CC BY
43
Шафиков И. Н. Shafikov I. N.
аспирант кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств», ФГБОУВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 681.5:502:622.276 DOI: 10.17122/1999-5458-2019-15-3-53-60
РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРИВОД СКВАЖИННОГО ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА НА ОСНОВЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО МНОГОУРОВНЕВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
Электроцентробежные скважинные насосы являются основным инструментом добычи нефти в нашей стране, в то время как их электроприводы — главные потребители электроэнергии на нефтедобывающих предприятиях.
Во время эксплуатации скважин часто требуется изменять производительность насосного погружного агрегата. Наиболее экономичным способом изменения производительности сква-жинного электроцентробежного насоса является использование частотно-регулируемого электропривода.
В настоящее время для регулирования скважинных насосов используют, в основном, низковольтные преобразователи частоты. Так как к скважинам подводится высокое напряжение, а погружные двигатели также выполняются высоковольтными, требуется установка трансформаторов перед и после низковольтного преобразователя частоты. Двойная трансформация напряжения снижает общий КПД системы, а также ограничивает диапазон регулирования частоты вращения вниз, так как характеристики трансформаторов на низких частотах резко ухудшаются.
В статье предлагается использовать в регулируемом электроприводе скважинных насосов высоковольтные преобразователи частоты, выполненные на основе многоуровневой схемы. Многоуровневые преобразователи частоты обладают более высоким КПД и надежностью.
Но самым важным достоинством многоуровневого преобразователя частоты является относительно низкий уровень генерируемых высокочастотных гармоник. В статье приводятся графики спектров входного напряжения погружного электродвигателя для случаев использования низковольтного преобразователя частоты с повышающим трансформатором и высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты. Анализ спектров позволяет сделать вывод, что регулируемый электропривод на основе многоуровневого преобразователя частоты обеспечивает значительно больший уровень электромагнитной совместимости. Высокочастотные электромагнитные помехи, генерируемые преобразователями частоты, загрязняют сеть, а также вызывают нагрев и дополнительные потери в двигателе.
Для количественной оценки генерируемых преобразователем частоты помех в работе вычислены значения коэффициента нелинейных искажений для различного количества уровней напряжения. Сделан вывод, что для питания погружных электродвигателей наиболее целесообразно выполнять многоуровневые преобразователи частоты с тремя уровнями напряжений.
Ключевые слова: электроцентробежный насос, нефтяная скважина, электропривод, погружной электродвигатель, коэффициент полезного действия, спектр, многоуровневый преобразователь частоты, коэффициент нелинейных искажений.
ELECTRIC SUBMERSIBLE PUMP ADJUSTABLE DRIVE BASED ON HIGH-VOLTAGE MULTILEVEL FREQUENCY CONVERTER
Electric submersible pumps are the main tool of oil production in Russia. Electric submersible pumps drives are the main consumers of electricity at oil-producing enterprises.
It is often necessary to change the flow of the submersible pumping unit. The use of a variable frequency drive is the most economical way to change the flow of a submersible pump unit.
The low-voltage frequency converters are used to control well pumps now. But high voltage is supplied to the wells, and submersible electric motors are also made high-voltage. Therefore, it is necessary to install two transformers. Step-down transformer is installed at the input of the frequency converter and step-up transformer is installed at the output of the frequency converter. Dual voltage transformation reduces overall system efficiency.
In this article, the author proposes to use high-voltage multilevel frequency converters in the regulated electric drives of well pumps. Multilevel frequency converters have higher efficiency and reliability.
However, the most important advantage of a multilevel frequency converter is the low level of generated high-frequency harmonics. In the article, the author provides voltage spectra for using a low-voltage frequency converter with a step-up transformer and a high-voltage multilevel frequency converter. Spectrum analysis shows a high-voltage multilevel frequency converter provides a high level of electromagnetic compatibility. The high frequency harmonics pollute the electrical network, heat the motor, and cause additional losses.
The nonlinear distortion factor is calculated for a different number of voltage levels to quantify the generated interference. It is concluded that to power the submersible electric motors it is most expedient to perform multilevel frequency converters with three voltage levels.
Key words: electric submersible pump, oil well, electric drive, submersible electric motor, efficiency, spectrum, multilevel frequency converter, nonlinear distortion factor.
Введение
На нефтепромыслах нашей страны для добычи углеводородного сырья широко используются скважинные электроцентробежные насосы (ЭЦН). В России установками ЭЦН эксплуатируется свыше 55 % скважин, которые обеспечивают добычу 75 % всей нефти [1, 2]. Установки ЭЦН получили широкое распространение благодаря таким преимуществам, как большие значения подачи и напора (до 500-1000 м3/сут и до 2000-3000 м), простота и компактность наземного оборудования, возможность использования в наклонных скважинах [3, 4]. Вместе с тем данный способ эксплуатации скважин имеет ряд недостатков: сравнительно высокие удельные затраты электроэнергии на подъем скважинной жидкости, сложность работы при наличии в продукции газа и песка [5].
Отдельную проблему представляет регулирование производительности погружного насоса. Необходимость изменять производительность насоса в процессе эксплуатации скважины может быть связана как с неточным
подбором оборудования, так и с изменением нефтеотдачи скважины. Замена типоразмера насосного агрегата требует проведения спу-скоподъемных операций и является чрезвычайно дорогостоящим мероприятием. Так как здесь, в отличие от станков-качалок, нет возможности механически регулировать производительность насоса, изменяя частоту качаний и длину хода штока, остается использовать два метода — дросселирование и частотное регулирование. Метод дросселирования, заключающийся в перекрытии задвижки на выкидной линии, сопряжен с большими гидравлическими потерями и, соответственно, повышенным расходом электроэнергии. Поэтому наиболее оптимальным с точки зрения энергоэффективности методом изменения производительности погружного насосного агрегата является частотное регулирование. Частотно-регулируемый привод (ЧРП) ЭЦН имеет целый ряд преимуществ: плавное регулирование скорости вращения, возможность плавных пусков погружного электродвигателя (ПЭД), отказ от периодической эксплуатации скважин [6, 7].
Схема регулируемого привода ЭЦН на основе низковольтного преобразователя
частоты
Скважинные ПЭД могут выпускаются на различное номинальное напряжение от 0,4 до 3,0 кВ в зависимости от мощности и типоразмера. Кроме того, в кабеле ЭЦН происходят значительные потери напряжения, поэтому источник питания должен обеспечивать возможность генерации различных уровней выходного напряжения. Это затрудняет использование для ЧРП ЭЦН высоковольтных преобразователей частоты (ПЧ).
Поэтому в настоящее время в установках ЭЦН используют главным образом низковольтные ПЧ на 0,4 кВ, включаемые перед повышающим трансформатором [8]. Схема ЧРП ЭЦН на основе низковольтного ПЧ приведена на рисунке 1.
Такая схема содержит входной понижающий трансформатор Т1, низковольтный ПЧ, фильтр (установленные в станции управления), повышающий выходной трансформатор Т2, кабельную линию и ПЭД. Достоинствами такой схемы являются возможность использования доступных по стоимости и надежных низковольтных ПЧ на 0,4 кВ, безопасность обслуживания станции управления, где отсутствует высоковольтное электрооборудование, а также возможность регулирования выходного напряжения переключением отпаек на повышающем трансформаторе Т2.
Систему ЧРП ЭЦН на основе низковольтного ПЧ используют производители ряда отечественных и импортных станций управления: ЭЛЕКТ0Н-05, ИРЗ-500, Новомет-03, НЭК-03М, SpeedStar Titan II, АЛСУ-АЧ, REDAstar, SCD-630BAMW и другие [9-11].
Вместе с тем такая схема ЧРП ЭЦН имеет ряд недостатков:
— понижение общего КПД установки из-за двойной трансформации напряжения;
— ограниченный диапазон регулирования частоты питающего напряжения в сторону понижения из-за ухудшения свойств трансформатора в области низких частот;
— протекание больших токов через низковольтный ПЧ.
Сеть 3x6(10) кВ
Рисунок 1. Схема ЧРП ЭЦН на основе низковольтного ПЧ
Схема регулируемого привода ЭЦН на основе высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты
Перечисленные выше недостатки схем ЧРП ЭЦН на основе низковольтного ПЧ, а также стремление повысить энергетические и эксплуатационные характеристики сква-жинных насосов обусловили необходимость разработки новой схемы регулируемого электропривода ЭЦН. В связи с этим была предложена схема ЧРП ЭЦН на основе высоковольтного многоуровневого ПЧ (рисунок 2).
Такая схема содержит входной трансформатор, высоковольтный ПЧ, выполненный по многоуровневой схеме, фильтр, кабельную линию и ПЭД. Входной трансформатор понижает напряжение сети 6(10) кВ до номинального напряжения ПЭД с учетом потерь в ПЧ и кабеле.
Среди главных преимуществ схемы ЧРП на основе многоуровневого ПЧ следует отметить высокую степень электромагнитной совместимости благодаря низкому уровню генерируемых высокочастотных помех, а также высокую надежность благодаря возможности резервирования силовых ячеек
[12, 13].
Электромагнитная совместимость высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты
Электромагнитная совместимость устройств приводной полупроводниковой техники определяется, в значительной мере, уровнем генерируемых помех. Помехи от работающего полупроводникового преобразователя распространяются в обе стороны: в сеть, ухудшая показатели качества электрической энергии, и в электродвигатель, где вызывают нагрев его обмоток, ускоренное старение изоляции, снижение КПД и дополнительные потери [14].
Для сравнения на рисунках 3 и 4 показаны спектры выходных напряжений в ЧРП, выполненных на основе низковольтного и высоковольтного многоуровневого ПЧ. Из анализа рисунков 3 и 4 видно, что содержание высших гармоник в выходном напряжении высоковольтного многоуровневого ПЧ значительно ниже [15].
Рисунок 2. Схема электропривода погружного насоса на основе высоковольтного многоуровневого ПЧ
2
500
2000 { Гц 2500
Рисунок 3. Спектр выходного напряжения ЧРП, выполненного на основе низковольтного ПЧ, при формировании синусоиды частотой 50 Гц
1 * •
• • 1 --------------------------------
* 1 •
• * • *
1 1 * •
• • « •
• * * | ----.............
• * •
"С" л * • ^ \ А
2
0
500
1000
1500
2000
I, Гц 2500
Рисунок 4. Спектр выходного напряжения ЧРП, выполненного на основе высоковольтного многоуровневого ПЧ, при формировании синусоиды частотой 50 Гц
Чтобы сделать количественную оценку ^ Мач
отклонения формы напряжения, поступаю- й(а) = ит- \зт(ш--] +
щего на вход ПЭД от синусоиды, необходимо а ^
2
выполнить разложение в ряд Фурье и найти
коэффициент нелинейных искажений. + _\_5т[(тр — + <ртр-1] +
Выполним разложение в ряд Фурье вход- ^л1тР ~ ^ ного напряжения ПЭД [16]:
+ X то~+1 + + Фтр+1]
то
т= 1
(1)
где т=1; 2; 3; 4...; р =4 п — число ступеней на период.
Коэффициент нелинейных искажений при равномерном квантовании по уровню находится по формуле:
к - —
Ки "Wб'
(2)
В таблице 1 приведены значения коэффициента нелинейных искажений в зависимости от числа уровней квантования.
Таблица 1. Зависимость коэффициента нелинейных искажений ки от числа уровней квантования
Число Коэффициент нелинейных
уровней, n искажений, ки
1 0,40
2 0,20
3 0,13
4 0,10
5 0,08
6 0,06
Как видно из таблицы 1, при числе уровней п=3 коэффициент нелинейных искажений составляет 13 %, а при п=5 — около 8 % (без учета фильтров). Увеличение количества уровней повышает качество выходного напряжения ПЧ, однако приводит к усложнению конструкции как самого преобразователя, так и входного трансформатора, увеличивает габариты устройства и его стоимость. Учитывая, что ПЭД выпускаются на напряжения до 3 кВ, наиболее оптимальным будет выполнять высоковольтный ПЧ с количеством уровней п = 3. Современные ЮВТ-транзисторы способны коммутировать
Список литературы
1. Хакимьянов М.И. Управление электроприводами скважинных насосных установок. М.: Инфра-Инженерия, 2017. 138 с.
2. Ивановский В.Н. Анализ современного состояния и перспектив развития скважинных насосных установок для добычи нефти // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2007. № 6. С. 12-21.
3. Искужин Р.В., Нугаев И.Ф. Анализ и синтез алгоритмов управления нефтедобывающей скважины на базе электрического центробежного насоса // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т. 9. № 1. С. 18-20.
4. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. 816 с.
напряжения до 1,7 кВ [17], что позволяет построить ПЧ на 3 кВ с тремя уровнями напряжений.
Дальнейшее увеличение количества уровней хоть и повысит качество напряжения и надежность преобразователя, но приведет к усложнению конструкции входного многообмоточного трансформатора и самого преобразователя и, как следствие, к удорожанию преобразователя.
Выводы
1. Используемые в настоящее время ЧРП ЭЦН на основе низковольтных преобразователей частоты имеют ряд недостатков: высокий уровень генерации высших гармоник, низкий КПД за счет двойной трансформации напряжений, ограниченный диапазон регулирования частоты вниз.
2. В работе предлагается выполнять ЧРП ЭЦН на основе высоковольтных многоуровневых преобразователей частоты, обладающих более высокими характеристиками.
3. Для питания ПЭД требуется обеспечить выходное напряжение до 3 кВ, поэтому высоковольтный преобразователь частоты оптимально должен иметь три уровня напряжения. Дальнейшее увеличение количества уровней хоть и повысит качество напряжения и надежность преобразователя, но приведет к усложнению конструкции и повышению стоимости преобразователя.
5. Ивановский В.Н., Пекин С.С., Сабиров А.А. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. 256 с.
6. Хакимьянов М.И., Шафиков И.Н. Анализ потребления электроэнергии при механизированной добыче нефти электроцентробежными насосами // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т. 9. № 3. С. 37-41.
7. Шабанов В.А. Основы регулируемого электропривода основных механизмов бурения, добычи и транспорта нефти. Уфа: УГНТУ, 2009. 156 с.
8. Сушков В.В., Марьянов А.С. Особенности обеспечения динамической устойчивости установок электроцентробежных насо-
Электротехнические комплексы и системы
сов с частотно-регулируемым приводом // Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 1. С. 354-357.
9. Лепехин В.И., Видякин Н.Г., Вале-ев А.С., Канн А.Г. ЗАО «Электон»: разработка и опыт эксплуатации комплекса оборудования для автоматизации добычи нефти // Нефтяное хозяйство. 2004. № 5. С. 111-112.
10. Зайцев И.И., Сяктерев В.Н., Сяктере-ва В.В. Разработка модели и исследование макета активного выпрямителя напряжения в составе частотных преобразователей систем энергоснабжения погружных электродвигателей // Вестник ИжГТУ им. МТ Калашникова. 2017. Т. 20. № 3. С. 114-117. DOI: 10.22213/2413-1172-2017-3-114-117.
11. Мартюшев Д.Н. Комплексный подход к энергоэффективности при добыче нефти УЭЦН // Инженерная практика. 2011. № 6. С. 72-77.
12. Хакимьянов М.И., Шабанов В.А. Входные многообмоточные трансформаторы для многоуровневых преобразователей частоты // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2012. № 5. С. 47-54. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Hakimya-nov/Hakimyanov_8.pdf. (дата обращения: 03.08.2019).
13. Донской Н., Иванов А., Матисон В., Ушаков И. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики // Силовая электроника. 2008. № 15. С. 43-46.
14. Павленко В., Климов В., Климов И. Сравнительный анализ электромагнитных процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей промышленности // Силовая электроника. 2010. № 26. С. 30-35.
15. Сапельников В.М., Хакимьянов М.И. Спектр выходного напряжения многоуровневых преобразователей частоты // Датчики и системы. 2013. № 4. С. 20-23.
16. Смеляков В. В. Цифровая измерительная аппаратура инфранизких частот. М.: Энергия, 1975. 168 с.
17. Толкачев С., Алешин В., Мускати-ньев В., Сабешкин А., Гурвич А. Силовые полупроводниковые блоки компании ОАО «Электровыпрямитель» // Компоненты и технологии. 2016. № 6 (179). С. 38-41.
References
1. Khakimyanov M.I. Upravlenie elektro-privodami skvazhinnykh nasosnykh ustanovok [Control of Electric Drives of Downhole Pumping Units]. Moscow, Infra-Inzheneriya Publ., 2017. 138 p. [in Russian].
2. Ivanovskii V.N. Analiz sovremennogo sostoyaniya i perspektiv razvitiya skvazhinnykh nasosnykh ustanovok dlya dobychi nefti [Analysis of the Current State and Prospects of Development of Downhole Pumping Units for Oil Production]. Oborudovanie i tekhnologii dlya neftegazovogo kompleksa — Equipment and Technologies for Oil and Gas Complex, 2007, No. 6, pp. 12-21. [in Russian].
3. Iskuzhin R.V., Nugaev I.F. Analiz i sintez algoritmov upravleniya neftedobyvayu-shchei skvazhiny na baze elektricheskogo tsentrobezhnogo nasosa [Analysis and Synthesis of Algorithms of Management of the Oil-Extracting Well on the Basis of the Electric Centrifugal Pump]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2013, Vol. 9, No. 1, pp. 18-20. [in Russian].
4. Mishchenko I.T. Skvazhinnaya dobycha nefti [Downhole Oil Production]. Moscow, «Neft' i gaz» RGU nefti i gaza im. I.M. Gubkina Publ., 2003. 816 p. [in Russian].
5. Ivanovskii V.N., Pekin S.S., Sabi-rov A.A. Ustanovki pogruzhnykh tsentro-bezhnykh nasosov dlya dobychi nefti [Submersible Centrifugal Pumps for Oil Production]. Moscow, «Neft' i gaz» RGU nefti i gaza im. I.M. Gubkina Publ., 2002. 256 p. [in Russian].
6. Khakimyanov M.I., Shafikov I.N. Analiz potrebleniya elektroenergii pri mekha-nizirovannoi dobyche nefti elektrotsen-trobezhnymi nasosami [Analysis of Energy Consumption of Artificial Lift Using Electric Submersible Pumps]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2013, Vol. 9, No. 3, pp. 37-41. [in Russian].
7. Shabanov V.A. Osnovy reguliruemogo elektroprivoda osnovnykh mekhanizmov bureniya, dobychi i transporta nefti [Basics of Regulated Electric Drive of the Main Mechanisms of Drilling, Production and Transportation
of Oil]. Ufa, UGNTU Publ., 2009. 156 p. [in Russian].
8. Sushkov V.V., Maryanov A.S. Oso-bennosti obespecheniya dinamicheskoi ustoichivosti ustanovok elektrotsentrobezhnykh nasosov s chastotno-reguliruemym privodom [Specific of Ride-Through Solution for Electric Submersible Pump with Variable Speed Drives]. Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin — Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines, 2014, No. 1, pp. 354-357. [in Russian].
9. Lepekhin V.I., Vidyakin N.G., Vale-ev A.S., Kann A.G. ZAO «Elekton»: razrabotka i opyt ekspluatatsii kompleksa oborudovaniya dlya avtomatizatsii dobychi nefti [Elekton ZAO: Development and Experience of Operating of an Equipment Complex for an Oil Recovery Automation]. Neftyanoe khozyaistvo — Oil Industry, 2004, No. 5, pp. 111-112. [in Russian].
10. Zaitsev I.I., Syakterev V.N., Syaktereva V.V. Razrabotka modeli i issledovanie maketa aktivnogo vypryamitelya napryazheniya v sostave chastotnykh preobrazovatelei sistem energosnabzheniya pogruzhnykh elektro-dvigatelei [Development of a Model and Research of Active Voltage Rectifier Prototype as a Part of Frequency Converters of Submersible Electric Motor Power Supply Systems]. Vestnik IzhGTU im. MT Kalashnikova — Bulletin of Kalashnikov ISTU, 2017, Vol. 20, No. 3, pp. 114-117. DOI: 10.22213/2413-1172-2017-3114-117 [in Russian].
11. Martyushev D.N. Kompleksnyi podkhod k energoeffektivnosti pri dobyche nefti UETsN [Integrated Approach to Energy Efficiency in Oil Production ESP]. Inzhenernaya praktika — Engineering Practice, 2011, No. 6, pp. 72-77. [in Russian].
12. Khakimyanov M.I., Shabanov V.A. Vkhodnye mnogoobmotochnye transformatory dlya mnogourovnevykh preobrazovatelei
chastoty [Input Multiwinding Transformers for Multilevel Inverters]. Elektronnyi nauchnyi zhurnal «Neftegazovoe delo» — Electronic Scientific Journal «Oil and Gas Business», 2012, No. 5, pp. 47-54. Available at: http://www. ogbus.ru/authors/Hakimyanov/Hakimyanov_8. pdf. (accessed 03.08.2019). [in Russian].
13. Donskoi N., Ivanov A., Matison V., Ushakov I. Mnogourovnevye avtonomnye invertory dlya elektroprivoda i elektroenergetiki [Multilevel Autonomous Inverters for Electric Drive and Electric Power Industry]. Silovaya elektronika — Power Electronics Magazine, 2008, No. 15, pp. 43-46. [in Russian].
14. Pavlenko V., Klimov V., Klimov I. Srav-nitel'nyi analiz elektromagnitnykh protsessov v strukturakh elektroprivodov neftedobyvayu-shchei promyshlennosti [Comparative Analysis of Electromagnetic Processes in the Structures of Electric Drives in the Oil Industry]. Silovaya elektronika — Power Electronics Magazine, 2010, No. 26, pp. 30-35. [in Russian].
15. Sapelnikov V.M., Khakimyanov M.I. Spektr vykhodnogo napryazheniya mnogo-urovnevykh preobrazovatelei chastoty [Investigation of the Output Voltage Spectrum in Multilevel Frequency Controlled Drives]. Datchiki i sistemy — Sensors & Systems, 2013, No. 4, pp. 20-23. [in Russian].
16. Smelyakov V.V. Tsifrovaya izme-ritel'naya apparatura infranizkikh chastot [Infra-Low Frequency Digital Measuring Equipment]. Moscow, Energiya Publ., 1975. 168 p. [in Russian].
17. Tolkachev S., Aleshin V., Muskatin'ev V., Sabeshkin A., Gurvich A. Silovye polu-provodnikovye bloki kompanii OAO «Elektro-vypryamitel'» [Power Semiconductor Elements of the Company JSC «Electrovypryamitel»]. Komponenty i tekhnologii — Components and Technologies, 2016, No. 6 (179), pp. 38-41. [in Russian].
