетических показателей оборудования приведены в работе [3].

Из динамограммы, рисунок 1 б [3], видно, что в течение одного цикла работы СШНУ нагрузка на штоке меняется ориентировочно от 35 до 55 кН, т.е. в ≈1,6 раза. Из соответствующей ей ваттметрограммы следует, что потребляемая АД мощность при этом изменяется от 1,6 до 11,25 кВт, т.е. в 7 раз. При максимальной потребляемой мощности 11,25 кВт в приводе СШНУ для обеспечения запаса по максимальному моменту использовался АД номинальной мощностью 18 кВт. Для обеспечения необходимой перегрузочной способности АД следует выбирать завышенной номинальной мощности, ориентировочно в 1,5 ÷ 2 раза.

а)	б)

Рисунок 1 – Контроль работы СШНУ
а) динамограмма, б) ваттметрограмма, совмещённая с развёрнутой динамограммой

Особенность применения ВД в приводах СШНУ состоит, прежде всего, в том, что его номинальная мощность может быть в 2 ÷ 3 раза меньше чем у АД при обеспечении одной и той же перегрузочной способности по моменту. Для наглядности в таблице 1 сопоставлены некоторые характеристики серийно выпускаемых асинхронных и вентильных двигателей.

Из таблицы 1, например, следует, что ВД 5ДВМ 165М имеет номинальную мощность в 2 раза и номинальный момент в 1,65 раза меньше, чем АД 4А100 L4. В то же время максимальный момент в режиме пятикратной перегрузки у ВД 5ДВМ 165М составляет 85 Нм, это выше, чем у АД 4А100 L4. Энергетический КПД у 5ДВМ 165М на 22% выше, чем у 4А100L4.

Таблица 1. Технические характеристики серийных электродвигателей

Тип двигателя	Р2ном. кВт	nном. об/мин	Мном. Н м	Cos φ	η %	m кг
АД – 4А100 L4	4	1430	28	0,84	84	56
ВД – 5ДВМ165М	2,5	1500	17	1	92	25
АД – 4А160 М4	18,5	1465	120	0,87	87,5	160
ВД – 5ДВМ215S	7	2000	35	1	90	60
АД - 4Ф180М4	30	1460	196	0,87	90	195
ВД – 5ДВМ215L	14	2000	70	1	91	70

При этом масса и габариты двигателя 5ДВМ 165М меньше в 2 раза, чем у 4А100L4. Однако стоимость двигателя 5ДВМ 165М, выпускаемого мелкими сериями, существенно выше, чем АД типа 4А100L4 в условиях крупносерийного производства. Для более корректного сравнения необходимо принять во внимание более высокую стоимость электронного блока управления АД (АД для сравнения с ВД должен быть также регулируемым), а также учитывать эксплуатационные расходы и затраты на электроэнергию. Расчетные оценки показывает, что использование ВД взамен АД (таблица 1) даст экономию в потреблении электроэнергии за год до 30 тысяч кВт*час.

Проведя сравнительный анализ СШНУ с приводами на базе АД и ВД вращательного движения можно отметить следующее, что применение ВД позволит уменьшить номинальную мощность и габариты электродвигателя, а также потери электроэнергии ориентировочно в 2 раза.

Литература:

1. Нестерин В.А., Жуков В.П. / Высокомоментные электродвигатели серий 5ДВМ //Электротехника - 2000.- №6 – c. 17-19.

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

3. Чаронов В.Я., Средства автоматизации технологических установок нефтегазодобывающих предприятий / В.Я. Чаронов, М.И. Альтшуллер, В.С. Генин, А.Г. Иванов и др. под редакцией Генина В.С.– Чебоксары: изд-во «Офисная полиграфия», 2002. – 272 с.