CC BY
81
УДК 621.313.333:62-83
РАЗРАБОТКА НАБЛЮДАТЕЛЯ ПОЛНОГО ПОРЯДКА С ОПЕРАТИВНЫМ МОНИТОРИНГОМ МОМЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОГРУЖНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Глазырин Александр Савельевич1,
asglazyrin@tpu.ru
Кладиев Сергей Николаевич1,
kladiev@tpu.ru
Афанасьев Кирилл Сергеевич1,
afanks@tpu.ru
Тимошкин Вадим Владимирович1,
timoshkinvv@tpu.ru
Слепнёв Иван Георгиевич1,
slepnev.i@mail.ru
Полищук Владимир Иосифович2,
polischuk_vi@mail.ru
Sëndor Hal¿sz3,
halasz.sandor@vet.bme.hu
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.
2 Самарский государственный технический университет, Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244.
3 Будапештский университет технологии и экономики, Венгрия, Н-1111, Будапешт, Jozef й. 18.
Актуальность. Эксплуатация установок электроцентробежных насосов для скважинной добычи нефти осложняется рядом факторов, к которым в первую очередь следует отнести газовые включения в откачиваемой жидкости, присутствие асфальтосмоло-парафиновых отложений, вынос песка и других абразивных частиц, осаждение различных солей на рабочие органы погружных насосов, в частности таких, как карбонат кальция CaCO3, сульфат кальция CaSO4, сульфат бария BaSO4 и хлорид натрия NaCl. По мере работы погружного насоса в этих условиях постепенно увеличивается момент сопротивления нагрузки с общим снижением коэффициента полезного действия насоса вплоть до частичного или полного заклинивания вала. Увеличение момента сопротивления при подклинивании дополнительно статически нагружает и стенки насосно-компрессорных труб. Наличие газовых включений приводит к нарушению стационарности потока закачиваемой жидкости, и вследствие этого появляются дополнительные напряжения знакопеременного характера в стенках насосно-компрессорных труб. В ряде случаев происходит усталостное разрушение насосно-компрессорных труб и «полёт» погружного оборудования в устье скважины. Исходя из вышеописанного, появляется необходимость разработки методов и средств мониторинга момента сопротивления нагрузки на валу погружного асинхронного двигателя в режиме реального времени. Прямое измерение с помощью датчика момента или восстановления оценок момента по электрическим измерениям непосредственно на клеммах погружного асинхронного двигателя не представляется целесообразным по технико-экономическим соображениям. Наиболее перспективным является разработка наблюдателя полного порядка, учитывающего свойства погружного кабеля с помощью замеров токов и напряжений на выходе повышающего трансформатора - на входе кабельной линии. Исследование работоспособности такого наблюдателя оригинальной структуры представляет научный и практический интерес.
Цель исследования: разработка и апробирование на математических моделях оригинальной структуры наблюдателя полного порядка с оперативным мониторингом момента сопротивлении нагрузки для погружных асинхронных двигателей, пподключен-ных к источнику питания по длинному кабелю.
Методы исследования основаны на использовании теории наблюдателей полного порядка, численных методов решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений, методов численного интегрирования, теории автоматического управления, теории фильтрации сигналов.
Результаты. Предложена оригинальная структура наблюдателя полного порядка с оперативным мониторингом сопротивления нагрузки на валу погружного асинхронного двигателя, подключенного к источнику питания по длинному кабелю. Для функционирования наблюдателя необходима информация о величине токов и напряжений на входе питающего кабеля, а также сигналы об оценках параметров схемы замещения и момента инерции от дополнительного устройства - идентификатора параметров (в данной статье не рассматривался). Продемонстрировано, что структура наблюдателя предоставляет пользователю оценки ортогональных проекций в осях а, 3 потокосцепления ротора, угловой частоты вращения, крутящего момента и момента сопротивления нагрузки на валу погружного асинхронного двигателя в реальном времени, как в установившихся, так и в переходных режимах: пуска, наброса и сброса нагрузки. Достоинствами наблюдателя являются высокие показателя качества оценивания при малом количестве настраиваемых параметров и относительной простоте настройки. Показано, что применение фильтров-постфильтрато-
ров по схеме Баттерворта улучшает качество оценки момента сопротивления нагрузки на валу погружного электродвигателя. Наличие сигналов оценок проекций потокосцепления ротора и угловой частоты вращения ротора позволяет рекомендовать такой наблюдатель для электроприводов, выполненных по схеме «преобразователь частоты - асинхронный двигатель». Исследования показали, что интегральные погрешности оценивания при отработке наблюдателем затяжных переходных процессов находятся на приемлемом уровне: по оценке угловой скорости, не превышают 0,5 %, а по оценке момента нагрузки на валу не более 19 %. Ошибка оценивания в установившихся режимах и при отсутствии изменений параметров составляет менее 1 %.
Ключевые слова:
Скважина, электроцентробежный насос, длинный кабель, погружной асинхронный двигатель, наблюдатель полного порядка, оценка угловой скорости, оценки проекций потокосцепления ротора в ортогональной системе координат а, р, мониторинг момента сопротивления.
Введение
Российская федерация является крупным экспортером газа и нефти. На мировом рынке доля России по экспорту нефтепродуктов составляет 10 % от общего объема [1]. Современные прогнозы показали, что спрос на энергоресурсы с каждым годом увеличивается.
На данный момент положение России на мировом рынке «черного золота» можно охарактеризовать как сложное. В 2016 г. цены на нефть опускались до 27 долларов за баррель [2]. Крупные нефтедобывающие компании на территории России пришли к выводу - чтобы остаться на плаву необходимо снижать себестоимость добычи нефти. Конкурировать России по добыче «черного золота» со странами Персидского залива достаточно сложно ввиду более благоприятных условий в этом регионе: преобладание легких фракций в составе нефти, низкая глубина её залегания, теплый климат, транспортная доступность месторождений.
Для повышения эффективности в нефтяной промышленности необходимо повышать надежность, энергосбережение и качество регулирования силовых установок [3].
К перспективным направлениям исследований относится повышение эффективности эксплуатации установок электроцентробежных насосов (УЭЦН). При работе в агрессивных условиях технико-экономические показатели УЭЦН меняются, что приводит к увеличению затрат и к снижению общего объема добычи нефти на месторождении. Продолжительная эксплуатация УЭЦН в неблагоприятных условиях может привести к выходу установки из строя ранее срока его службы. Анализ работы [4] показал, что основными причинами отказов УЭЦН являются: 8...22,5 % засорение электроцентробежных насосов (ЭЦН) механическими примесями; засорение ЭЦН проппантом 5.10%, снижение сопротивление изоляции 8.10 % [5]; снижение производительности (износ) 6.17,5 %; заклинивание установки 9.18 %, негерметичность насосно-компрессорных труб (НКТ) 6.8 %; снижение притока из пласта 4.7 %; другие причины 7.15 %.
Существует два основных типа заклинивания вала насоса - мягкое и жесткое. К жесткому заклиниванию вала УЭЦН относится образование со-леотложений в рабочих органах центробежного насоса. При попытке устранить такое заклинива-
ние может произойти срез шпонок или деформация вала [6]. Мягкое заклинивание обычно вызвано заиливанием, засорением и устраняется путем реверса погружного асинхронного электродвигателя (ПЭД) с постепенным увеличением момента. Подобная проблема заклинивания роторов (их взаимного сцепления) возникает и в центрифугах со шнековой выгрузкой осадка при подготовке буровых растворов, а также при очистке растворов урана от механических примесей в ядерно-химической отрасли [7].
Анализ механических характеристик насоса и погружного двигателя при заклинивании показал, что увеличение момента на валу двигателя возможно до максимального значения, равного критическому моменту. В предельных режимах работы обмотки погружного электродвигателя подвержены сильному тепловому нагреву, что снижает допустимую продолжительность работы ПЭД в режиме перегрузки по току и моменту [8]. Помимо этого существенные знакопеременные колебания момента на валу двигателя воспринимаются колонной НКТ, в стенках которых постепенно накапливаются усталостные напряжения, что в конечном итоге может привести к аварийному разрыву труб по самому нагруженному сечению и к так называемому «полету», т. е. неконтролируемому падению части НКТ с ПЭД в скважину.
Для контроля расклинивания вала ЭЦН необходимо измерять момент на валу ПЭД и его угловую скорость. Установка дополнительного датчика момента и датчика угловой скорости на вал погружного двигателя приведет как к дополнительным трудностям в наладке и эксплуатации блока погружной телеметрии, так и к значительному увеличению стоимости УЭЦН [9]. Зарубежные [10-14] и отечественные работы показали [15-17], что момент на валу двигателя и угловую скорость можно успешно определять косвенными методами с помощью наблюдателя на основе измеренных данных с датчиков токов и напряжений. В упомянутых исследованиях влияние кабельной линии на работу наблюдателя подробно не рассматривалось. В виду того, что длина кабельной линии может достигать величины более двух километров, измеренные на поверхности токи и напряжения на входе питающего кабеля будут отличаться от тех же величин, которые были бы получены путем непосредственного измерения на клеммах по-
гружного двигателя. Для решения данной проблемы необходимо разработать работоспособную структуру наблюдателя полного порядка с оперативным мониторингом момента сопротивления для погружных асинхронных электродвигателей с учетом влияния кабельной линии и проверить эту структуру на адекватность получаемых оценок.
Разработка и проверка работоспособности метода оценивания угловой скорости и момента на валу погружного двигателя
Математическая модель наблюдателя момента нагрузки и угловой частоты вращения представлена в виде двух систем дифференциальных уравнений (1) и (2), где в (1) учитываются особенности погружного асинхронного двигателя, а в (2) - особенности кабельной линии.
Система дифференциальных уравнений (1) имеет пять переменных состояния: оценка проекций вектора тока статора ¿1а, ¿1/3, оценки проекции вектора потокосцепления ротора Чр2а, Ч/, оценка угловой скорости (о ротора АД, выходной сигнал интегратора илш, который позволяет добиться приемлемых показателей оценивания частоты вращения и момента нагрузки.
=_Lula k(t)-^Ut)+ЩU*®+
dt oL1 oL1 oL1L2
+-L-zP®{u2p(t)+kjL(hk a(t)-
oL1L2 oL1
dhß (t) = _!_ üiß_ k (t) - R^ liß (t)+щ £ 2ßit) -
oL1 oL1 о L1L2
dt
L
L T-Zr042a($) +L (ht ß(t) - ' 1ß(tЖ oL1L2 L1
^^ = -^ £2„ (t) + R2Lm}la (t) - zp U<U2ß (t);
dt
L2
d £ 2ß(t) R
= --2- £ 2ß(t) + -
RL
dt L2 L2
'-iiß(t) + zm£2a(t);
d U(t) 3LmZpkm ( £ 2аШкк _ ß(t) - hß(t))
dt 2 J L2 i_£ 2ß(t )(ilt _a(t) - i la(t)) + UЛ2.И (t
dUл2.и (t) l 3LmzB f£2a(t)(iik ß(t) -hß(t)) -)
dt
Тл2 2J3L2 2ß(t)(ilk a(t) -i 1a(t))
(1)
где 01а д1р к(^ - оценки проекций вектора напряжения в осях а, / на клеммах погружного асинхронного двигателя - на выходе кабельной линии; ТЛ2, кЛ1/3, кЛ1а, кЛ2 - настроечные коэффициенты наблюдателя; Ь=Ь1а+Ьт - эквивалентная индуктивность обмотки статора; Ьг=Ь'2а+Ьт - эквивалентная индуктивность обмотки ротора; Ь1а - индуктивность рассеяния обмотки статора; Ь'2а - приведенная к статору индуктивность рассеяния обмотки ротора; Ьт - результирующая индуктивность, обусловленная магнитным потоком в воз-
душном зазоре машины; Кг - приведенное сопротивление ротора; Я1 - активное сопротивление ста-
тора; zp - число пар полюсов; о = 1 -
LL L1L2
коэф-
фициент рассеяния; Щ = R + Щ ~t - эквивалент-
L2
ное активное фазное омическое сопротивление;
oL1
T =-
R
электромагнитная постоянная времени
статора.
Общая система дифференциальных уравнений, учитывающая влияние кабельной линии в нормальной форме Коши:
й1\к а (О
dt
= -^[Ubx a(t) - i1k_a(t)RiK U la _k (t)];
dUla_k (t) 1
Cr
dt
dilk _ ß(t)
■ Ulkk (t) i (t)
llk _a(t)---lla(t)
R2
dt
= -^[Ubx, B(t) -hk_ß(t)RiK -Uiß_k (t)];
dUiß_ k (t)
dt
CK
ik ß(t) - ^ - ißt) R
(2)
где Г1к а(^, Г1к ^) ,- оценки проекций вектора тока в кабельной линии; !71а ¡1^) !713 к(^ - оценки проекций вектора напряжения на выходе кабельной линии; Е1К - активное сопротивление кабельной линии; ЬК - индуктивное сопротивление кабельной линии; СК - емкостное сопротивление кабельной линии; Я2К - сопротивление изоляции.
На основе дифференциальных уравнений составлена структурная схема наблюдателя (рис. 1), где электромагнитная постоянная времени ротора
Ь.
Т2
2 Я2
Проверка адекватности работы идентификатора угловой скорости и момента на валу погружного двигателя на имитационной модели
Для проверки работоспособности наблюдателя угловой скорости был выбран погружной электродвигатель ПЭДН 40-117 [18] с параметрами схемы замещения, приведёнными в табл. 1.
При моделировании был выбран погружной кабель КПБП-90 с параметрами, представленными в табл. 2, который активно используется для погружных электродвигателей в нефтяной промышленности. Электрическое сопротивление изоляции, пересчитанное из погонного сопротивления на 1 км длины, составило 2500 МОм.
2
K
K
Рис. 1. Структурная схема наблюдателя полного порядка для погружного асинхронного двигателя, подключенного к источнику питания по длинному кабелю
Fig. 1. Schematic structure of a full order state observer for submersible induction motor power supplying from long cable
Таблица 1. Параметры погружного асинхронного электродвигателя ПЭДН 40-117
На рис. 2 представлены переходные процессы угловой скорости ротора ПЭД и ее оценки, из кото-
PEDN40-117
Table 1. Parameters of submersible induction motor рых видно, что наблюдатель отрабатывает траекторию пуска, наброса и сброса нагрузки. Максимум частичного интеграла для расчёта ошибки оценивания по угловой скорости наблюдателя находится в начале процесса пуска, затем величина частичного интеграла постепенно снижается (рис. 3).
R, Ом/Ohm Le, мГн/mH R' Ом/Ohm Lie Гн/mH Lm, Гн/mH J, Kr^/kg-m2 zp
2,995 8,493 1,167 0,011 0,211 2,63 2
Таблица 2. Параметры схемы замещения погружного кабеля марки КПБП
Table 2. Parameters of circuit diagram for KPBP type long cable
Дю,%
Пуск
Длина, м/Length, m R1k, Ом/Ohm LK, мГн/mH CK, мкФ/uF
2000 2,2 1,23 1,19
œ, рад/с
300
200
100
Наброс нагрузки
œ„
Сброс нагрузки
t (c)
Наброс нагрузки
0
5
10
15
20
0
0 5 10 15 20
Рис. 3. Переходный процесс частичных интегралов для расчета интегральной ошибки оценивания по скорости
Fig. 3. Transient process of partial integrals for calculating the integral error of speed estimation
Из рис. 4 видно, что в переходном процессе
Сброс нагрузки
Рис. 2. Переходные процессы угловой скорости ротора ПЭД оценки момента сопротивления нагрузки присут-и ее оценки ствует колебательная составляющая, которая су-
щественно влияет на интегральную ошибку оценивания (рис. 5). Для уменьшения ошибки оценива-
Fig. 2. Transient processes of submersible induction motor speed and speed estimation
0
ния было предложено ввести постфильтрацию сигнала оценивания момента сопротивления нагрузки по схеме Баттерворта. На рис. 4, 5 представлены сигналы оценки М с01 и интегральной ошибки ДМс01 без фильтрации, Мс02, ДМс02 - сигналы, полученные с первой ступени фильтра-постфильтра-тора, где постоянная времени фильтра Тф1=0,1 с; Мс03, ДМс03 - сигналы, полученные со второй ступени фильтра-постфильтратора, где постоянные времени первой и второй ступеней Тф1=0,1 с, Тф2=0,1 с; Мс02, ДМс04 - сигналы, полученные с третьей ступени фильтра-постфильтратора, где постоянные времени первой, второй и третьей ступеней Тф1=0,1 с, Гф2=0,1 с, Гф3=0,1 с.
M, Нм
200.
Сброс нагрузки
100
ДМ,%
Сброс нагрузки
0
0
Рис. 5.
5
10
15
20
тока, так и в оценке потокосцепления присутствует небольшие колебания.
Рис. 7 показывает, что с учётом влияния кабельной линии напряжение на клеммах двигателя меняется в зависимости от текущей нагрузки на валу двигателя.
¥•50, Вб
I, А
100
Сброс нагрузки
50
0
0 5 10 15 20
Рис. 6. Переходные процессы результирующих модулей векторов тока статора и потокосцепления ротора и их оценок
Fig. 6. Transient processes of resulting modules of stator current vectors and rotor flux vectors and their estimations
U, В
Пуск
Рис. 4. Переходные процессы сигнала момента нагрузки на валу и его оценок на различных ступенях фильтра-постфильтратора
Fig. 4. Transient processes of the load torque signal on the shaft and its estimations at different stages of the filterpost-filter
600
400
200
0'
Наброс
J v-i
\ U \Цд UBx \
t (c)
Сброс нагрузки
Переходные процессы частичных интегралов для расчета интегральной ошибки оценивания момента нагрузки на различных ступенях постфильтратора
Fig. 5. Transient process of partial integrals for calculating the integral error of the load torque estimation at different stages of the filter-post-filter
На рис. 6. представлены переходные процессы вспомогательных координат для получения итоговых оценок угловой частоты вращения и момента нагрузки. Как в оценке результирующего модуля
0 5 10 15 20
Рис. 7. Переходные процессы результирующих модулей векторов питающего напряжения, напряжения на клеммах погружного асинхронного двигателя и его оценки
Fig. 7. Transient processes of the resulting modules of supply voltage vectors, voltage at the terminals post of a submersible induction motor and their estimations
Эффективность работы наблюдателя угловой скорости и момента нагрузки подтверждают данные табл. 3. Максимальная ошибка оценивания угловой скорости и момента нагрузки в статике не превышает 1 %, а в динамике не более 20 %. Вычисление интегральной ошибки в динамике производилось по следующему выражению:
Д®и =-
СОНЕЧ
J ю(0-ю(0 dt
%АЧ_
tKOHE4
J \m(t)| dt
-100 %,
где ¿нач и ¿конеч - начальный и конечный момент интервала интегрирования в течение переходного процесса.
Таблица 3. Сводная таблица погрешностей оценивания угловой скорости и момента нагрузки на валу погружного электродвигателя в статике и динамике
Table 3. Table of errors in estimation of speed and load torque on the shaft of a submersible induction motor in static and dynamic
Статика/Static Динамика/Dynamic
А ои АМ А о И АМи
%
0,002 0,1777 0,4774 18,62
0,002 0,1529 0,4774 13,99
0,002 0,024 0,4774 12,54
0,002 0,033 0,4774 13,39
Рекомендуемые меры по повышению эффективности разработанного наблюдателя при программно-алгоритмической реализации
Внедрение предложенного наблюдателя в техпроцесс механизированной добычи нефти с помощью установок ЭЦН предполагает большие перспективы повышения эффективности добычи при учёте особенностей компоновки силового канала электропривода. При программно-алгоритмической реализации разработанного наблюдателя необходимо учитывать следующие рекомендации:
1. Следует обеспечить существенное преобладание основной гармоники в спектральных составах тока и напряжения в питающем кабеле и в статоре погружного асинхронного двигателя. В настоящее время для этого во многих отечественных и зарубежных УЭЦН применяют специальные устройства, так называемые «синус-фильтры», которые включаются между выходами автономного инвертора напряжения, работающего в режиме широтно-импульсной модуляции, и входными обмотками повышающего трансформатора [19, 20]. Несоблюдение этого требования может вызвать необходимость рассмотрения волновых процессов в погружном кабеле, что существенно усложнит как структуру наблюдателя, так и процесс его настройки.
2. Работоспособность наблюдателя предложенной структуры может быть гарантирована только при условии поступления в наблюдатель в ре-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рыженко В.Ю. Нефтяная промышленность России: состояние и проблемы // Перспективы Науки и Образования. - 2014. -№ 1. - С. 300-308.
2. Етирмишли К.Э. Причины падение цен на нефть // Новая наука: Опыт, традиции, инновации. - 2016. - № 6-1. -С. 115-117.
3. Букреев В.Г., Сипайлова Н.Ю., Сипайлов В.А. Стратегия управления электротехническим комплексом механизированной добычи нефти на основе экономического критерия // Известия
жиме реального времени сигналов об оценках параметров схемы замещения и момента инерции от дополнительного устройства - идентификатора параметров (в данной статье не рассматривался). Этот идентификатор авторы рекомендуют выполнять по методике, изложенной в статье [21].
Выводы
1. Показана актуальность и целесообразность разработки наблюдателя полного порядка с оперативным мониторингом момента сопротивления для погружных асинхронных электродвигателей, как перспективного средства профилактики заклинивания вала электроцентробежных насосов при добыче нефти в осложнённых условиях.
2. Разработана структура наблюдателя полного порядка с оперативным мониторингом момента сопротивления для погружных асинхронных электродвигателей, учитывающая параметры схемы замещения и переменные состояния питающего кабеля - тока на входе и напряжения на выходе.
3. Проверка работоспособности разработанного наблюдателя на основе математического моделирования погружных асинхронных электродвигателей с учётом влияния длинного кабеля показала, что полученные оценки момента сопротивления на валу являются устойчивыми и несмещенными, интегральная среднеквадрати-ческая ошибка оценивания при отработке переходных процессов находится на приемлемом для практики уровне: интегральная погрешность оценивания момента сопротивления нагрузки на валу ПЭД в статике не превышает 0,2%, а в динамике - не более 19%; интегральная погрешность оценивания угловой частоты вращения вала ПЭД в статике не превышает 0,002%, а в динамике - не более 0,5%.
4. Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанный наблюдатель к внедрению в случаях подавляющего преобладания основной гармоники в спектре напряжения на входе питающего ПЭД кабеля, что в настоящее время в основном обеспечивается в интеллектуальных станциях управления УЭЦН, оборудованных синус-фильтрами на выходе автономного инвертора напряжения, работающего в режиме ШИМ-модуляции.
Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2017. - Т. 328. - № 3. - С. 75-84.
4. Корабельников М.И., Корабельников А.М. Об основных причинах отказа УЭЦН и методах увеличения наработки на отказ на месторождениях Западной Сибири // Опыт, актуальные проблемы и перспективы развития нефтегазового комплекса: Материалы V региональной научно-практической конференции обучающихся ВО, аспирантов и ученых. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2015. - С. 241-249.
5. Оценка остаточного ресурса изоляции погружного электродвигателя установок электрических центробежных насосов добы-
чи нефти при воздействиях импульсных перенапряжений / В.В. Сушков, В.В. Тимошкин, И.С. Сухачев, С.В. Сидоров // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2017. - Т. 328. - № 10. - С. 74-80.
6. Escobar J.A., Romero A.F., Lobo-Guerrero J. Failure analysis of submersible pump system collapse caused by assembly bolt crack propagation by stress corrosion cracking // Engineering Failure Analysis. - 2016. - V. 60. - P. 1-8.
7. Kladiev S.N., Slobodyan S.M., Pishchulin V.P. Automation of preparation of uranium solutions // Tsvetnye Metally. - 2014. -№8. - P. 77-82.
8. Research on intelligent power supply control based on sensor-less temperature identification of Electric Submersible Motor / H. Zhang, J. Yu, Q. Jiang, L. Wang, D. Xu // Green World with Power Electronics: 9th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia. - Seoul, Korea, 2015. - Paper № 7168168. -P. 2802-2807.
9. Ведерников В.А., Гапанович В.С., Козлов В.В. Особенности применения погружных электроцентробежных насосов на нефтяных месторождениях Среднего Приобья // Вестник кибернетики. - 2008. - № 7. - С. 27-32.
10. Herman I., Vaclavek P. Load torque and moment of inertia observability analysis for alternating current drive sensorless control // Industrial Electronics Conference (IECON) Proc. - Montreal, Quebec, Canada, 2012. - Paper № 6388917. - P. 1864-1869.
11. Binder B.J.T., Pavlov A., Johansen T.A. Estimation of flow rate and viscosity in a well with an electric submersible pump using moving horizon estimation // IFAC Workshop on Automatic Control in Offshore Oil and Gas Production, OOGP 2015 Proc. - Flo-rianopolis, Brazil, 2015. - V. 28. - Iss. 6. - P. 140-146.
12. Rabbi S.F., Constantine M., Rahman M.A. A novel sensorless IPM motor drive for electric submersible pumps // IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC. - Miami, FL, USA, 2017. - Conference Paper № 8002199. - P. 1-8.
13. Messaoudi M., Sbita L. Sensorless direct torque and flux control of induction motor based on MRAS and Luenberger observer // International Conference on Green Energy and Conversion Sy-
stems, GECS 2017. - Hammamet, Tunisia, 2017. - Conference Paper № 8066224. - P. 1-7.
14. Online robust estimation of flux and load torque in induction motors / M. Bahloul, L. Chrifi-Alaoui, A.N. Vargas, M. Chaabane, S. Drid // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. -2017. - V. 94 (5-8). - P. 2703-2713.
15. Афанасьев К.С., Глазырин А.С. Наблюдатель полного вектора состояния и момента нагрузки асинхронного электродвигателя // Электротехнические комплексы и системы управления. -2013. - № 4. - С. 24-30.
16. Лысенко О.А. Наблюдатель момента нагрузки асинхронного двигателя с двойной беличьей клеткой ротора // Омский научный вестник. - 2016. - № 5. - С. 85-89.
17. Серьёзнов Ю.В. Моделирование электропривода с наблюдателем // Science Time. - 2016. - № 11 - С. 466-470.
18. Моделирование привода погружного насоса интеллектуальной скважины / А.В. Федотов, В.Г. Хомченко, В.В. Жильцов, А.Н. Компанейц, Н.Г. Скабкин. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012.- 175 с.
19. Design and implementation of position sensorless starting control in industrial drives with output filter and transformer for oil/pump applications / J. Liu, J. Dai, S. Royak, P. Schmidt, E. Al-Nabi, T. Nondahl // Proc. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC, 2017. - Tampa, FL, USA, 2017. - Conference Paper № 7930752. - P. 578-584.
20. Guzinski J., Abu-Rub H. Sensorless induction motor drive with voltage inverter and sine-wave filter // IEEE International Symposium on Sensorless Control for Electrical Drives and Predictive Control of Electrical Drives and Power Electronics. - Munchen, Germany, 2013. - Conference Paper № 6684503. - P. 1-8.
21. Боловин Е.В., Глазырин А.С. Метод идентификации параметров погружных асинхронных электродвигателей установок электроприводных центробежных насосов для добычи нефти // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2017. - Т. 328. - № 1. - С. 123-131.
Поступила 12.02.2018 г.
Информация об авторах
Глазырин А.С., доктор технических наук, доцент отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Кладиев С.Н., кандидат технических наук, доцент отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Афанасьев К.С., кандидат технических наук, старший преподаватель отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Тимошкин В.В., кандидат технических наук, ассистент отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Слепнёв И.Г., магистрант отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Полищук В.И., доктор технических наук, заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий Самарского государственного технического университета.
Sandor Halasz, PhD, профессор Будапештского университета технологии и экономики.
UDC 621.313.333:62-83
DESIGN OF FULL ORDER OBSERVER WITH OF LOAD TORQUE FOR SUBMERSIBLE
Alexander S. Glazyrin1,
asglazyrin@tpu.ru
Sergey N. Kladiev1,
kladiev@tpu.ru
Kirill S. Afanasiev1,
afanks@tpu.ru
Vadim V. Timoshkin1,
timoshkinvv@tpu.ru
Ivan G. Slepnev1,
slepnev.i@mail.ru
Vladimir I. Polishchuk2,
polischuk_vi@mail.ru
Slndor Halasz3,
halasz.sandor@vet.bme.hu
1 National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia.
2 Samara State Technical University, 244, Molodogvardeyskaya street, Samara, 443100, Russia.
3 Budapest University of Technology and Economics, H-1111, Jozef ut 18, Budapest, Hungary.
The operation of electric submersible pump for oil wells is complicated by a number of factors, which include gas inclusions in the pumped liquid, the presence of asphalt and tar paraffin sedimentation, raising of sand and other abrasive particles, deposition of various salts on the working parts of submersible pumps, in particular, calcium carbonate CaCO3, calcium sulfate CaSO4, barium sulfate BaSO4 and sodium chloride NaCl. As the submersible pump operates under these conditions, the load torque gradually increases, with total decrease in the efficiency of the pump up to a partial or full jamming of the shaft. The increase in the load torque during the wedging additionally statically loads the walls of the tubing. The presence of gas inclusions leads to disturbance in the stationary of the flow of injected liquid, and as a consequence, additional stresses of alternating character appear in the walls of the tubing in a wide range of vibrations. In a number of cases the fatigue destruction of tubing and «downfall» of submersible equipment occur at the wellhead. Therefore, it is time to develop the methods and means for monitoring the load torque on the shaft of a submersible induction motor in real time. Direct measurement with the help of a torque sensor or the restoration of torque estimates by electrical measurements directly on the terminals of a submersible induction motor is not advisable for technical and economic reasons. The most promising is the development of a full order state observer, taking into account the properties of the submerged cable by measuring the currents and voltages at the output of the step-up transformer - at the input of the cable line. Setting up such an observer of the original structure is of scientific and practical interest.
The aim of research is to develop and test the mathematical models of the original structure of the full-order state observer with the real time monitoring of the load torque for submerged induction motors feeding on a long submersible cable.
The main material and studies are based on the use of the theory of full order state observers, numerical methods for solving systems of ordinary differential equations, numerical integration methods, automatic control theory, and the theory of signal filtering. Conclusion and outlines. The original structure of the full order state observer is proposed with on-line monitoring of the load torque on the shaft of a submersible induction motor power supplying from a long cable. For observer functioning, one need the information on the magnitude of currents and voltages at the input of the submersible motor cable, as well as signals on the estimates of parameters of the replacement circuit and the moment of inertia from the additional device, the parameter identifier (not discussed in this article). It is demonstrated that the structure of the observer provides the user with estimates of the orthogonal projections in the axes a, Pof the rotor flux coupling, the speed, the torque and the load torque on the shaft of the submersible induction motor in real time, both in steady-state conditions and in transient regimes: starting motor, on-off loading. The advantage of the observer is a high indicator of the quality of the evaluation with a small number of configurable parameters and rather simple setting. It is shown that the use of filterpost filters according to the Butterworth scheme improves the quality of evaluation of the load torque on the shaft of a submersible motor. The presence of signals evaluating the projections of the rotor flux linkage and the speed of the rotor makes it possible to recommend such an observer for electric drives made according to the scheme «frequency converter - induction motor». The studies shown that the integral errors of estimation during the observer working out of protracted transient processes are at an acceptable level: according to the speed estimation, they do not exceed 0,5 %, and according to the estimation of the load torque on the shaft no more than 20 %. The estimation error in steady-state regimes and in the absence of parameter variations is less than 1 %.
REAL TIME MONITORING INDUCTION MOTORS
Key words:
Oil well, electric submersible pump, long cable, submersible induction motor, full order state observer, speed estimation, estimation of the rotor flux-linkage projections in the orthogonal coordinate system a, p, load torque monitoring.
REFERENCES
1. Ryzhenko V.Yu. Oil industry in Russia: state and problems. Per-spektivyNauki i Obrazovaniya, 2014, no. 1, pp. 300-308. In Rus.
2. Etirmishli K.Eh. The reasons for the fall in oil prices. Novaya nau-ka: Opyt, traditsii, innovatsii, 2016, no. 6-1, pp. 115-117. In Rus.
3. Bukreev V.G., Sipaylova N.Yu., Sipaylov V.A. Control strategy in accordance with economical criterion for electrotechnical installation of mechanized oil production. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2017, vol. 328, no. 3, pp. 75-84. In Rus.
4. Korabelnikov M.I., Korabelnikov A.M. Ob osnovnykh prichinakh otkaza UEHCN i metodakh uvelicheniya narabotki na otkaz na mestorozhdeniyakh Zapadnoy Sibiri [On the main reasons for the failure of the ESP and the methods of increasing the time between failures in the fields of Western Siberia]. Opyt, aktualnyepro-blemy i perspektivy razvitiya neftegazovogo kompleksa. Materialy V regionalnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii obuchay-ushchikhsya VO, aspirantov i uchenykh [Experience, current problems and prospects for development of oil and gas complex. Materials of the V regional scientific and practical conference of students of VO, post-graduate students and scientists]. Tyumen, TyumGNGU Publ., 2015. pp. 241-249.
5. Sushkov V.V., Timoshkin V.V., Sukhachev I.S., Sidorov S.V. Evaluation of submersible electric motor insulation residual resource in oil production electric centrifugal pumps under the influence of impulse overvoltages. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2017, vol. 328, no. 10, pp. 74-80. In Rus.
6. Escobar J.A., Romero A.F., Lobo-Guerrero J. Failure analysis of submersible pump system collapse caused by assembly bolt crack propagation by stress corrosion cracking. Engineering Failure Analysis, 2016, vol. 60, pp. 1-8.
7. Kladiev S.N., Slobodyan S.M., Pishchulin V.P. Automation of preparation of uranium solutions. Tsvetnye Metally, 2014, no. 8, pp. 77-82.
8. Zhang H., Yu J., Jiang Q., Wang L., Xu D. Research on intelligent power supply control based on sensor-less temperature identification of Electric Submersible Motor. Green World with Power Electronics. 9th International Conference on Power Electronics -ECCE Asia. Seoul, Korea, 2015. Conference Paper no. 7168168, pp. 2802-2807.
9. Vedernikov V.A., Gapanovich V.S., Kozlov V.V. Features of submersible electric centrifugal pumps application in the oil fields of the Middle Ob region. Vestnik kibernetiki, 2008, no. 7, pp. 27-32. In Rus.
10. Herman I., Vaclavek P. Load torque and moment of inertia observability analysis for alternating current drive sensorless control. Industrial Electronics Conference (IECON) Proc. Montreal, Quebec, Canada, 2012. Conference Paper no. 6388917, pp. 1864-1869.
11. Binder B.J.T., Pavlov A., Johansen T.A. Estimation of flow rate and viscosity in a well with an electric submersible pump using moving horizon estimation. IFAC Workshop on Automatic Control in Offshore Oil and Gas Production, OOGP 2015 Proc. Floria-nopolis, Brazil, 2015. Vol. 28, Iss. 6, pp. 140-146.
12. Rabbi S.F., Constantine M., Rahman M.A. A novel sensorless IPM motor drive for electric submersible pumps. IEEE International Electric Machines and Drives Conference. Miami, FL, USA, 2017. Conference Paper no. 8002199, pp. 1-8.
13. Messaoudi M., Sbita L. Sensorless direct torque and flux control of induction motor based on MRAS and Luenberger observer. International Conference on Green Energy and Conversion Systems. Ham-mamet, Tunisia, 2017. Conference Paper no. 8066224, pp. 1-7.
14. Bahloul M., Chrifi-Alaoui L., Vargas A.N., Chaabane M., Drid S. Online robust estimation of flux and load torque in induction motors. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, vol. 94 (5-8), pp. 2703-2713.
15. Afanasev K.S., Glazyrin A.S. The observer of the complete vector of the state and load moment of an induction motor. Elek-trotekhnicheskiye kompleksy i sistemy upravleniya, 2013, no. 4, pp. 24-30. In Rus.
16. Lysenko O.A. Observer of the load torque of an induction motor with a double squirrel cage of a rotor. Omskiy nauchnyy vestnik, 2016, no. 5, pp. 85-89. In Rus.
17. Seryoznov Yu.V. Simulation of electric drive with observer. Science Time, 2016, no. 11, pp. 466-470. In Rus.
18. Fedotov A.V., Khomchenko V.G., Zhiltsov V.V., Kompaneyts A.N., Skabkin N.G. Modelirovaniye privoda pogruzhnogo nasosa intel-lektualnoy skvazhiny [Modeling the drive of a submersible pump of an intellectual well]. Omsk, OmGTU Publ., 2012. 175 p.
19. Liu J., Dai J., Royak S., Schmidt P., Al-Nabi E., Nondahl T. Design and implementation of position sensorless starting control in industrial drives with output filter and transformer for oil/pump applications. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition Proc. Tampa, FL, USA, 2017. Conference Paper no. 7930752, pp. 578-584.
20. Guzinski J., Abu-Rub H. Sensorless induction motor drive with voltage inverter and sine-wave filter. IEEE International Symposium on Sensorless Control for Electrical Drives and Predictive Control of Electrical Drives and Power Electronics. München, Germany, 2013. Conference Paper no. 6684503, pp. 1-8.
21. Bolovin E.V., Glazyrin A.S. Method for identifying parameters of submersible induction motors of electrical submersible pump units for oil production. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2017, vol. 328, no. 1, pp. 123-131. In Rus.
Received: 12 February 2018.
Information about the authors
Alexander S. Glazyrin, Dr. Sc., associate professor, National Research Tomsk Polytechnic University.
Sergey N. Kladiev, Cand. Sc., associate professor, National Research Tomsk Polytechnic University. Kirill S. Afanasiev, Cand. Sc., senior lecturer, National Research Tomsk Polytechnic University. Vadim V. Timoshkin, Cand. Sc., assistant, National Research Tomsk Polytechnic University. Ivan G. Slepnev, graduate student, National Research Tomsk Polytechnic University. Vladimir I. Polishchuk, Dr. Sc., head of the department, Samara State Technical University. Sandor Halasz, PhD, professor, Budapest University of Technology and Economics.
