Разработка методики расчета и планирования удельного расхода электроэнергии насосными агрегатами, оборудованными частотно-регулируемым приводом

Мубаракшин Н.Н.; Елпидинский А.А.

УДК 665.62

Н. Н. Мубаракшин, А. А. Елпидинский

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПЛАНИРОВАНИЯ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НАСОСНЫМИ АГРЕГАТАМИ, ОБОРУДОВАННЫМИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ

Ключевые слова: центробежный насос секционный, частотно-регулируемый привод.

Рассмотрена существующая методика расчета удельного расхода электроэнергии, которая не учитывает изменение коэффициента полезного действия при частотном регулировании. Проведены испытания при различных частотах и разработана новая методика расчета для насосов с частотно-регулируемым приводом. Экспериментальное построение характеристик насосного агрегата. Изменение рабочих параметров насосного агрегата при регулировании частотой вращения вала.

Keywords: centrifugal pump, variable-frequency drive.

The existing methodology for calculating the specific electricity consumption is considered, which does not account for changes in efficiency with frequency regulation. The tests were performed at different frequencies and a new calculation technique was developed pumps with variable-frequency drive. Experimental construction of the characteristics of the pump unit. Change the operating parameters of the pump unit with regulation offrequency of rotation of the shaft.

Введение

Сегодня проблеме энергосбережения по всему миру и в том числе России уделяется много внимания. На сегодняшний момент основные усилия по экономии электроэнергии сосредоточены в области ее потребления - на промышленных объектах и объектах инфраструктуры.

На объектах подготовки нефти электроэнергии расходуется на:

- внутрипромысловую перекачку нефти;

- подготовку нефти;

- внешний транспорт;

- перекачку подтоварной воды.

Одним из источников уменьшения экономических затрат и установки оптимальных режимов работы системы перекачки нефти является внедрение автоматизированных систем подкачки с использованием частотных преобразователей. Реализация этого позволяет достичь двух основных целей: снизить расход электроэнергии и значительно снизить вероятность аварий в системах перекачки нефти. Установка частотно-регулируемых приводов (ЧРП) позволяет обеспечить минимально необходимые напоры в системе, и, кроме того, плавный пуск насосов, что, в свою очередь приводит к продлению ресурса технологического оборудования.

Внедрение ЧРП является хорошо зарекомендовавшим себя энергосберегающим мероприятием, массово применяемым в России и за рубежом: применяемые технологии являются испытанными, а оборудование для ЧРП массово выпускается многими отечественными и иностранными производителями [1].

На рисунке 1 представлена схема частотного преобразователя.

Современный частотно регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электрического электродвигателя и преобразователя частоты. Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую и приводит в движение исполнительный орган технологическо-

го механизма. Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой. Название «частотно-регулируемый привод» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.

Рис. 1 - Схема частотного преобразователя

На сегодняшний день в НГДУ «Нижнесор-тымскнефть», на базе которого выполнялась данная работа, 59 % насосных агрегатов для внутрипро-мысловой перекачки нефти оборудованы частотно-регулируемым приводом [2]. Практика предприятия подтверждает, что за счет применения частотно-регулируемых приводов достигается повышение надежности технологического режима, уменьшение износа электрооборудования и механизмов насосного агрегата, что ведет к увеличению срока службы оборудования. Так же применение ЧРП позволяет получить значительную экономию электроэнергии [3].

Утвержденная методика «Расчет норм расхода электрической энергии на добычу нефти» и необходимость разработки нового подхода

На предприятиях расчет удельного расхода электроэнергии (УРЭ) ведется по утвержденной методике «Расчет нормы расхода электрической энергии на добычу нефти» [4]. Используется следующая формула (1):

Ш

= 2,724

л V 100- )

(1)

где 2,724 10" - переводной коэффициент работы в кВтч по отношению к единице СИ; к - коэффициент, учитывающий дополнительные расходы электрической энергии на вспомогательные нужды и потери в электрических сетях (1,02-1,04); АН - планируемый напор, развиваемый дожимными насосами, подтверждаемый фактическими данными предшествующего периода, мм.вод.ст.; п - КПД, определяемый как произведение КПД насосного агрегата и электродвигателя ПнАс ПэЛ.двИГ.; о - обводненность нефти, транспортируемой насосами, %.

Нужно заметить, что КПД указывается с паспортных данных насосного агрегата и электродвигателя. При этом маркетинговые службы, которые продают на рынке частотно-регулирующее оборудование, вводят в серьезное заблуждение пользователей насосного оборудования, утверждая, что при снижении частоты вращения отсутствует снижение КПД. Однако проведенные нами опытные испытания доказывают обратное. С уменьшением частоты вращения КПД значительно снижается. И если не учесть падение КПД насоса при снижении частоты, пользователь получает мнимую (завышенную) экономичность агрегата. В условиях, когда не все производители и пользователи располагают оборудованием и оснащением, позволяющим проверить экономичность агрегатов на разных частотах, методика расчета не позволит дать точное значение норм расхода электроэнергии.

В итоге проверку экономичности приходится делать самим пользователям насосного оборудования. При этом, методик и нормативной документации на предмет того, как провести работу по проверке экономичности (КПД) насосного агрегата не существует. Существующая методика нацелена на насосные агрегаты работающие лишь с номинальной частотой 3000 об/мин либо 1500 об/мин, т.е. не учитывает изменение КПД с изменением частоты вращения ротора.

Все это обуславливает цель данной работы - разработку более точной методики расчета и планирования удельного расхода электроэнергии для насосных агрегатов с ЧРП.

Изучение характеристик насосного агрегата

Для разработки методики расчета УРЭ были проведены предварительные испытания насосного агрегата ЦНС 13/245. В выбранных интервалах частот при разных давлениях на выходе насоса сняты следующие показания:

- давление на входе и выходе насосного агрегата;

- количество перекачиваемой нефти,

- подаваемое напряжение на электродвигатель;

- потребляемый ток.

В работе были задействованы машинист, электрик и операторы.

На основании полученных данных построены графики зависимости (рис. 2-4):

- напора от расхода;

- потребляемой мощности от расхода;

- КПД от расхода.

По данным графикам можно увидеть изменения рабочих параметров насосного агрегата ЦНС 13/245. С уменьшением частоты вращения напор и откачка уменьшаются , что ведет к уменьшению потребляемой мощности электродвигателя и снижению КПД. Это подтверждает заявленный тезис, что для оценки УРЭ использование паспортных данных по КПД не является корректным.

Рис. 2 - График зависимости напора от расхода

Рис. 3 - График зависимости мощности от расхода

Рис. 4 - График зависимости КПД от расхода

Разработка новой методики расчета УРЭ

Основная задача разработки - учет в формуле расчета реальных рабочих параметров насосного агрегата при различных частотах. В ниже представленной формуле (2) приведен расчет УРЭ, КПД для которого найден по соотношению гидравлической мощности и потребляемой электрической (формула (3). Гидравлическая мощность найдена по снятым показания напора и откачки, а потребляемая электрическая - по реальным показаниям силы тока и напряжения.

Ш = ——, кВтч/т, (2)

36-грр у у

где Н - напор при заданной частоте; п - КПД насосного агрегата, доли; р - плотность нефти.

Формула КПД в развернутом виде:

_ Nr

(P2-Pi>Q

(3)

ТЗФи^соБф

где Р1 - давление на входе насосного агрегата; Р2 -давление на выходе насосного агрегата; Q - количество нефти, перекачиваемой насосным агрегатом; I -ток, потребляемый электродвигателем; и - напряжение в сети; cosф - косинус угла между векторами тока и напряжения.

Сравнение методик расчета показало: УРЭ по утвержденной методике составляет 1,4 кВт ч, по новой методике - 0,94 кВт ч. Таким образом, при учете изменений рабочих параметров насосного

агрегата с изменением частоты, точность (корректность) планирования определения УРЭ увеличивается на 33%.

Вывод

Результатом работы, которая была обсуждена на научно-технической конференции НГДУ "Нижне-сортымскнефть" в феврале 2017 года, стала разработка методики, позволяющей производить более корректный расчет и планирование расхода электроэнергии. Предполагая увеличение или уменьшение количества перекачиваемой нефти, становится возможным более точное прогнозирование количества мощности, которое будет потреблять электродвигатель в предстоящие периоды. Улучшение качества планирования электрической энергии и мощности приведет к снижению затрат на оплату авансовых платежей сторонним энергетическим компаниям.

Литература

1. Турк В.И., Минаев А.В., Карелин В.Я., «Насосы и насосные станции»

2. Электроэнергия НГДУ « Нижнесортымск-нефть» 2016 перекачка нефти. 06.11.2016

3. Туманов А.В., «Центробежные насосы»

4. Нормативно-технический документ «Методика расчета нормы расхода электрической энергии на добычу нефти».

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Мубаракшин Н.Н., Елпидинский А.А.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Мубаракшин Н.Н., Елпидинский А.А.