CC BY
24НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
УДК 621.313.323-5
М.Г. Пачин1, e-mail: maxpachin@ya.ru; В.А. Лоскутников2, e-mail: [oskutnikov.vasiiy@gmaii.com
1 АО «Пермская Научно-Производственная Приборостроительная Компания» («ПНППК») (Пермь, Россия).
2 Кафедра электротехники и электромеханики, ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ПНИПУ) (Пермь, Россия).
Результаты испытаний станции управления АО «ПНППК» для вентильных электродвигателей станков-качалок
В статье приводятся результаты стендовых испытаний станции управления производства АО «ПНППК» на базе преобразователя частоты Vacon серии NXP для вентильных электродвигателей установок штанговых скважинных насосов (УШГН). Испытания проводились специалистами АО «ПНППК» и ООО «ЭПУ-ИТЦ». Целью проверок являлась объективная сравнительная оценка динамических свойств представленного оборудования. В качестве объекта управления использовался синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов типа ВДПМ-СК-470Б производства ПАО «НИПТИЭМ». При проведении испытаний воспроизводились и подвергались оценке наиболее ответственные при реальной эксплуатации режимы работы оборудования: режим «плавный пуск», режим стабилизации частоты вращения на заданном оператором уровне, режим наброса и сброса нагрузочного момента, режим наброса (скачка вверх) напряжения питающей сети. Во всех стационарных режимах оборудование продемонстрировало устойчивую работу. Отмечена стабильная частота вращения при работе в диапазоне напряжений питающей сети ниже номинального. Стабилизация частоты вращения в указанном диапазоне обеспечивается специальным алгоритмом управления преобразователя частоты Vacon (режим ослабления поля), который при просадке напряжения питающей сети позволяет сохранить регулировочные характеристики привода (стабилизацию заданной оператором частоты вращения) до уровня 285 В (-25%). В динамических режимах, обусловленных возмущениями (типа скачкообразного и трапецеидального изменения нагрузочного момента, скачкообразного сброса и наброса напряжения питающей сети), благодаря высокому быстродействию станции управления переходные процессы (в виде выбросов или провалов токов, напряжений, частоты вращения) практически отсутствуют. Таким образом, применение вентильного привода в комплексе с алгоритмами управления технологическими процессами нефтедобычи, уже реализованными в интеллектуальных станциях управления, в том числе и производства АО «ПНППК» [4, 5], в значительной мере способно сократить издержки нефтяных компаний и внести существенный вклад в экономию энергоресурсов.
Ключевые слова: вентильный двигатель, СДПМ, преобразователь частоты, станок-качалка, нефтедобыча, станция управления, энергосбережение.
M.G. Pachin1, e-mail: maxpachin@ya.ru; V.A. Loskutnikov2, e-mail: loskutnikov.vasily@gmail.com
1 Perm Scientific Industrial Instrument-Making Company (Permskaya Nauchno-Proizvodstvennaya Priborostroitel'naya Kompaniya - PNPPK) JSC (Perm, Russia).
2 The Department of Electrical Engineering and Electromechanics, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU) (Perm, Russia).
The test results of production control station by PNPPK JSC for permanent magnet synchronous motors of sucker rod pumping units
The authors report the results of the control station bench tests by PNPPK JSC with Vacon variable speed drive NXP series for permanent magnet synchronous motors of wells sucker rod pumping units. The tests were performed by specialists of PNPPK JSC and EPU-ITC LLC. The purpose of inspection was an objective comparative evaluation of the presented equipment dynamic properties. The synchronous motor of VDPM-SC-470B type with permanent magnet excitation produced by NIPTIEM PJSC was used as a control object. During the tests, the following various equipment operation modes, which are most important in the actual operation, were reproduced and subject to evaluation: "soft start" mode; "the rotation speed stabilization at the preset operator level" mode; surging and dipping of the torque load mode, surging of the mains voltage (jump up) mode. In all stationary modes the equipment demonstrated steady work. There was a stable rotation speed when operating in the range of mains voltages below the nominal. The rotation speed stabilization in the specified
78
№ 6 июнь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
range is assured by the special control algorithm of the Vacon variable speed drive (field weakening mode), which allows keeping the control characteristics of the drive stable when the mains voltage dips (the rotation speed stabilization set by the operator) to the level of 285 V (-25%). In dynamic modes caused by perturbations (such as: abrupt and trapezoidal change in load torque, intermittent dips and jumps of the supply voltage), transient processes (in the form of jumps and dips of currents, voltages, rotation speeds) are practically absent due to the high response speed of the control station. Thus, the use of the permanent magnet synchronous motors in combination with the control algorithms of oil production technological processes, already implemented in the intellectual control stations, including the production facilities of PNPPK JSC [4, 5], can greatly reduce the expenses of oil companies and make a significant contribution to energy savings.
Keywords: permanent magnet synchronous motor, PMSM, variable speed drive, pumping unit, oil production, control station, energy savings.
В современных экономических условиях, с учетом неуклонного повышения стоимости электроэнергии, широкое промышленное внедрение синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ) или вентильных электродвигателей, имеет важное государственное значение и способно обеспечить инновационное развитие предприятий нефтегазодобывающего комплекса [1]. Вентильный привод по сравнению с асинхронным обладает двумя основными преимуществами: высоким КПД и способностью поддерживать стабильный момент в широком диапазоне частот вращения [2, 3]. Данные факторы позволяют снизить
рабочие токи, расширить возможности управления и, следовательно, обеспечить высокую эффективность работы насосной установки в целом. В ноябре 2015 г. специалистами АО «ПНППК» и ООО «ЭПУ-ИТЦ» были проведены заводские стендовые испытания станции управления на базе преобразователя частоты Vacon серии NXP для вентильного привода УШГН. Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 11828-86, ГОСТ Р 51689-2000, ГОСТ 25941-83 и ГОСТ Р 53472-2009. Целью проверок являлась объективная сравнительная оценка динамических свойств представленного оборудования.
В ИСПЫТАНИЯХ БЫЛИ ЗАДЕЙСТВОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ:
1) испытательный стенд СИ ЭППА СИУ-160 (аттестат ВНИИМС № 36 от 25.12.2008);
2) индукционный регулятор напряжения ИР-74/29 УЗ № 6165, обеспечивающий испытания при повышенном и пониженном напряжении питающей сети;
3) резисторная нагрузочная установка мощностью 30 кВт с коммутационной аппаратурой, обеспечивающей ступенчатое изменение сопротивления, используемая для имитации однократного ступенчатого наброса напряжения питающей сети;
4) генератор сигналов RIGOL DG 1022;
5) безынерционный индикатор частоты вращения (разработка ООО «ЭПУ-ИТЦ»);
6) осциллограф THS 72OP.
В качестве объекта управления использовался синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов типа ВДПМ-СК-470Б (заводской № 2) производства ПАО «НИПТИЭМ» (Владимир). Технические характеристики двигателя представлены в таблице. Вентильный электродвигатель в отличие от асинхронных или коллекторных не является самодостаточным, и его работа невозможна без специальной системы управления, задача которой - подавать напряжение на обмотки статора в зависимости от положения ротора таким образом, чтобы создаваемое при этом электромагнитное поле притягивало полюса магнитов ротора,
Рис. 1. Схема испытательного стенда Fig. 1. Test bench diagram
Ссылка для цитирования (for citation):
Пачин М.Г., Лоскутников В.А. Результаты испытаний станции управления АО «ПНППК» для вентильных электродвигателей станков-качалок // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 6. С. 78-83.
Pachin M.G., Loskutnikov V.A. The test results of production control station by PNPPK JSC for permanent magnet synchronous motors of sucker rod pumping units (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2016, No. 6, P. 78-83.
НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
Рис. 2. Зависимость электродвижущей силы (ЭДС) от частоты вращения (генераторный режим, холостой ход, число пар полюсов 2P=30)
Fig. 2. Dependence of the electromotive force (EMF) from the rotational speed (generator mode, idling, number of poles pairs 2P=30)
Рис. 3. Стационарные режимы работы (т| - коэффициент полезного действия, coa|> - коэффициент мощности, n - обороты двигателя, I - значение силы тока в нагрузке)
Fig. 3. Stationary operation modes (т| - efficiency factor, coscj) - power factor, n - motor speed, I - current value of load current)
поворачивая его на определенный угол. При соблюдении ортогональности потоков статора и ротора обеспечивается поддержание максимального вращающего момента двигателя в условиях изменения частоты вращения, что предотвращает выпадение ротора из синхронизма и обеспечивает работу синхронной машины с максимальным коэффициентом полезного действия. Система управления, реализованная в преобразователе частоты, на основе мгновенных значений тока в фазах статора и путем решения набора дифференциальных уравнений определяет векторы потокосцепления в двигателе и положение ротора (косвенное измерение положения), формируя выходное напряжение по специальному алгоритму. Таким образом, система способна работать без датчика положения ротора, который, как известно, является самым ненадежным и достаточно дорогостоящим элементом вентильного электропривода.
Данный способ управления позволяет уменьшить стоимость и массогабарит-ные показатели, повысить надежность работы электропривода и управлять вентильным электродвигателем не только на коротких расстояниях, но и на длинных линиях - сотни метров и даже километры, что актуально для нефтедобывающего оборудования.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
При проведении испытаний воспроизводились и подвергались оценке различные режимы работы оборудования, являющиеся наиболее ответственными в реальной эксплуатации:
1) режим «Плавный пуск»;
2) режим «Стабилизация частоты вращения на заданном оператором уровне»;
3) режим наброса и сброса нагрузочного момента;
4) режим наброса (скачка вверх) напряжения питающей сети.
В качестве анализируемых данных использовались зарегистрированные значения частоты вращения, токов фаз и КПД двигателя, момент сопротивления, входное напряжение преобразователя частоты.
Проверка функционирования станции управления в стационарных режимах
Таблица. Технические характеристики двигателя ВДПМ-СК-470Б Table. Motor ВДПМ-СК-470Б Specifications
Тип двигателя Motor type СДПМ PMSM
Способ определения положения ротора Method for rotor position determination бездатчиковая технология sensorless technology
Номинальная мощность, кВт Rated capacity, kW 22
Число фаз обмотки статора Number of starter winding phases 3
Тип соединения фазных обмоток Type of phase winding connection Звезда Star
Число пар полюсов Number of poles pairs 15
Номинальное действующее значение линейного напряжения на двигателе при питании от станции управления, В Rated effective value of line voltage at the motor powered by the control station, V 280
Номинальное действующее значение тока фазы при питании от станции управления, А Rated effective value of phase current powered by the control station, A 56
Максимальное действующее значение тока фазы при питании от станции управления, А Maximum effective value of phase current powered by the control station, A 87
КПД (в номинальном режиме), % Efficiency (in normal mode), % не менее 94 over 94
Номинальная частота вращения, об/мин Rated rotational speed, rpm 450
Номинальный момент, Нм Rated torque, Nm 470
Диапазон регулирования частоты вращения, об/мин Rated rotational speed range, rpm 86-450
работы проводилась при следующих сочетаниях параметров:
1) напряжение питающей сети -285-494 В;
2) момент нагрузки - 47-470 Нм;
3) частота вращения - 86-450 об/мин. Во всех стационарных режимах оборудование продемонстрировало устойчивую работу. Отмечена стабильная частота вращения при работе в диапазоне напряжений питающей сети ниже номинального (380 В). Из зависимостей, приведенных на рисунке 3,следует, что стабилизация частоты вращения в указанном диапазоне (с учетом значений ЭДС по рисунку 2) обеспечивается специальным алгоритмом управления преобразователя частоты Vacon (режим ослабления поля).
На практике при работе станка-качалки зачастую наблюдаются заедания штанговой колонны и насоса, возможны броски нагрузки, вызванные как износом редуктора, так и гидравлическими ударами плунжера с последующими волнообразными затухающими колебаниями.
Рис. 4. Осциллограммы мгновенных значений нагрузочного момента (возмущающее действие), тока фазы, частоты вращения (п =450 об/мин.; М =470 Нм; М =235 Нм)
^ ' г ^ ^ ср ' ' макс ' мин '
Fig. 4. Oscillograms of instantaneous torque load values (perturbing effect), phase current, rotational speed (N =450 rpm; M =470 Nm; M . =235 Nm)
r \ average r ' max ' min '
НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
Рис. 5. Осциллограмма мгновенных значений тока фазы на выходе станции управления (переходный процесс при скачке момента нагрузки вниз)
Fig. 5. Oscillograph record of instantaneous current phase values at the control station output (transient process at load torque drop)
Рис. 6. Осциллограмма мгновенных значений тока фазы на выходе станции управления (переходный процесс при скачке момента нагрузки вверх) Fig. 6. Oscillograph record of instantaneous current phase values at the control station output (transient process at load torque step up)
Для имитации работы станции управления в данных условиях необходима проверка на устойчивость частоты вращения при перепадах нагрузочного момента. В процессе испытаний (рис. 4) установлено:
• нагрузочное устройство стенда не реализует в полной мере ступенчатое (с малым фронтом) изменение момента нагрузки из-за значительного уровня момента инерции ротора асинхронного генератора. Минимальный фронт
нарастания и спада нагрузочного момента в процессе испытаний равнялся примерно 0,2 с, что снизило «тяжесть» тестового режима;
• быстродействие станции управления обеспечивает парирование возмущения без заметных выбросов токов и напряжений в момент скачка нагрузочного момента.
Цикл работы УШГН характеризуется двумя выраженными периодами нарастания и сброса нагрузки. При дви-
жении головки балансира вверх энергия затрачивается на подъем штанговой колонны и жидкости в насосно-ком-прессорных трубах, при движении вниз - на подъем уравновешивающих грузов. При проверках на устойчивость к циклическим трапецеидальным изменениям нагрузочного момента установлено, что станция управления обеспечивала устойчивую работу привода во всем диапазоне частот вращения. Данный режим нагружения выбран в качестве
Рис. 7. Осциллограмма мгновенных значений нагрузочного момента (возмущающее действие), тока фазы, частоты вращения (n =450 об/мин.; М =730 Нм; М =0 Нм)
^ ср ' ' макс ' мин '
Fig. 7. Oscillograph record of instantaneous torque load values (perturbing effect), phase current, rotational speed (N =450 rpm; M =730 Nm; M . =0 Nm)
^ average r ' max ' min '
Рис. 8. Осциллограммы мгновенных значений напряжения питающей сети и тока фазы на выходе станции управления (переходный процесс при скачках напряжения сети)
Fig. 8. Oscillograph records of instantaneous supply voltage and current phase at the control station output (transient voltage at the races)
82
№ 6 июнь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
Рис. 9. Осциллограммы мгновенных значений напряжения питающей сети, частоты вращения и момента (переходный процесс при скачках напряжения сети)
Fig. 9. Oscillograph records of instantaneous supply voltage, rotational speed and torque (transient process at voltage step up)
имитации реальной эксплуатационной нагрузки. Наблюдаемые отклонения от заданного режима работы не превышают 9%.
Учитывая возможности испытательного стенда, при проверке на однократный ступенчатый наброс напряжения питающей сети вместо возмущения - скачок напряжения питающей сети от и до 1,2и - был применен
с ном " с ном г
скачок напряжения питающей сети от 0,8и до и , что допустимо, по-
с ном с ном
скольку характер переходного процесса сохраняется.
Быстродействие станции управления обеспечило парирование возмущения без заметных выбросов токов и напряжений на выходе устройства в момент скачка напряжения питающей сети.
ВЫВОДЫ
Результаты испытаний станции управления АО «ПНППК» с преобразователем частоты Vacon серии NXP признаны успешными. Из положительных моментов при работе в стационарных режимах можно выделить тот факт, что при просадке напряжения питающей сети встроенный алгоритм ослабления поля позволяет сохранять регулировочные характеристики привода (стабилизацию заданной оператором частоты вращения) до уровня 285 В (-25%).
В динамических режимах, обусловленных возмущениями, благодаря высокому быстродействию станции управления переходные процессы в виде выбросов или провалов токов, напряжений, частоты вращения практически отсутствуют.
На следующем этапе развития данного технического решения планируется проведение полевых испытаний на скважине УШГН.
Авторы выражают благодарность руководству и специалистам ООО «ЭПУ-ИТЦ» и ПАО «НИПТИЭМ» за сотрудничество.
References:
1. Eder L.V., Filimonova I.V., Provornaya I.V., Nemov V.Yu. Main problems of innovative development of the oil and gas industry in the field of oil and gas production [Osnovnye problemy innovacionnogo razvitiya neftegazovoj otrasli v oblasti dobychi nefti i gaza]. Burenie i neft' = Drilling and Oil, 2014, No. 4, P. 16-22.
2. Pavlenko V.I., Ginsburg M.Ya., Yengus A.Ye., Usachev O.I. Non-transmission energy-efficient gear drive for beam pumping unit [Bestransmissionnyj e'nergoe'ffektivnyj privod reduktora stanka-kachalki]. Inzhenernaya praktika = Engineering Practice, 2014, No. 07-08, P. 7-9.
3. Rebenkov S.V. Energy efficiency of ESCP and EPCP valve actuators [E'nergeticheskaya e'ffektivnost' ventil'nyx privodov UE'CN i UE'VN]. Inzhenernaya praktika = Engineering Practice, 2010, No. 03, P. 62-66.
4. Pachin M.G., Khakimyanov M.I. Intelligent solutions for oil production - control stations of PNPPK OJSC [Intellektual'nye resheniya dlya neftedobychi - stancii upravleniya OAO «PNPPK»]. Burenie i neft' = Drilling and Oil, 2014, No. 9, P. 58-62.
5. Khakimyanov M.I., Pachin M.G. Functionality of modern automation controller of downhole rod deep-well pumping unit [Funkcional'nye vozmozhnosti sovremennogo kontrollera avtomatizacii shtangovyx glubinnonasosnyx ustanovok]. Neftegazovoe delo = Oil and gas business, 2011, No. 2, P. 19-34. Access mode: http://www.ogbus.ru/authors/Hakimyanov/Hakimyanov_5.pdf. Application date 24.05.2016
Литература:
1. Эдер Л.В., Филимонова И.В., Проворная И.В., Немов В.Ю. Основные проблемы инновационного развития нефтегазовой отрасли в области добычи нефти и газа // Бурение и нефть. 2014. № 4. С. 16-22.
2. Павленко В.И., Гинзбург М.Я., Егнус А.Е., Усачев О.И. Бестрансмиссионный энергоэффективный привод редуктора станка-качалки // Инженерная практика. 2014. № 07-08. С. 7-9.
3. Ребенков С.В. Энергетическая эффективность вентильных приводов УЭЦН и УЭВН // Инженерная практика. 2010. № 03. С. 62-66.
4. Пачин М.Г., Хакимьянов М.И. Интеллектуальные решения для нефтедобычи - станции управления ОАО «ПНППК» // Бурение и нефть. 2014. № 9. С. 58-62.
5. Хакимьянов М.И., Пачин М.Г. Функциональные возможности современного контроллера автоматизации штанговых глубиннонасосных установок // Нефтегазовое дело. 2011. № 2. С. 19-34. Режим доступа: http://www.ogbus.ru/authors/Hakimyanov/Hakimyanov_5.pdf. Дата обращения 24.05.2016.
