CC BY
22УДК 62-83:622(075)
РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА
Р.Г. Горшков, Е.А. Кроткое, О.Б. Сигова1
Самарский государственный технический университет,
443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Рассматриваются вопросы разработки системы векторного управления электроприводом переменного тока штанговой скважинной насосной установки. Приведены технические характеристики станка-качалки и электропривода. Рассчитаны контуры регулирования тока, потокосцетения, момента, скорости электропривода и расхода пластовой жидкости.
Ключевые слова: штанговая скважинная насосная установка, электропривод. система векторного управления.
Введение
Привод штангового скважинного насоса (станка-качалки) является одним из важнейших компонентов штанговой скважинной насосной установки, предназначенной для подъема пластовой жидкости из скважин. Условия эксплуатации этого вида насосных установок требуют применения регулируемого привода, а используемые в настоящее время на промыслах асинхронный и синхронный приводы не позволяют регулировать частоту вращения электродвигателя (ЭД). Во-первых, в начальный период эксплуатации скважины должен быть установлен оптимальный режим отбора жидкости, обусловленный геологическими и технико-экономическими факторами. Для этого необходимо плавно изменять частоту качаний балансира, меняя темпы отбора жидкости из скважин и определяя ее дебит при каждом новом положении динамического уровня. Во-вторых, по мере использования насоса производительность скважины начинает уменьшаться, все больше отклоняясь от оптимальной. Длительную работу скважины в оптимапьном режиме можно обеспечить применением регулируемого электропривода (ЭП). В-третьих, на некоторых скважинах необходимо постепенно увеличивать частоту качаний после пуска скважины из-за большого содержания песка в откачиваемой жидкости. Решение задач, возникающих при эксплуатации насосных скважин с регулируемым режимом работы, возможно на основе применения регулируемого ЭП, позволяющего переходить с одного режима работы на другой без остановки скважины.
В данной статье развивается методика синтеза системы векторного управления ЭП переменного тока, разработанная профессорами А.М. Абакумовым, П.К. Кузнецовым, Ф.Н. Рассказовым в Самарском государственном техническом университете [1]. Целью статьи является моделирование работы ЭП станка-качалки и получение графиков переходных процессов в программном пакете Ма(1аЬ.
1 Горшков Роман Геннадьевич аспирант
Кроткое Евгений Александрович кандидат технических наук, доцент Сигова Ольга Борисовна - кандидат технических наук, доцент
1. Основные элементы скважинной насосной установки и ее технические
характеристики
В качестве объекта управления (ОУ) рассмотрим ЭП переменного тока станка-качалки ПНШ 60-2,1-25 (рис. 1) на основе асинхронного ЭД 5А160М8 номинальной мощностью Рн =11 кВт . Технические характеристики установки приведены в табл.
1. В глубиннонасосной установке (рис. 1, а) плунжерный глубинный насос / подвешивается на колонне насосных труб 3. При помощи колонны штанг 4 плунжеру насоса сообщается возвратно-поступательное движение с передачей энергии от балансира 7. Станок-качалка с ЭД 12 и редуктором 10 преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное движение балансира. Насос (рис. 1, б) содержит цилиндр 3, внутри которого перемещается плунжер 4. При ходе плунжера вверх открывается нижний (приемный) клапан 5 при закрытом верхнем клапане 2. Жидкость из скважины засасывается в цилиндр насоса. При ходе плунжера вниз клапан 5 закрывается, а нефть через открывающийся клапан 2 выдавливается в пространство насосных труб, идущих от устья скважины, к которым прикреплен насос с помощью верхней муфты 1. Колонна штанг в нижней части соединена с плунжером насоса 2 (рис. 1, о), а на устье скважины она через устьевой шток 5 связана с головкой 6 балансира станка-качалки. Балансир 7 с помощью шатунов Н соединен с кривошипами
I
2
.1
4
5
а б
Рис. 1. Основные элементы глубиннонасосной установки (а) и плунжерного насоса (б)
9, вал которых через редуктор 10 и клиноременную передачу Л связан с ЭД 12. Для уравновешивания нагрузки ЭД применены балансирный 13 и кривошипный 14 про-
- .Ї
%
тивовесы. Частоту качаний балансира можно изменить установкой шкивов различных диаметров у клиноременной передачи //.
___ ___ Таблица!
Техническая характеристика Ед. изм. Значение
Наибольшее тяговое усилие на штоке кН 60
Максимальная длина хода полированного штока м 2,1;1,8;1,5;1,2;0,9
Номинальный крутящий момент на выходном валу редуктора кНм 25; 40
Редуктор 2-ступенчатый РП 450-28 (Ц2НШ-450)
Номинальное передаточное число редуктора 40
Диапазон частот качания мин'1 5,3-10,2
Мощность двигателя кВт 11; 15; 18,5
Клиноременная передача
Тип ремня С(В)4000Т
Количество шт. 4
Диаметр шкива редуктора мм 710
Диаметр шкива двигателя мм 200;224; 250
2. Расчет параметров структурной схемы асинхронного ЭД
Параметры структурной схемы (СС) системы векторного управления асинхронным двигателем [1] рассчитаны на основе паспортных данных асинхронного ЭД (табл. 2) и приведены в табл. 3.
Т аблииа2
Параметры асинхронного двигателя 5А160М8
Пн СОБфН і Х*т Ш* X* 1о Я2* Х*2о
% о.е. кг*м2 о.е. о.е. о.е. о.е. о.е.
87 0,75 0,3 2,0 0,066 0,13 0,031 0,18
Ном. напряжение и 1„ В - 380; ном. частота {"„, Гц - 50; число пар полюсов р„ - 4.
При векторном управлении используется информация о мгновенных значениях пространственных векторов, и система управления асинхронным ЭД строится аналогично системе управления ЭД постоянного тока. СС имеет пять контуров. Внутренним является контур регулирования тока. СС дополнена контуром преобразования трёхфазной системы в двухфазную во вращающейся системе координат и контуром компенсации перекрёстных связей.
3. Расчет регуляторов системы подчиненного регулирования Контур регулировании фазного тока и потокоснепленни ротора \|/2
Расчет контуров регулирования фазного тока и потокосцепления ротора выполняется по методике, изложенной в [1], и не представляет особых затруднений. При этом контуры настраиваются на приближенный технический оптимум (ТО), а регуляторы, полученные в результате расчета, представляют собой: регулятор токового контура
1Урт(р) = 1ГЖт(р)/П'0(р) = {7,Ъ57р + \9,\)/р -ПИ-регулятор, (I)
контура регулирования потокосцепления ротора
р - ПИ-регулятор. (2)
Расчет контура регулирования момента
Особый интерес представляет контур регулирования момента. Нагрузка приводного ЭД при ходе плунжера вверх и вниз резко отличается, что значительно ухудшает энергетические показатели. При ходе плунжера вверх в точке подвеса штанг приложена статическая нагрузка, создаваемая весом столба жидкости нал плунжером, весом штанг и силами трения. Последние обусловлены трением плунжера о стенки цилиндра насоса, трением штанг о жидкость и внутреннюю поверхность насосных труб, гидравлическими сопротивлениями при перемещении жидкости через насос и трубы. Эта нагрузка не прикладывается внезапно, а постепенно возрастает в начальный период хода вверх благодаря демпфирующему действию упругих деформаций штанг и труб. Кроме статической нагрузки к точке подвеса
Т аблицаЗ
Параметры структурной схемы векторного управлення асинхронным ЭД
Название характеристики Обозначение, расчетная формула Размер- ность Зна- чение
Номинальное значение тока /VI О1 •н - ' 3< НЦН СОБф,/ А 25.5
Полное сопротивление ЭД г„=ин/1„ Ом 8.6
Номинальный момент ЭД Мн = /V 107*0// Нм 130.68
Индуктивное сопротивление намагничивающего контура х^гн-х\ Ом 17,2
Индуктивное сопротивление рассеяния фаз статора Хха=2н-Х\а Ом 1.12
Индуктивное сопротивление рассеяния ротора х2а=гнх*2в Ом 1,55
Активное сопротивление статора я, =*„•**, Ом 0,568
Активное сопротивление ротора Ом 0,267
Полное индуктивное сопротивление фазы статора при разомкнутой цепи ротора *1=*ц+*1о Ом 18,32
Полное индуктивное сопротивление фазы ротора при разомкнутой цепи статора х2 = х^+х2а Ом 18,75
Коэффициент рассеяния О = 1 - Х2т/Х\Х2 - 0.14
Индуктивность намагничивающего контура 11 ^8 Гн 0.218
Индуктивность рассеяния фазы обмотки ротора - Х\/ы{У)1Н Гн 0,233
Индуктивность рассеяния статора Г"' Гч> II ГО О 2 1 Гн 0.238
Постоянная времени цепи статора при разомкнутой цепи ротора 7] = £,/*! с 0.41
Постоянная времени цепи ротора при разомкнутой цепи статора Т2 = 12/И2 с 0.89
Коэффициент передачи статора - 0,939
Коэффициент передачи ротора *2 = ^/^ - 0,916
Коэффициент рассеяния асинхронного ЭД а = 1 -і}т/{Ь) ■ Ь2) - 0,132
Конструктивная постоянная С А = 1,5 р„к2 - 5,495
штанг оказываются приложенными динамические силы, возникающие вследствие инерционных свойств масс штанг и столба жидкости и их продольных колебаний. Результирующая сила, приложенная в точке подвеса штанг, при ходе плунжера вверх направлена против движения и создает момент сопротивления, который преодолевается ЭД. При ходе плунжера вниз результирующая статическая нагрузка в точке подвеса штанг действует в направлении движения и разгружает ЭД. Она определяется весом штанг за вычетом веса занимаемого ими объема жидкости и сил трения. Вес жидкости над плунжером не действует на штанги. Так как верхний клапан насоса открыт, а нижний закрыт, то этот вес через нижний клапан передается насосным трубам. При изменении направления движения плунжера усилие в точке подвеса штанг не принимает мгновенно своего установившегося значения, а постепенно убывает вследствие упругих деформаций штанг и груб. Момент, обусловленный динамическими силами, при ходе плунжера вниз направлен против движения. За один цикл работы насоса, составляющий 6 с, график (рис. 2) имеет два максимума и два минимума. Максимумы относятся к средним положениям балансира, а минимумы -к крайним. По пиковым значениям тока статора двигателя при ходе плунжера вверх 1в и /н можно судить о моментах. У применяемых для привода станков-качалок асинхронных ЭД при достаточно большой загрузке ток статора и момент можно принимать пропорциональными друг другу.
1н, А
——ток нагрузки----аппроксимация тока нагрузки
Р и с. 2. График тока нагрузки ЭД станка-качалки
График тока нагрузки (рис. 2) аппроксимируем следующим выражением: /„(/)= -0,0029 /6+0,1351-/5- 2,4279 /4 + 20,871 /3 -87,444 I2 + 161.57-/-82.89. Переходя к изображению по Лапласу, получим ПФ тока нагрузки;
, ч -0,0029-6! 0,1351-5! 2,4279-4! 20,871-3! 87,444-2! 161,57
»/.Ы =--------т----+------6----------I---+------4----------3---+-----2----
Р Р Р Р Р Р
_ 82189 = 2 0£р 39,7р6 - 77,4р5 + 83,6р* - 60р3 - 21,9р2 + 7,8/; + 1
7
р р
С учетом периодичности процесса получим следующую ПФ:
цг / ч _ -2,088 39,7р -11 Ар + 83,6/7 -60р -27,9/7 + 7,8/> + 1
р(\~е-6р)' рь
СС контура регулирования момента представлена на рис. 3. Уравнение контура определяется выражением
МЛр)=—ЕшИ±£т—М ( н —Л
где = 1,5 •/?• = 1,5• 4-0,916 = 5,495 — конструктивный коэффициент;
км-Vн/Мн = 10/139.68 = 0,07 - коэффициент передачи датчика момента.
/*/7 "У 3 •(&)()-соя)
= 0,61Вб - потокосцепление ротора при номинальных зна-
чениях параметров питающей сети.
Данный контур настраиваем на ТО и определяем ПФ регулятора момента и ПФ замкнутого контура регулирования момента.
'^РМ^Р) = ктМт^сл^2-км\= 4155,36//? - И-регулятор. (5)
ПФ замкнутого контура регулирования момента вычислим по выражению
(Р) = 1/[*А/ (47\тР + О] = 1/[0,07(0,004/; +1)]= 14,28/(0.004/7 +1). (6)
Р и с. 3. Структурная схема контура регулирования момента Контур регулирования скорости
Расчет контура регулирования скорости выполняется по методике, изложенной в [1]. ПФ регулятора скорости определяется выражением
\УРС(р) = 65,2 + 4074,1/р - ПИ-регулятор. (7)
Контур регулирования расхода перекачиваемой пластовой жидкости
Контур регулирования расхода настраиваем на ТО
КЖР(р) = \і\і2Т^р(ЬТ^р + \)\=\і[0,Шр$,Шр+\)). (8)
ПФ контура регулирования расхода определяется выражением
\У0(р) = Фзс КН КР = Кн •Кр/[Кс-(іТіи.р +1)]= 0,998/(0,008р +1), (9)
где Кр = 10/400 = 0,025, Кн = 5,079.
Тогда ПФ регулятора расхода
М'гг(р) = №гж1(р)/1У0(р) = \/0,032р - И-регулятор. (10)
4. Моделирование работы ЭП в МАТЬАВ
Моделирование работы ЭП станка-качалки выполнено в пакете МАТЬЛВ. Модели контуров регулирования составлены на основе СС, представленной на рис. 3 и в [1]. Графики переходных процессов в контуре регулирования момента представлены на рис. 4-5.
М. Нм
Ь с
Р и с. 4. График переходного процесса в контуре регулирования момента на скачок управляющего воздействия
М. Нм
Р и с. 5. График переходного процесса в контуре регулирования момента на скачок возмущающего воздействия
Заключение
Моделирование частотно-регулируемого ЭП переменного тока в системе неподвижных и вращающихся координат позволяет применить типовые настройки контуров регулирования на ТО и СО. Полученные динамические характеристики ЭП штанговой скважинной насосной установки удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системе управления приводом станка-качалки.
Представленный расчет системы управления позволит использовать ЭД в режиме оптимальной мощности, что приведет к экономии потребляемой электроэнергии и уменьшению износа оборудования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Применение регулируемого электропривода в технологиях транспорта газа и нефти. Кн. I / Г.Р. Шварц, А.М. Абакумов, Л.А. Мигачева и др.; Под ред. Э.Я. Рапопорта. - М.: Машиностроение. 2008. - 240 с.: ил.
2. Молчанов А.Г. Станки-качалки: проблемы и перспективы совершенствования II Промышленные ведомости. - 2007. - №10.
3. Сигова О.Б. Оптимальное управление техническими системами: учеб. пособ. - СПб.: Изд-во ПЭИПК, 2006.-91 с.
Статья поступнпа в редакцию 25 апрели 2009 г.
UDC 62-83: 622 (075)
CALCULATION AND MODELING OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF ELECTRICAL DRIVE OF THE WELL PUMP OBJECT
R. Gorshkov, Y. Krotkov, O. Sigova'
Samara State Technical University,
244, Molodogvardeyskaya str.. Samara, 443100
In this article, the questions of engineering of vector control system by an alternating current electrical drive of welt pump object are considered. The technical characteristics of the well pump object and the electrical drive are resulted. Contours of regulation of current, flow, moment, speed of the electric drive and the charge stratum liquids are calculated.
Key words: well pump object, the electrical drive, vector control system.
1 Roman G. Gorshkov - Postgraduate student.!
Yevgeniy A. Krotkov - Candidate of Technical Sciences, Associate professor. Olga B. Sigova - Candidate of Technical Sciences, Associate professor.
