Научная статья на тему 'Разработка математической модели системы автоматизации электропривода штанговой скважинной насосной установки'

Разработка математической модели системы автоматизации электропривода штанговой скважинной насосной установки Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
216
33
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МОДЕЛИРОВАНИЕ / ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ / ЭЛЕКТРОПРИВОД / ШТАНГОВАЯ СКВАЖИННАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА / ГЛУБИННЫЙ СКВАЖИННЫЙ НАСОС / ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ / АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Сагдатуллин А. М.

В данной работе рассмотрен способ повышения энергоэффективно- сти штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ) на основе преобразователя частоты (ПЧ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Разработана математическая модель электропривода ШСНУ, позволяющая исследовать переходные процессы пуска динамической системы, включающей сеть, трансформатор, кабель, асинхронный электродвигатель (АД ), ШСНУ. Разработана схема замещения рассматриваемой установки, а также ее математическое описание как при прямом пуске, так и при пуске АД от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией. Получены графики по току, угловой скорости и электромагнитному моменту в зависимости от времени с учетом динамической нагрузки на валу электродвигателя.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Сагдатуллин А. М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Разработка математической модели системы автоматизации электропривода штанговой скважинной насосной установки»

НАСОСЫ

УДК 622.276.53.054.22:621.3

А.М. Сагдатуллин, аспирант, Альметьевский государственный нефтяной институт, e-mail: [email protected]

Разработка математической модели системы автоматизации электропривода штанговой скважинной насосной установки

в данной работе рассмотрен способ повышения энергоэффективности штанговых скважинных насосных установок (ШснУ) на основе преобразователя частоты (Пч) с широтно-импульсной модуляцией (шим). Разработана математическая модель электропривода ШснУ, позволяющая исследовать переходные процессы пуска динамической системы, включающей сеть, трансформатор, кабель, асинхронный электродвигатель (Ад), ШснУ. Разработана схема замещения рассматриваемой установки, а также ее математическое описание как при прямом пуске, так и при пуске ад от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией. Получены графики по току, угловой скорости и электромагнитному моменту в зависимости от времени с учетом динамической нагрузки на валу электродвигателя.

ключевые слова: моделирование, энергоэффективность, электропривод, штанговая скважинная насосная установка, глубинный скважинный насос, преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией, асинхронный электродвигатель.

постановка задачи

В настоящее время основные методы подъема углеводородного сырья основаны на использовании энергии пласта (фонтанная добыча нефти), искусственной энергии компрессоров (эксплуатация с помощью газлифта), а также насосов (винтовые, центробежные типа ЭЦН, штанговые глубинные насосы (ШГН)). Однако эксплуатация скважин штанговыми насосами является наиболее распространенным методом механизированной добычи нефти [1]. Распространение данного метода в нефтегазодобывающей промышленности связано со следующими факторами: работа в скважинах небольших диаметров, простота конструкции, легкость в обслуживании, настройке и эксплуатации на промысле, незначительное воздействие насоса на физико-химические свойства добываемой нефти при достаточно высоком КПД ШГН.

В России более половины всех скважин эксплуатируются с помощью штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ) [2], оснащенных глубинными скважинными насосами (ШГНУ), пуск в работу которых производится непосредственным подключением двигателя к питающей сети с помощью магнитных пускателей, коммутационных и управляющих аппаратов (прямой пуск). Однако число данных пусков, особенно на малодебитных скважинах, может достигать нескольких десятков. С учетом динамической нагрузки на валу электродвигателя данное обстоятельство может сопровождаться провалами напряжения в сети и приводить к значительным затратам, связанным с поломкой электротехнического и технологического оборудования, а также к простоям скважины. Следовательно, актуальным является вопрос энергосбережения и повышения эффективности эксплуатации данных типов установок.

Повышение эффективности функционирования глубинных штанговых насосных установок и снижение динамических нагрузок в штанговой колонне возможно на основе выбора рационального закона движения точки подвеса насосных штанг. Актуальность решения данного вопроса подтверждается значительным количеством исследований, основные положения которых представлены в работах А.Н. Адонина, А.С. Вирновского, В.Н. Ивановского, Нгуена Ле Миня [3-7]. Отмечается, что трапецеидальный закон изменения скорости в отличие от синусоидального благоприятно сказывается на работе ШСНУ, подчеркивается важность решения вопроса выбора наиболее рационального закона движения точки подвеса насосных штанг, его формы и длительности на участках неустановившегося движения. Существует достаточно большое количество систем управления электродвигателем ШСНУ, которые обеспечивают

26

№ 4 апрель 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

PUMPS

Рис. 1. Структурная схема штанговой глубинной насосной установки

получение заданных законов движения точки подвеса насосных штанг, например промежуточные передачи для уменьшения частоты вращения вала по сравнению с частотой вращения приводного двигателя, тиристорные преобразователи напряжения или преобразователи частоты асинхронных электродвигателей. Управление электродвигателем ШСНУ с помощью преобразователя частоты имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами: более высокие энергетические показатели, гибкая настройка параметров и режимов работы электропривода, высокое качество статических и динамических характеристик в переходных режимах и удобство в эксплуатации.

Как правило, для математического моделирования процессов нефтедобычи используются различные подходы, включающие гидродинамическое описание, анализ динамики пластовой системы и напорных характеристик насосов на основе решения дифференциальных уравнений и краевых задач. Однако используемые дифференциальные уравнения и математические модели рассчитаны на вычисление статических режимов работы станка-качалки и не приспособлены для анализа динамических процессов пуска и переходных режимов в системе, включающей асинхронный электродвигатель и преобразователь частоты с широтно-им-пульсной модуляцией в соответствии с ^//-характеристикой. Поэтому для повышения эффективности систем оперативного управления и глубинных средств контроля и эксплуатации скважин важной и актуальной задачей является разработка новых математических моделей для анализа работы скважинных систем, интегрирующих процессы, протекающие в питающей линии (трансформаторы, кабельные линии, фильтры и др.), электродвигателе, штанговом насосе, скважине и пласте.

Для решения данной задачи необходимо провести анализ схемы электроснабжения электродвигателя штанговой глубинной насосной установки, разработать математическую модель ШГНУ, учитывающую параметры линии

питания и момент сопротивления на валу электродвигателя с ПЧ и включающую динамическую модель жидкости в скважинной системе.

анализ структурной схемы и схемы электроснабжения штанговой глубинной насосной установки (ШгнУ)

Штанговая глубинная насосная установка (рис. 1) состоит из станка-качалки (СК) 9, фундамента 10,оборудования устья скважины, тройника 5, газового или песочного фильтра 1, штангового скважинного насоса (ШСН) 2, приводимого в действие электродвигателем СК и передачей момента на колонну насосных штанг (НШ) 4, прикрепленных на планшайбе 8 насосно-компрессорных труб (НКТ) 3, по которым продукция скважины (нефть, вода) подается на по-

верхность, сальникового уплотнения 6, сальникового штока 7. Установки данного типа обычно применяют в скважинах с дебитом до 50 м3 при глубине подвеса насоса до 3400 м.

Станция управления (СУ) обеспечивает пуск, остановку, самозапуск СК после перерыва в подаче электроэнергии, периодическую работу, а также защиту от перегрузок и аварийных ситуаций (обрыв штанг, поломки редуктора, насоса, порыв трубопровода и т.д.). Приведенные выше недостатки систем управления электродвигателем ШСНУ, связанные с неполным заполнением цилиндра насоса, невозможностью обеспечить регулирование его производительности, перерасходом электроэнергии и выходом из строя насосного оборудования станка-качалки преодолеваются благодаря следующим основ-

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 4 апрель 2014

27

НАСОСЫ

ным функциям регулируемого привода с преобразователем частоты:

• плавный пуск электродвигателя станка-качалки с программируемым временем разгона;

• безударный самозапуск после пропадания напряжения;

• регулирование скорости движения по заданному закону управления в циклах работы;

• поддержание динамического уровня жидкости в скважине;

• защита электродвигателя от перегрузок по току, напряжению питания, перекоса фаз, короткого замыкания и перегрева;

• функции энергосбережения.

На рисунке 2 приведена принципиальная схема электроснабжения штанговой глубинной насосной установки. Питание установки осуществляется по воздушной линии (ВЛ) от трансформатора^) 6/0,4 кВ, защищенного с помощью вентильного разрядника со стороны высокого напряжения. В схеме со стороны 0,4 кВ также обозначены кабель (Ш) и выключатель осуществляющие функции питания и коммутации электродвигателя (М). Обычно электродвигателями к СК служат асинхронные трехфазные электродвигатели, короткозамкнутые, во влагоморозостойком исполнении, с частотой вращения до 1500 об./мин.

разработка математической модели шгну

Согласно [8], прямой пуск или использование программируемого таймера в установках ШГНУ сопровождается рядом следующих недостатков:

• перегрузки по току и моменту при пуске двигателя;

• регулирование числа ходов только при помощи замены шкива;

• отсутствие защиты штанг от обрывов;

• энергия торможения на валу АД перегружает сеть и увеличивает энергопотребление;

• простой скважины в течение заданного времени, а следовательно, потери в добыче при срабатывании системы автоматического повторного включения (АПВ) в случае использования программируемого таймера;

• невозможность автоматической настройки на максимальный дебит. Для исследования работы системы «сеть - трансформатор - кабель - АД

- ШГНУ» разработана схема замещения (рис. 3), а также математическое описание данной системы, позволяющее исследовать прямой пуск и пуск АД от преобразователя частоты с широт-но-импульсной модуляцией. Составим схему замещения асинхронного электродвигателя с учетом параметров системы «питающая сеть

- трансформатор - кабель - фильтр -

АД - ШГНУ - скважина», где Rт , Хтр1

- активное и индуктивное сопротивления трансформатора и питающей линии; 1}ф, Хф - активное и индуктивное сопротивления фильтра; 1?к, Хк - активное и индуктивное сопротивления кабельной линии; Ц,, X - активное и

1 Ю

индуктивное сопротивления статора АД; R2',X2a - активное и индуктивное сопротивления ротора, приведенные к статору; s -скольжение; Хт - индуктивное сопротивление контура намагничивания.

Относительные единицы связаны с физическими единицами следующими формулами: ^ИД, 1ое=1/1в, юое=ю/а)6. Для схемы замещения (рис. 3) на базе уравнений [9-13] во вращающейся и связанной со статором координатной системе X, Y получим следующую систему дифференциальных уравнений для двухфазной электрической машины в векторной форме записи [15, 16, 17]:

р V р V

0Ш =И--12 Ш + ¿т Ш +Ш •

г А IX IX X X -X 2 1Х X X -X 2 2* IV

Е 2 т 2 2 т

р у Р V

пш II £2 щ . Е т ш _ш .

" 1У X X -X 2 "X X -X 2 2У 1Х'

Е 2 т £ 2 т

□ у □ V

пЧ> =__2 Е Ч> + 2 ™ -сФ •

р 2Х ХуХ,-Хт2 2Х ХУХ-Хт2 1Х

2. 2 т 2. 2 т

р V р V

0Ш =--2 I щ + 2 т ш _5Ш .(14

мЯ ХТХ,-Х 2 ХУХ,-Х 2 п ;

¿.2 ГП ¿2т

1 X

РБ =у (т с~ х X -Х^^х^у-адх))*

т X 2 т

т^ггРсоБ^а-^-М^'пф",

где г - радиус кривошипа; Р - нагрузка в точке подвеса штанг; а - угол между радиусом кривошипа и шатуном; Мур

- уравновешивающий момент; ф''- угол между радиальным направлением центра вращающихся масс и вертикалью. Динамическая модель жидкости в сква-жинной системе может быть представлена на основе уравнений [14] системой (2), в которой 0нкт, 0в - потоки на входе и выходе насосно-компрессорной трубы (НКТ), в установившемся режиме 0НКТ=0В; РН - давление, создаваемое на выходе насоса; Рв - давление на входе НКТ (буферное давление); Рп - пластовое давление в зоне дренирования скважины (ЗДС); Рок - давление в приза-

Рис. 3. Схема замещения

28

№ 4 апрель 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

KERUI

SHANDONG KERUI PETROLEUM EQUIPMENT

Оборудование для высокоэффективной разработки и добычи месторождений нефти и газа

www.keruigroup.com/ru

Буровая установка арктического исполнения

Колтюбинговая установка

Цементировочная установка

Газовый компрессор

Устьевое оборудование

Установка для ГРП на шасси

Мембранная азотная установка

Головной офис в Китае

Адрес: КНР, пров.Шаньдун, г.Дуньин, ул.Наньэрлу, 233 Тел: +86-546-8179682 8179683 Факс: +86-546-8179681

Филиал в России

Адрес: Россия, 119019, г. Москва, пр. Вернадского, д. 29 E-mail: [email protected] Тел: +7 (495) 363-09-55, 565-35-58 Факс: +7 (495) 363-09-66

НАСОСЫ

бойной зоне обсадной колонны(ОК); кП

- коэффициент продуктивности пласта (определяется формулой Дюпри [9]).

Н+-°К=5 (®ок-'<п(Рн-Р|ГРнкт+Ро)); 01 -'ок

(рп-рок)пкп=аок;

(рн-рв-рнкт+рс)кп=(1нкг (2)

р б

v =н б = ок ок-

ОК ОК ОК др '

р -арн • к -п1^) Г0К 9РП0К' кп Л 2яИк '

пр

где т] - динамическая вязкость жидкости; DHKT, LHKT - соответственно внутренний диаметр и длина НКТ; РНКТ -давление создаваемого весом столба жидкости в НКТ; Рс - давление, вызванное концентрацией газов в жидкости, способствующее понижению веса жидкости; V иS - объем впризабойной

ок ок г

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

зоне и площадь сечения ОК; Нок - высота столба жидкости в ОК; Qок - поток в призабойной зоне; RП - радиус зоны дренирования скважины; RС - радиус скважины; || - мощность пласта; к -

^ пр

коэффициент проницаемости пласта. Новизной математической модели, представленной системами дифференциальных уравнений двухфазной электрической машины в векторной форме записи и динамической модели жидкости в скважинной системе (1) и (2), является: меньший порядок СДУ благодаря представлению модели в операторной форме записи, представление СДУ во вращающейся и связанной со статором координатной системе X,

Y и выражение системы через векторы потокосцепления статорных и роторных обмоток, а также учет параметров системы «питающая сеть - трансформатор - кабель - фильтр - АД - ШГНУ

- скважина».

математическое моделирование

Рассмотрим работу данной модели при прямом пуске асинхронного электродвигателя СК (рис. 4а), мощностью 18,5 кВт, 1500 об./мин. и при пуске АД (рис. 4б) посредством преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией [18, 19].

300

<Рс*ог ч

Токи статора '

<Е1ес*1отадг Угловая скорость

.....4......

У \

Электромагнитный момент

ШМ

0.2

0,4

06

ае

а)

б)

Рис. 4. Графики переходных процессов: а) прямого пуска асинхронного электродвигателя и б) пуска АД от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией

Согласно рисункам 4а и 4б, ударный ток при прямом пуске АД достигает 487 А, а при пуске АД от системы автоматического управления с преобразователем частоты и широтно-импульсной модуляцией (САУ ПЧ с ШИМ) - 293 А, пусковой ток при прямом пуске составляет 397 А, а при пуске АД от САУ ПЧ с ШИМ - 200 А, ударный момент при прямом пуске составляет 736 Нм, а при пуске АД от САУ ПЧ с ШИМ - 200 Нм, пусковой момент при прямом пуске составляет 600 Нм, а при пуске АД от САУ ПЧ с ШИМ - 200 Нм, время переходного процесса при прямом пуске составляет 0,6 сек, а при пуске АД от САУ ПЧ с ШИМ - 0,35 сек. Данные графики показывают работоспособность и адекватность модели АД при прямом пуске и при пуске АД от системы автоматизации с преобразователем частоты и ШИМ с учетом питающей линии, трансформатора, кабеля, фильтра в статорной цепи АД, а также включающей параметры насосной установки и скважины.

обсуждение результатов

математического

моделирования

Полученные путем математического моделирования графики переходных процессов (рис. 4а и 4б) - прямого пуска асинхронного электродвигателя (а) и пуска АД от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией (б) можно представить в виде таблицы. Анализ графиков переходного процесса пуска электродвигателя показывает, что при прямом пуске под нагрузкой ударный момент составляет 736 Нм, ударный ток - 487 А, пусковой ток - 397 А, пусковой момент - 600 Нм. Многократное увеличение пусковых параметров характерно для выбранного типа асинхронного электродвигателя. Однако учитывая тот факт, что, согласно паспортным характеристикам АД, номинальный пусковой ток не должен превышать 256 А, а номинальный пусковой момент - 280 Нм, можно сделать вывод, что ресурс электродвигателя будет значительно снижаться вслед-

30

№ 4 апрель 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

IPn^jyjnEj-Г

ООО «Формост Мэлони Индастриз Лимитед»

119180, РФ, г. Москва,ул. Малая Полянка, 12А, офис 11; тел.: +7 (495) 234-95-69; факс (495) 234-98-16; e-mail: [email protected]; www.foremost.ca г. Cypiyr, Андреевский заезд, д. 7; тел.: +7 (982) 413-05-67

Foremost

всегда был передовой компанией. Предприятие продолжает занимать лидирующие позиции благодаря инновационным разработкам, усовершенствованию производственного процесса и инвестициям в людей и технологии.

«Формост Индастриз» - инновационная канадская компания мирового класса, один из лидеров в проектировании и производстве высокомобильной вездеходной техники, предназначенной для транспортировки тяжелых грузов, бурового оборудования,

«Формост» - это уникальные технологические решения, прогрессивные методы производства, высокая эффективность.

НАСОСЫ

Таблица. Анализ результатов математического моделирования

Параметр переходного процесса Прямой пуск Пуск отСАУ ПЧ с ШИМ Расхождение

Знач. %

Угловая скорость, рад/сек 157 153 3 2

Перерегулирование по угловой скорости, % 175 153 22 17

Ударный ток, А 487 293 194 66

Ударный момент, Нм 736 200 536 268

Пусковой ток, А 397 200 197 98,5

Пусковой момент, Нм 600 200 400 200

Время переходного процесса, сек 0,6 0,35 0,25 71,5

Переменные потери мощности, Вт 1021 664 357 54

Средняя активная потребляемая мощность, Вт 32810 20900 11910 57

Коэффициент полезного действия, % 19 67 48 -

ствие действия значительных динамических нагрузок и инерционных масс СК. Это может привести к снижению межремонтного периода скважины и увеличению затрат от ее простоя и потерь нефти.

Согласно анализу результатов математического моделирования (табл.), видно, что при пуске электродвигателя от системы автоматического управления с преобразователем частоты и широт-но-импульсной модуляцией перерегулирование по угловой скорости снижается на 17%, точность поддержания значения угловой скорости увеличивается на 2%, значение ударного тока уменьшается на 66%, значение ударного момента уменьшается на 268%. Также снижаются значения пускового тока на

98,5% и пускового момента на 200%, время переходного процесса уменьшается на 71,5%.

В заключение можно сделать следующие основные выводы: • система автоматического управления с преобразователем частоты и широт-но-импульсной модуляцией позволяет повысить качество переходного процесса пуска АД путем уменьшения пусковых и ударных токов на 98,5 и 66% соответственно в сравнении с прямым пуском, а также путем оптимального подбора пусковых и ударных моментов, значения которых в 2 и 2,7 раза соответственно ниже относительно прямого пуска. Это обеспечивает уменьшение колебаний электромагнитного момента и угловой скорости при их выходе на рабочее зна-

чение, а также уменьшение на 71,5% времени переходного процесса;

• в переходном процессе пуска на 54% снижаются переменные потери мощности, на 57% уменьшается средняя активная потребляемая мощность, на 48% увеличивается коэффициент мощности, обеспечивается плавный пуск электродвигателя, что ведет к снижению количества часов простоя скважины, меньшему числу отказов оборудования и увеличению межремонтного периода (в среднем в два раза);

• также при пуске с помощью системы автоматизации с преобразователем частоты и широтно-импульсной модуляцией наблюдается увеличение точности на 2% угловой скорости и уменьшение перерегулирования на графике угловой скорости на 17%, что обусловлено ходом плунжера и динамической нагрузкой на штоке.

Таким образом, разработанная математическая модель, учитывающая параметры системы «питающая сеть -трансформатор - кабель - фильтр - АД - ШГНУ - скважина» позволяет исследовать динамические режимы работы и пусковые процессы как при прямом пуске АД ШГНУ, так и от системы автоматизации с преобразователем частоты и ши-ротно-импульсной модуляцией.Также данная модель позволяет производить оценку энергетических показателей динамики работы системы автоматизации с ПЧ и ШИМ относительно классической схемы без преобразователя частоты.

Литература:

1. Якимов С.Б., Клусов А.А., Баринов А.А. Линейный привод ШГН. Первый опыт применения в России // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2013. - № 8. - С. 50-57.

2. Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Булат А.В. Системы защиты скважинного оборудования от механических примесей // Территория «НЕФТЕГАЗ». -2010. - № 9. - С. 62-67.

3. Адонин А.Н. Добыча нефти штанговыми насосами. - М.: Недра, 1979.

4. Вирновский А.С. Теория и практика глубинно-насосной добычи нефти. - М.: Недра, 1971.

5. Ивановский В.Н. Научные основы создания и эксплуатации насосного оборудования для добычи нефти в осложненных условиях из мало- и сред-недебитных скважин: Автореф. дис. доктора техн. наук. - М., 1999. - 50 с.

6. Нгуен Ле Минь. Совершенствование гидроприводов штанговых насосов на основе выбора рационального закона движения выходного звена: Автореф. дис. канд. техн. наук. - М., 1991. - 22 с.

7. Ивановский В.Н., Садчиков Н.В., Улюмджиев А.С. К вопросу оптимизации закона движения выходного звена привода скважинной штанговой насосной установки // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2012. - № 5. - С. 86-90.

8. Кулешов С. Увеличение добычи нефти с VLT SALT // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2010. - № 10. - С. 54.

9. Смирнов А.О., Ланграф С.В., Казаков В.С., Бекишев Р.Ф. Исследование динамических режимов работы частотно-управляемого асинхронного электропривода в условиях низких температур // Известия ТПУ. - 2011. - № 4. - С. 107-110.

10. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. - Екатеринбург: УРО РАН, 2000. - 654 с.

11. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 2001. - 274 с.

12. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. - Л.: Энергоиздат, 1982. - 392 с.

13. Нугаев И.Ф., Искужин Р.В. Комплекс математических моделей для решения задач синтеза алгоритмов управления процессами в нефтедобывающих скважинах // Вестник УГАТУ. - 2012. - Т. 16. - № 8 (53). - С. 36-44.

32

№ 4 апрель 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

PUMPS

14. Хисамутдинов Н.И. Проблемы сохранения продуктивности скважин и нефтенасыщенных коллекторов в заключительной стадии разработки. - СПб.: Недра, 2007.

15. Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Великий С.Н., Ершов М.С., Яризов А.Д. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике нефтегазовой промышленности. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. - 478 с.

16. Сагдатуллин А.М., Емекеев А.А. Схема комплексной автоматизации электропривода насосной станции: Патент России № 136504, заявка № 2013131974/07 (047770). Дата приоритета: 09.07.2013.

17. Сагдатуллин А.М. Программа изучения системы управления высоковольтным асинхронным электроприводом: Свидетельство № 2014611769. Зарег. 10 февраля 2014 г. - М.: Роспатент, 2014.

18. Сагдатуллин А.М. Система управления высоковольтным асинхронным электроприводом: Свидетельство № 2014612227. Зарег. 21 февраля 2014 г. - М.: Роспатент, 2014.

19. Сагдатуллин А.М., Каяшев А.И., Емекеев А.А. Заявка № 2013151910/07 (080943). Дата подачи заявки: 21.11.2013.

UDC 622.276.53.054.22:621.3

A.M. Sagdatullin, PhD candidate of Almetyevsk State Oil Institute, e-mail: [email protected]

Development of the automation system mathematical model for the sucker rod pump electric drive

This paper deals with the method for enhancing the sucker rod pump (SRP) efficiency on the basis of the frequency converter (FC) with pulse-duration modulation (PDM). It contains the development of the SRP electric drive mathematical model facilitating the research into the transition processes of the dynamic system start-up, including mains, transformer, cable, induction motor (IM), SRP. This paper also elaborates the equivalent circuit of the plant in question and also its mathematical description both under direct start-up and the IM start up from the frequency converter with pulse-duration modulation. Graphs of current, angular speed, electromagnetic torque depending on the time and subject to the dynamic load borne by the electric motor shaft are obtained.

Keywords: modeling, energy efficiency, electric drive, sucker rod pump, deep well pump, frequency converter with pulse-duration modulation, induction electric motor.

References:

1. Yakimov S.B., Klusov A.A., Barinov A.A. Lineinyi privod ShGN. Pervyi opyt primeneniya v Rossii (Linear sucker-rod pump drive. First experience of application in Russia) // NEFTEGAZ Territory. - 2013. - No. 8. - P. 50-57.

2. Ivanovskiy V.N., Sabirov A.A., Bulat A.V. Sistemy zatshitnogo skvazhinnogo oborudovaniya ot mekhanicheskikh primesei (Systems for well equipment protection against mechanical impurities) // NEFTEGAZ Territory. - 2010. - No. 9. - P. 62-67.

3. Adonin A.N. Dobycha nefti shtangovymi nasosami (Oil production with sucker rod pumps). - Moscow: Nedra, 1979.

4. Virnovskiy A.S. Teoriya i praktika glubinno-nasosnoi dobychi nefti (Subsurface pump oil production, theory and practice). - Moscow: Nedra, 1971.

5. Ivanovskiy V.N. Nauchnye osnovy sozdaniya i ekspluatatsii nasosnogo oborudovaniya dlya dobychi nefti v oslozhnennykh usloviyakh iz malo- i srednebitnykh skvazhin (Scientific basis for construction and operation of pumping equipment for oil production in complicated environment from low and medium flow rate wells): Synopsis of Thesis, Doctor of Technical Science - Moscow, 1999. - 50 p.

6. Nguen Le Min. Sovershenstvovanie gidroprivodov shtangovykh nasosov na osnove vybora ratsional'nogo zakona dvizheniya vykhodnogo zvena (Improvement of the sucker rod pumps hydraulic drives based on selection of a rational output element motion law): Synopsis of Thesis, Doctor of Technical Science - Moscow, 1991. - 22 p.

7. Ivanovskiy V.N., Sadchikov N.V., Ulyumdzhiyev A.S. K voprosu optimizatsii zakona dvizheniya vykhodnogo zvena privoda skvazhinnoi shtangovoi nasosnoi ustanovki (On optimization of the output element motion law at the sucker rod pump drive) // NEFTEGAZ Territory. - 2012. - No. 5. - P. 86-90.

8. Kuleshov S. Uvelichenie dobychi nefti s VLT SALT (Enhancing oil production with VLT SALT) // NEFTEGAZ Territory. - 2010. - No. 10. - P. 54.

9. Smirnov A.O., Langraf S.V., Kazakov V.S., Bekishev R.F. Issledovanie dinamicheskikh rezhimov raboty chastotno-upravlyaemogo asinkhronnogo elektroprivoda v usloviyakh nizkikh temperatur (Research into the dynamic modes of the frequency controlled induction electric drive operation under low temperatures) // Izvestiya TPU. - 2011. - No. 4. - P. 107-110.

10. Shreyner R.T. Matematicheskoe modelirovanie elektroprivodov peremennogo toka s poluprovodnikovymi preobrazovatelyami chastoty (Mathematical modeling of the alternating current electric drives with semiconductor frequency converters). - Yekaterinburg: Ural Division of the Russian Academy of Science, 2000. - p. 654.

11. Kopylov I.P. Matematicheskoe modelirovanie elektricheskikh mashin (Mathematical modeling of electrical machines). - Moscow: Vysshaya Shkola, 2001. - 274 p.

12. Basharin A.V., Novikov V.A., Sokolovskiy G.G. Upravlenie elektroprivodami (Electric drive control). - Leningrad: Energoizdat, 1982. - 392 p.

13. Nugayev I.F., Iskuzhin R.V. Kompleks matematicheskikh modelei dlya resheniya zadach sinteza algoritmov upravleniya protsessami v neftedobyvayutshikh skvazhinakh (Mathematical model package for solving the task of synthesizing algorithms of process control in oil production wells) // - 2012. - T. 16. - No. 8 (53). - P. 36-44.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

14. Khisamutdinov N.I. Problemy sokhraneniya produktivnosti skvazhin i neftenasytshennykh kollektorov v zaklyuchitel'noi stadii razrabotki (The problem of preserving the capacity of wells and oil saturated reservoirs at the final development stage). - SPb.: Nedra, 2007.

15. Belousenko I.V., Schwarz G.R., Velikiy S.N., Yershov M.S., Yarizov A.D. Novye tekhnologii i sovremennoe oborudovanie v elektroenergetike (New technologies and modern equipment in the oil industry power engineering). - Moscow: Nedra Business Center LLC, 2007. - 478 p.

16. Sagdatullin A.M., Yemekeyev A.A. Skhema kompleksnoi avtomatizatsii elektroprivoda nasosnoi stantsii (Comprehensive automation diagram of the pump plant electric drive): Russian patent No. 136504, application No. 2013131974/07 (047770). Priority date: 09.07.2013.

17. Sagdatullin A.M. Programma izucheniya sistemy upravleniya vysokovol'tnym asinkhronnym elektroprivodom (Program for studying the control system of the high voltage induction electric drive): Certificate No. 2014611769. Registered on February 10, 2014. - Moscow: Rospatent, 2014.

18. Sagdatullin A.M. Sistema upravleniya vysokovol'tnym asinkhronnym elektroprivodom (Control system of the high voltage induction electric drive): Certificate No. 2014612227. Registered on February 21, 2014. - Moscow: Rospatent, 2014.

19. Sagdatullin A.M., Kayashev A.I., Yemekeyev A.A. Application No. 2013151910/07 (080943). Application submitted on 21.11.2013.

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 4 апрель 2014

33

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.