CC BY
67
Gasho Evgeniy Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, 290461@bk.ru, Russia, Moscow, National Research University "MEI",
Guzhov Sergey Vadimovich, candidate of technical sciences, docent, deputy head of department, GuzhovSVai yandex. ru, Russia, Moscow, National Research University "MEI",
Krolin Alexander Aleksandrovich, candidate of economic sciences, head of department, akrolinamail. ru, Russia, Moscow, National Research University "MEI",
Nachalov Alexander Vladimirovich, chief specialist, nachalovames-centra.ru, Branch of PJSC "FGC UES" - MES Center
УДК 621.31
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ПОТРЕБЛЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ УСТАНОВКАМИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ
НАСОСОВ
В. А. Копырин, О.В. Смирнов
Представлены результаты определения оптимальных параметров внутри-скважинного компенсатора реактивной мощности, при которых обеспечивается минимизация потребления активной мощности. Получены поверхности функции энергосбережения для различных параметров электротехнического комплекса установок электроцентробежных насосов. Установлено, что оптимальное значение реактивной мощности внутрискважинного компенсатора составляет 0,92 от мощности погружного электродвигателя. Расчетное значение функции энергосбережения варьируется от 1,4 до 11,8 % в зависимости от мощности внутрискважинного компенсатора, мощности погружного электродвигателя, длины и сечения кабельной линии.
Ключевые слова: внутрискважинный компенсатор, погружной асинхронный электродвигатель.
В настоящее время доля трудноизвлекаемых запасов углеводородов в России и в мире продолжает увеличиваться [1 - 3]. В связи с этим возрастает количество нефтяных месторождений с обводненностью 30...50 %, а на некоторых месторождениях обводненность достигает 95 % [4]. Для поддержания запланированного объема добытой нефти нефтедобывающие компании повышают производительность насосных установок, что приводит к увеличению потребляемой электроэнергии погружным электрооборудованием.
Среди факторов, влияющих на улучшение энергетических показателей добычи пластовой жидкости, можно выделить снижение обводненности пластовой жидкости [5 - 7] и компенсацию потерь мощности в элементах установок для добычи нефти [8, 9].
Снижение обводненности добываемой жидкости достигается повышением качества строительства скважин, например электрообработкой воды затворения при цементировании скважин, совершенствованием систем заводнения, применением тампонирующих составов.
Повышение эффективности использования энергии при добыче нефти достигается применением энергоэффективного оборудования с максимально высоким коэффициентом полезного действия [10, 11], оптимизацией подбора скважинного оборудования [12, 13], управлением процессом добычи [14], повышением качества электроэнергии [15], снижением гидравлических потерь путем использования насосно-компрессорных труб максимально возможного диаметра [16, 17].
Снижение гидравлических потерь путем увеличения диаметра на-сосно-компрессорных труб позволяет уменьшить потребление активной мощности установками электроцентробежных насосов (УЭЦН). Тем не менее, данный способ ввиду высокого риска повреждения питающего кабеля, уменьшения затрубного пространства большинством нефтедобывающих компаний не применяется.
Использование погружных асинхронных электродвигателей (ПЭД) с повышенным напряжением позволяет повысить энергетическую эффективность добычи нефти за счет снижения потерь активной мощности в то-копроводящих элементах электротехнического комплекса (ЭТК) УЭЦН. Данное техническое решение применяется в основном для двигателей номинальной мощностью до 70 кВт [8]. Это связано с тем, что увеличение номинальной мощности ПЭД приводит к повышению «базового» номинального напряжения, что не всегда возможно при использовании существующих изоляционных материалов обмоток. Поэтому для погружных электродвигателей номинальной мощностью свыше 70 кВт проблема повышения «базового» номинального напряжения остается актуальной.
При эксплуатации установок электроцентробежных насосов на вы-
3
сокодебитных скважинах (дебит по жидкости свыше 150 м /сут) потребляемая активная мощность ПЭД может достигать 200 кВт и более, а рабочие токи варьируются от 50 А до 130 А [10, 13]. При работе УЭЦН коэффициент мощности, определяемый в основном коэффициентом мощности ПЭД, находится в пределах 0,7 - 0,85 при номинальной нагрузке и может снижаться до 0,5 - 0,7 при недогрузках. При эксплуатации фактический коэффициент мощности погружного асинхронного электродвигателя ниже номинального значения. Это связано с тем, что выбранное оборудование работает не в оптимальных рабочих зонах.
Разработанные на данный момент технические устройства для компенсации реактивной мощности устанавливаются только на поверхности. Тем не менее, такое решение не позволяет компенсировать реактивную мощность в питающих кабелях УЭЦН, длина которых может достигать 3500 м. Это приводит к необходимости увеличения сечения кабелей и к повышенным потерям мощности в них до 15 %.
Вопросами рационального использования энергии в электроэнергетических системах путем оптимального подбора мест установки компенсирующих устройств, а так же их мощности, оптимизации процессов регулирования устройствами компенсации занимались многие отечественные и зарубежные ученые: Б.Н. Абрамович, В.А. Веников, В.И. Жежеленко, Ю.С. Железко, А.Н. Шпиганович, H. Akagi, L. Czarnecki, D. Sharon и другие. В работах авторами предложены методики для определения реактивной мощности, описаны устройства компенсации реактивной мощности и способы управления данными устройствами.
Тем не менее, на сегодняшний день остаются не рассмотренными вопросы определения оптимальных параметров устройств индивидуальной компенсации реактивной мощности погружных асинхронных электродвигателей, ввиду отсутствия на рынке таких устройств.
Поэтому актуальной становиться проблема определения оптимальных параметров внутрискважинного компенсатора реактивной мощности, при которых обеспечивается минимальное значение потребляемой активной мощности УЭЦН.
Рассматриваемый электротехнический комплекс УЭЦН включает в себя источник питания (шины комплектно-трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ); станцию управления, питающий трансформатор, кабельную линию (КЛ), погружной асинхронный электродвигатель и внутрискважинный компенсатор реактивной мощности (ВКРМ).
Пусть активная мощность Р, потребляемая УЭЦН, расходуется на совершение полезной работы погружным электродвигателем и потери в токопроводящих элементах электротехнического комплекса и зависит от мощности погружного электродвигателя и реактивной мощности компенсирующей установки:
Р = Рд +1 DP = Рд + Щ + АРШ +*Рд, (1)
где Рд - активная мощность, потребляемая погружным электродвигателем; DPT, АРКл , АРд - потери активной мощности в трансформаторе, кабельной линии и погружном электродвигателе соответственно.
Учитывая изменение места установки компенсирующего устройства (в скважине) функцию ЭР, характеризующую энергосберегающий эффект от внедрения внутрискважинного компенсатора, предлагается определить как отношение полученной потребляемой активной мощности Рнов к плановой Рплан:
ЭР(Рд;cosрс) = 1 - Рнов(Рд;cosjc) , (2)
Рплан (Рд';C0SPc)
где cos рс - требуемые коэффициент мощности сети в точке подключения внутрискважинного компенсатора.
Для решения задачи оптимизации сформулирован критерий оптимальности Рнов ® min, который отражает минимизацию потребляемой активной мощности УЭЦН, с учетом потерь активной мощности в электротехническом комплексе в зависимости от мощности внутрискважинного компенсатора.
В данном исследовании диапазон мощностей рассматриваемых погружных электродвигателей принят от 100 до 250 кВт.
Анализ энергетических показателей работы УЭЦН на некоторых объектах нефтедобывающих компаний показал, что среднее значение коэффициента мощности погружных асинхронных электродвигателей составляет 0,735. Данное обстоятельство связано с тем, что средний коэффициент загрузки ПЭД составляет 0,65. Поэтому для расчета необходимой мощности ВКРМ коэффициент мощности ПЭД принимается ^фд=0,735.
Потери активной мощности в питающем трансформаторе определяются по выражению
DPT = 3• iT2 •(R1T + R2T), (3)
где iT - ток, протекающий через обмотки трансформатора; Rt , R2t - активное и приведенное активное сопротивления первичной и вторичной обмоток питающего трансформатора соответственно.
Эквивалентное активное сопротивление питающего трансформатора определяется по выражению
RKT = RiT + R2т = АРк 'UТом -1°3, (4)
^ном
где ЬРК - потери короткого замыкания, кВт; ивнном - номинальное напряжение высшей ступени трансформатора, кВ; Бном - полная мощность трансформатора, кВА.
Кабельная линия состоит из основного питающего кабеля и соединенного с ним кабеля-удлинителя. Потери активной мощности в кабельной линии определяются по выражению
2
АРКЛ = 3 • iКЛ • RКЛ , (5)
где iкл - ток, протекающий по кабельной линии; Rкл - активное сопротивление токопроводящих жил кабельной линии.
Активное сопротивление токопроводящих жил кабелей определяется по выражению
= 103-р-
1+Ь,Л
51 5о
V 1 2 .
- [1 + 0,004 - (Т - 20)], (6)
где р - удельное сопротивление проводника при 20 °С, для меди р = 0,0172 Ом-мм /м; /1, ¡2 - длина основного кабеля и кабеля-удлинителя соответственно, км; $1, $2 - сечение токопроводящей жилы основного кабеля и кабеля-удлинителя соответственно, мм2; Т - температура токопроводящих жил кабелей, °С.
За расчетную температуру токопроводящих жил кабелей принимается температура наиболее нагретого участка кабельной линии. Если сечение токопроводящих жил основного кабеля и кабеля-удлинителя отлича-
22
ются не более чем на один порядок (например, 16 мм и 10 мм ), то активное сопротивление жилы кабельной линии рассчитывается, как для основного кабеля.
Необходимую мощность внутрискважинного компенсатора предлагается определять по выражению
QвКРМ = Рд.
д.ном
Г - ,->\
1 -1 -П~-1
усоБ (Рд \С0Б Рс
(7)
Для определения оптимальных параметров внутрискважинного компенсатора реактивной мощности зададим ограничения требуемого коэффициента мощности сети 0,80 < соБфС < 1.
В исследуемом электротехническом комплексе УЭЦН погружной электродвигатель получает питание от трансформатора марки ТМПН-250/3, паспортные данные которого приведены в таблице.
Технические характеристики трансформатора
ТМПН-250/3
Мощность, кВА Сочетание напряжений, кВ Схема и группа соединения обмоток Потери, кВт Напряжение к.з., % Ток холостого хода, %
ВН СН холостого хода короткого замыкания
250 2,5 0,4 Ун/У-0 0,65 3,7 6,0 1,5
В настоящее время с увеличением доли трудноизвлекаемых запасов углеводородов длина кабельных линий, питающих УЭЦН, может достигать 3500 м, а температуры пластовых жидкостей до 150 °С. Поэтому для оценки влияния длины кабельной линии на величину энергосберегающего эффекта ЭР диапазон длин КЛ принимается 1500, 2000, 2500, 3000, 3500 м. В качестве питающего кабеля выбран кабель марки КПБП с медными жилами. Температура пластовой жидкости принимается 70 °С. Поверхности функции ЭР энергосбережения приведены на рисунке.
LJ 1.5 км LJ .2.0 км и и 3.0км LJ 3.5 км ^J 14 км KJ 20 км U 2.5 км □ 3.0км U 3.5 км
в г
Поверхности функции энергосбережения 3P(Pd;cosçc): a - SКЛ =16 мм2; б - 8КЛ=21,5 мм2; в - 8КЛ =25 мм2;
г — Кл =35 мм2
Анализ поверхностей показал, что максимальное значение функции ЭР энергосбережения достигается при eos9c=1 для всех диапазонов изменения мощности погружных асинхронных электродвигателей, длин и сечений кабельных линий. При cos9c=1 оптимальное значение реактивной мощности внутрискважинного компенсатора составляет 0,92-Рд.ном при принятом среднем коэффициенте мощности ПЭД 0,735. Например, для УЭЦН, оснащенной погружным электродвигателем мощностью 200 кВт,
455
2
кабельной линией длиной 2000 м сечением токопроводящей жилы 16 мм и внутрискважинным компенсатором мощностью 184 квар расчетный показатель энергосбережения составил 6,4 %.
Выводы. Оптимальное значение реактивной мощности внутри-скважинного компенсатора составляет 0,92-Рд.ном при принятом среднем коэффициенте мощности ПЭД 0,735. Расчетный энергосберегающий эффект ЭР при внутрискважинной компенсации реактивной мощности варьируется от 1,4 до 11,8 % в зависимости от мощности погружного электродвигателя, длины и сечения кабельной линии.
Список литературы
1. Развитие геофизического и гидродинамического мониторинга на этапе перехода к разработке трудноизвлекаемых запасов нефти / В.Г. Мартынов, А.И. Ипатов, М.И. Кременецкий, Д.Н. Гуляев, В.М. Кричевский // Нефтяное хозяйство. 2014. № 3. С. 106 - 109.
2. Ященко И.Г. Трудноизвлекаемые нефти: физико-химические свойства и экологические последствия их добычи // Экспозиция «Нефть. Газ». 2014. №1. С. 30 - 35.
3. Использование электрообработки для увеличения нефтеотдачи / О.В. Смирнов, А.Е. Козярук, К.В. Кусков, А. Л. Портнягин, А.В. Сафонов // Известия вузов. Нефть и газ. 2015. №5. С. 67 - 73.
4. Салимов Ф.С. Вовлечение в разработку слабодренируемых, трудноизвлекаемых запасов нефти путём изменения направления трещин ГРП // Экспозиция «Нефть. Газ». 2017. № 6. С. 47 - 51.
5. Хабиббулин А.Р., Лобков Ю.А., Диков В.И. Интеллектуальное месторождение компании «Лукойл» // Нефть. Газ. Новации. 2015. № 12. С. 27 - 30.
6. Родионов А.В. Проведение ГРП с предварительной закачкой тампонирующих составов на месторождениях ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» // Инженерная практика. 2015. № 9. С. 74 - 78.
7. Обухов С. Л., Кунаев Д.С. Управление заводнением на поздней стадии разработки месторождений на примере северного участка Ижевского месторождения // Инженерная практика. 2016. № 7. С. 4 - 8.
8. Якимов С.Б. Проблема больших токов. Поиск оптимальных путей решения // Инженерная практика. 2016. № 3. С. 14 - 19.
9. Невоструев В. А. Опыт эксплуатации энергоэффективных УЭЦН «Новомет» // Инженерная практика. 2017. № 8. С. 28 - 32.
10. 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. 2015. № 4. С. 34 - 38.
456
11. Хузин А.Р. Оценка энергоэффективности погружных асинхронных и вентильных электродвигателей с повышенным напряжением // Инженерная практика. 2017. №01-02. С. 80 - 82.
12. Махиня А. Система энергоэффективного дизайна // Нефтегазовая вертикаль. 2014. № 17-18. С. 84 - 86.
13. Тарасов В.П., Куряев С.В., Голубь И.М. Использование специализированного ПО для расчета энергопотребления на механизированном фонде скважин // Инженерная практика. 2016. № 3. С. 22 - 26.
14. Research on intelligent power supply control based on sensor-less temperature identification of Electric Submersible Motor / Z. Haicong, Y. Jian-xiong, J. Qingyue, W. Liguo, X. Dianguo // 2015 9th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE-ECCE Asia) (Seoul, South Korea, 1-5 June 2015).
15. Pragale Ritchie, Ship D.D. Investigation of premature ESP failures and oil field harmonic analysis // IEEE Transactions on Industry Applications. 2016. Vol. 53. Issue. 3. P. 3175-3181.
16. Зуев А.С. Повышение энергетической эффективности в ОАО «НК «Роснефть». Цели и задачи // Инженерная практика. 2016. № 3. С. 4 - 9.
17. Байков И.Р. Кузнецова М.И. Китаев С.В. Повышение эффективности использования оборудования в нефтяной отрасли // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья 2013. № 2. С. 18 - 20.
Копырин Владимир Анатольевич, специалист отдела развития научных инициатив Департамента научно-исследовательской деятельности, kopyrinvaagmail. com, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Смирнов Олег Владимирович, д-р техн., наук, проф., oleg smirnov I940a,maii.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет
OPTIMISATION OF REACTIVE POWER CONSUMPTION REGIMES BY THE ELECTRIC
CENTRIFUGAL PUMPS INSTALLA TIONS
V.A. Kopyrin, O. V. Smirnov
The purpose of the article is to determine the optimal parameters of the in-hole reactive power compensator, at which the consumption of active power is minimized. The surface of the power saving Ee of the power saving for various parameters of the electrical engineering complex of the installations of the electric centrifugal pumps is obtained. It has been found that the optimal value of the reactive power of the in-well compensator is 0.92-Pm.nom for the received parameters of the submersible motor. The calculated value of the energy saving function EE varies from 1,4 to 11,8 % depending on the power of the intra-well compensator, power of the submersible motor, length and cross-section of the cable line.
Key words: downhole compensator, reactive power, submersible induction motor.
Kopyrin Vladimir Anatolevich, specialist of the department for the development of scientific initiatives of the department of scientific and research activities, kopyrin-va@gmail.com, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen,
457
Smirnov Oleg Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, oleg_smirnov_1940@mail. ru, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen
УДК 53.088.24
ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛНОВОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ НАРУШЕНИИ КАЧЕСТВА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
А.И. Смирнов, А.С. Лутонин
Исследуются характеристики электронных счетчиков реактивной мощности путем оценки различий, возникающих в результате четких принципов работы счетчика и наличия стационарных и нестационарных нарушений качества электроэнергии. Проводится сравнительное исследование для определения эффективности использования ортогональных, биортогональных или обратных биортогональных вейвлетов для определения реактивной мощности. Кроме того, представлены рекомендации по измерению реактивной мощности и энергии для будущих поколений интеллектуальных счетчиков.
Ключевые слова: гармоники, реактивная мощность, качество электроэнергии, вейвлет преобразование.
В современных условиях доля нелинейных нагрузок имеет значительную составляющую среди общего числа потребителей электроэнергии. В перспективе развития электротехнических комплексов предусмотрены внедрение энергосберегающих технологий и повышение автоматизации процесса производства. В этой связи увеличивается количество преобразователей частоты, силовых выпрямителей, а также иных нагрузок, ухудшающих качество электроэнергии.
Это приводит к неправильному учету реактивной мощности приборами, входящими в систему автоматизированного контроля и учета электроэнергии, что затрудняет управление её потребления в процессе работы нагрузки предприятия. Измерение реактивной мощности важно для определения потребности в реактивной мощности и для содействия улучшению профиля напряжения. Однако недавние исследования [1 - 3] показали, что характеристики счетчиков реактивной энергии зависят от того, выполняются ли измерения в чистой или искаженной электрической среде. Это является результатом отсутствия универсального определения реактивной мощности, которое учитывает условия эксплуатации, не являющиеся чисто синусоидальными. В идеальном случае определение должно учитывать гармонические искажения в дополнение к искажениям напряжения, мерцанию и другим нарушениям качества мощности, которые распространяются в современных сетях электроснабжения.
