CC BY
11СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА СТАНКА-КАЧАЛКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ В МЕСТОРОЖДЕНИЯХ НА ЗАПАДНОМ РЕГИОНА КАЗАХСТАНА
Бажиков К.Т.
к.ф.-м.н., асс. профессор, Каспийский Университет Технологии и Инжиниринга им. Ш. Есенова,
Актау, Казахстан Тергемес К. Т.
к.т.н., доцент, Алматинский Университет Энергетики и Связи,
Алматы, Казахстан Булатова А.Б.
магистрант, Каспийский Университет Технологии и Инжиниринга им. Ш. Есенова,
Актау, Казахстан Цадирханова А.А.
магистрант, Каспийский Университет Технологии и Инжиниринга им. Ш. Есенова,
Актау, Казахстан
THE MODERN STATE OF THE ELECTRIC DRIVE OF THE PUMPING UNIT FOR PRODUCTION IN THE OILFIELDS IN THE WESTERN REGION OF KAZAKHSTAN
Bazhikov K.,
c.p.-m.s., ass. professor of Caspian University of Technology and Engineering named after Sh.Yessenov,
Aktau, Kazakhstan Tergemes K.,
c.t.s, docent, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications, Almaty, Kazakhstan
Bulatova A.,
master's student of Caspian University of Technology and Engineering named after Sh. Yessenov,
Aktau, Kazakhstan
Kadirkhanova A.
master's student of Caspian University of Technology and Engineering named after Sh. Yessenov,
Aktau, Kazakhstan
АННОТАЦИЯ
В данной статье рассмотрены технологические и климатические особенности добычи нефти в Ман-гистауском регионе. Поставляемые электроприводы станков-качалок и их шкафы управления по техническим условиям не рассчитаны на климатические условия Западного Казахстана. Завезенные интеллектуальные шкафы управления через пару лет выходят из строя.
В данной статье авторы, анализируя состояния развития электроприводов станка-качалки, поставляемые из разных стран, делали свои выводы и определили основные требования, предъявляемые к электроприводам месторождении Западного Казахстана. А также приведены структурная и виртуальная схема электропривода станка-качалки по системе ПЧ-АД, синтез параметров и устойчивость которых решается методом нелинейной коррекции, позволяющие проводить исследования в широких изменениях параметров управления системы «ПЧ-АД».
ABSTRACT
This article considers the technological and climatic features of oil production in the Mangistau region. The supplied electric drives of the pumping units and their control cabinets are not designed for the climatic conditions of Western Kazakhstan according to the technical specifications. Imported intelligent control cabinets fall into disrepair after a couple of years.
In this article the authors drew their conclusions and determined the main requirements for electric drives of the Western Kazakhstan oilfield by analyzing the state of development of electric drives of the pumping units supplied from different countries. As well as the structural and virtual diagram of the electric drive of the pumping units according to the frequency converter - asynchronous motors system, the synthesis of parameters and the stability of which is solved by the method of nonlinear correction, allowing to conduct research in wide variations of the control parameters of the "frequency converter - asynchronous motors system".
Ключевые слова: добыча нефти, станки-качалки, электропривод, преобразователь частоты, шкаф управления.
Keywords: oil production, pumping units, electric drive, frequency converter, control cabinet.
I. Вступление
Республика Казахстан обладает большими ресурсами нефти, в основном расположенными на Западе Казахстана и добыча нефти является одной из
основных отраслей экономики страны. Эксплуатация скважин штанговыми насосами является одним из старейших и наиболее распространенных в мире способов механизированной добычи нефти [1-3]. В
Республике Казахстан доля добычи нефти механизированным способом станками-качалками составляет примерно 80-85 % от общего объема добываемой нефти. Ежегодно добыча нефти доходит примерно до 80-60 млн. тонн в год и производится на месторождениях: Тенгиз, Карачаганак, Жанаузень, Жанажол, Кумколь, Северное Бузачи, Жетибай, Ка-ражанбас, Каламкас, Каракудык, Алибекмола и т.д. Помимо этого, каждый год запускаются новые месторождения [4,5].
II. Актуальность
В каждой из нефтедобывающих компаний Казахстана имеются от 100 до 5000 скважин и значительную часть добываемой нефти получают механизированным способом добычи, которые осуществляется, в основном, насосными способами. По нашим расчетам, в настоящее время в нефтедобывающих предприятиях Республики Казахстан насчитывается более нескольких десятков тысяч станков-качалок штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ), предназначенных для подъема пластовой жидкости из скважин, снабжённых электроприводами мощностью до 55 кВт. Для привода станков-качалок наиболее широкое распространение получили асинхронные двигатели с короткоза-мкнутым ротором [3,6,7]. Большинство имеют низкие коэффициенты использования (не более 0.7), КПД, что приводит к повышенному расходу электроэнергии, сокращению срока службы вращающихся частей, как и станка-качалки, так и приводного двигателя. В целом КПД ШСНУ изменяется в пределах 0.5-0.7 и зависит от многих параметров. Независимо от производительности станков-качалок структура их одинаково, и в основном это балансир с опорой, редуктор, рама, противовес, тормоз и т.д. Все типы станка-качалки отличаются размерами, весом, грузоподъёмностью и соответственно производительностью, с разными мощностями двигателей. Число качании соответствует дебиту скважины и регулируется передаточными числами редуктора, в пределах 7-15 качании в минуту. Характер движении станка-качалки однотипные и монотонные [8,9].
Существующие электроприводы
эксплуатируемых станков-качалок выполнены на асинхронных двигателях с релейно-контракторными системами управления [6,10]. Эти электропривода станков-качалок, в среднем по стране, потребляют электрическую энергию свыше 1,1 МВт в час, что является значительной нагрузкой для действующих энергогенерирующих и энергораспределительных организаций. В настоящее время в нефтедобывающих предприятиях Республики Казахстана
насчитываются, примерно, более 25-30 тысяч станков-качалок. Кроме того приводные электрические двигатели станков-качалок имеют низкие энергетические показатели (КПД, cos ф) и давно устарели.
В связи, с вышеизложенным, энергосбережение и энергоэффективность в нефтедобывающих
компаниях, где основными потребителями электрической энергии являются электроприводы станков-качалок, является актуальной задачей.
III. Постановка задачи
Целью проведенных работ авторами является создание энергосберегающего, частотно регулируемого электропривода станка-качалки для добычи нефти, ориентированного к климатическим условиям Юго-Западного и Западного регионов Казахстана, разработка математической модели.
IV. Основная часть
Усовершенствованием электроприводов стан-ков-качалки занимаются достаточно большое количество научных организации, машиностроительных предприятии во всех нефтедобывающих странах и в Республике Казахстан. Но чаще всего электроприводы в шкафном исполнении доставляется из-за рубежа или казахстанскими предприятиями представляющие интересы последних.
К настоящему времени в мире известен целый ряд разработчиков и производителей контроллеров и станций управления для установок ШГН. Среди зарубежных фирм это «Lufkin Automation» (США), «Production Solution» (США), «АВВ» (США), «Automation Electronics» (США), «DrSCADA Automation» (США), «R&M Energy System» (США), «International Automation Resources» (США) и «SPOC Automation» (США). Известны также российские разработчики, среди которых можно выделить НПФ «Экос» (Уфа), НПФ «Интек» (Уфа), ГУПНН «Авитрон-Ойл» (Уфа), НПО «Интротест» (Екатеринбург), НПФ «Интеграл+» (Казань), «Шатл» (Казань), ЗАО «Линт» (Казань), ООО «Аякс» (Ульяновск) и другие. Однако, эти оборудования не рассчитаны и не учитывают климатических условий Западного Казахстана. Климат региона отличается резкой континентальностью, малоснежностью, но довольно холодной зимой и жарким продолжительным летом. Высокие летние температуры воздуха (до 43-50 0С), острый дефицит атмосферной влаги (количество осадков 107-180 мм. в год), засоленность почв, сильные ветра и высокая солнечная активность - все это создает значительные трудности для работы промышленного оборудования, установленного в месторождениях. Электронные элементы оборудования постоянно подвергаются климатическим влияниям, особенно к жаре и ветру. Внутри шкафа управления электроприводом станка-качалки температура достигает 60-70 градусов, а Солнечные дни в этом регионе исчисляются до 300-325 дней в год, а ветра с песком появляются в каждую неделю. Установленные шкафы управления станков-качалок, особенно радиаторы силовых электронных элементов подвергаются солям почвы, выходами из строя, короткими замыканиями в платах из-за не герметичности шкафов управления.
Математическое описание асинхронного двигателя (АД) как звена системы автоматического управления представляет значительные трудности, т.к. обмотки статора и ротора по конструкции магнитно связаны между собой. При вращении двига-
теля взаимное положение обмоток непрерывно меняется и соответственно изменяется и взаимная индуктивность между ними. Это приводит к нелинейности уравнения электродвигателей. В связи с этим, для анализа и синтеза системы автоматического управления, динамические модели АД удобно представлять в виде передаточных функции или структурных схем [11,12].
Щ-о-Н
« -Цпшх,
ъ л t
til &
□
В процессе проектирования системы электропривода преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД) с желаемыми переходными процессами скорости двигателя определение устойчивости системы является одной из необходимых задач исследования и проектирования. Структурная схема системы ПЧ-АД с преобразователем частоты изображена на рисунке 1 в Simulink Matlab [13,14].
С X
Й® -■ • =0 «4 ¿í и- a-I i - a- s-
Рисунок 1 - Структурная схема ПЧ-АД
Рисунок 2 - Виртуальная схема ПЧ-АД
[ i [■:!' \ IH _i ii. I. Ih.n Ik.
a - <9i>l s- - a ■ n ■ f ¡
1 1 1 'i J.
1 ! 1 1 1
1 "
¡ ",
, -
Актива дия Windows Чтобы жгнв^рзвагь Windows, пере ?згп в раздел
Рисунок 3 - Осциллограммы автоматического управления момента и скорости АД в системе «ПЧ-АД»
На рисунке 1 структурная схема линеаризованной системы электропривода ПЧ-АД представлена динамическими звеньями системы с передаточными функциями в виде [15]: для двигателя - Wi(s) = 1/bTm и W2(s) = b/(Tas+1), охваченные обратной единичной связью, для преобразователя частоты: регулятор тока - W3(s) = K1/(Tps+1) и регулятор скорости W4 = K2/(Tps+1). В качестве регулятора напряжения ПЧ в разомкнутую по скорости двигателя систему ПЧ-АД введено нелинейное корректирующее устройство sin, обеспечивающее значительное увеличение области устойчивости системы [16]. В структурную схему рисунка 1 введены следующие обозначения [18]: b - модуль жесткости механической характеристики АД;
Tm - электромеханическая постоянная времени
АД;
Ta - электромагнитная постоянная времени цепей статора и ротора АД;
K1K2 - передаточный коэффициент преобразователя частоты;
Tp - постоянная времени преобразователя частоты;
T1, T2 - постоянная времени фильтра.
Для синтеза нелинейных систем ПЧ-АД вводится корректирующие устройства для удовлетворения предъявляемым к системе техническим требованиям [13]. Как известно, коррекцию в нелинейных системах производят так же с нелинейными корректирующими устройствами, в нашем случае нелинейным корректирующим звеном является звено с тригонометрической функцией «sin». Нелинейная коррекция обладает более широкими возможностями, позволяет менять форму частотных характеристик в зависимости от величины отклонения, т.е. придает системе как бы свойство самонастройки по величине ошибки, возникающей в системе в процессе управления [13].
Как показывают осциллограммы момента и скорости АД в системе «ПЧ-АД» с нелинейным корректирующим звеном позволяет сохранить устойчивость работы системы при значительных
изменениях нагрузки на валу асинхронного двигателя. Использую данную модель можно исследовать параметры систем управления «ПЧ-АД» в широком диапазоне.
Выводы
1. Для управления электроприводами станков-качалок, эксплуатируемых на месторождениях Казахстана применяются различные разработанные регулируемые электроприводы. Однако из-за несоблюдения герметичности в шкаф управления электроприводами попадают пыль, соленные почвы, которые выводят из строя плату преобразователей частоты, стоимость которого равносильна стоимости самого преобразователя. Притом электрооборудования подбираются с абсолютным несоблюдением технологических требовании к добыче нефти.
2. Исследовательская группа с авторами данной статьи разрабатывает энергосберегающий электропривод станка-качалки с асинхронным электроприводом мощностью 19 или 22 кВт электропривод с бюджетным преобразователем частоты с автоматическим и дистанционным управлением.
3. Шкафы, в которых устанавливаются управляющая часть электропривода, будут выполнены герметичными, со сплит системой, с возможностью передачи данных в диспетчерскую, с обратными связями по загруженности двигателей и т.д.
4. Для устойчивой работы электропривода станка-качалки при больших изменениях нагрузки в системе ПЧ-АД необходимо вводить нелинейные корректирующие устройства согласно техническим, технологическим требованиям предъявляемым к электроприводу станка-качалки.
Литература
1. Чердебаев Р.Нефть Казахстана. Вековая имтория. Астана, изд. Array Литагент SW2P. 2015.-300cc.
2. Агабеков В.Е., Косяков В.К. Нефть и Газ. Технологии и продукты переработки М.: Изд. Феникс. 2014,-458сс.
3. Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти. Учебное пособие. - М.: 2014.
4. Джолдасбаева Г.У., Амманиязова Г, Д. Нефтегазовый комплекс Казахстана. Проблемы и перспективы // Нефть и газ. - 2001. - № 3. - С.3-11.
5. Справочник: Месторождения нефти и газа Казахстана, Алматы, - 2007.
6. Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А., Устинов Д.А. Электроснабжение нефтегазовых предприятий: Учебное пособие/ Санкт-Петербургский государственный горный институт. СПб, 2008. 81с.
7. Огарков Е.М., Цилев П.Н., Коротаев А.Д., Бурманин А.М. Повышение эффективности добычи нефти из низкодебитных скважин. Электромеханика, электропривод и автоматика промышленных установок. Пермь изд. ГГТУ. 2001г. 4с.
8. Чердебаев Р.Нефть Казахстана. Вековая имтория. Астана, изд. Array Литагент SW2P. 2015.-300cc.
9. Агабеков В.Е., Косяков В.К. Нефть и Газ. Технологии и продукты переработки М.: Изд. Феникс. 2014,-458сс.
10. Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти. Учебное пособие. - М.: 2014.
11. Джолдасбаева Г.У., Амманиязова Г, Д. Нефтегазовый комплекс Казахстана. Проблемы и перспективы // Нефть и газ. - 2001. - № 3. - С.3-11.
12. Справочник: Месторождения нефти и газа Казахстана, Алматы, - 2007.
13. Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А., Устинов Д.А. Электроснабжение нефтегазовых предприятий: Учебное пособие/ Санкт-Петербургский государственный горный институт. СПб, 2008. 81с.
14. Огарков Е.М., Цилев П.Н., Коротаев А.Д., Бурманин А.М. Повышение эффективности добычи нефти из низкодебитных скважин. Электромеханика, электропривод и автоматика промышленных установок. Пермь изд. ГГТУ. 2001г. 4с.
МЕТОДИКА РАЦИОНАЛЬНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ ГАЗОВЫХ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ ДЛЯ РАННЕГО
ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРА
Лукьянченко А.А.
ООО «ПГИ» г. Москва Денисов А.Н. Академия ГПСМЧС России г. Москва Столлер А.С. Академия ГПС МЧС России г. Москва Лукьянченко Н.А. ООО «ПГИ» г. Москва Митрофанов Р.В. Заместитель начальника отдела лицензирования УНПР Главного Управления МЧС России по г. Москве
METHODOLOGY FOR RATIONAL PLACEMENT OF GAS DETECTORS FOR EARLY FIRE
DETECTION
Luk'yanchenko A.,
OOO "PGI" Moscow
Denisov A.,
Academy of State Fire Service of EMERCOM of Russia Professor
Moscow
Stoller A.,
Academy of State Fire Service of EMERCOM of Russia
Moscow Luk'yanchenko N., OOO "PGI" Moscow Mitrofanov R.
Main Directorate of EMERCOM of Russia in Moscow Deputy Head of the Licensing Department
