Производственно-технический нефтегазовый журнал
+7 (903) 580-85-63 +7 (495) 371-01-74 info@glavteh.ru

Интегральный показатель энергоэффективности погружных электродвигателей

Маркировка класса энергетической эффективности погружных электродвигателей, предусмотренная ГОСТ Р 56624-2015 «Энергетическая эффективность. Погружные лопастные насосы и электродвигатели для добычи нефти. Классы энергоэффективности», должна способствовать принятию обоснованных решений при их выборе. Этим стандартом погружные электродвигатели (ПЭД) в зависимости от диаметрального габарита, КПД и коэффициента мощности делятся на два класса энергоэффективности: 1) е1 – электродвигатели с нормальным КПД, величина которого соответствует уровню, достигнутому в производстве погружных электродвигателей; 2) е2 – двигатели с высоким КПД (энергоэффективные), у которых суммарные потери мощности не менее чем на 40% (К = 0,4) ниже суммарных потерь мощности электродвигателей той же мощности и частоты вращения с нормальным КПД.

Вместе с тем, приведенные в предлагаемой Вашему вниманию статье расчеты и примеры показывают, что принцип классификации погружных электродвигателей по энергоэффективности на основе их КПД, принятый в международных и российских стандартах для общепромышленных электродвигателей, непригоден для классификации по энергоэффективности погружных электродвигателей. В статье приведены предложения по индексации энергетической эффективности в обозначениях погружных электродвигателей в качестве основания для пересмотра соответствующего раздела указанного выше стандарта.

05.01.2018 Инженерная практика №11/2017
Гинзбург Матвей Яковлевич Советник директора «Завода вентильных электродвигателей ООО «ЛУКОЙЛ ЭПУ Сервис», член Экспертного совета по механизированной добыче нефти

Деление погружных электродвигателей по энергоэффективности на два класса повторяет принцип классификации по энергоэффективности электродвигателей общемашиностроительного применения по ГОСТ Р 51677-2000 «Машины электрические асинхронные мощностью от 1 до 400 кВт включительно. Двигатели. Показатели энергоэффективности», которым двигатели делятся на два типа по уровню энергоэффективности на основе КПД.

КПД энергосберегающего двигателя ηэ:

где ηэ – коэффициент полезного действия двигателя с нормальным КПД; е – относительное снижение суммарных потерь мощности в двигателе.

В соответствии с этим стандартом «двигатели с нормальным КПД» – это двигатели, КПД которых соответствует уровню, достигнутому в производстве. При этом стандартом предусмотрено отнесение асинхронных электродвигателей общепромышленного применения к классу энергоэффективных, если е > 0,2.

ПРЕДЕЛ ПОВЫШЕНИЯ КПД АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

КПД погружных асинхронных электродвигателей в зависимости от их диаметрального габарита, мощности и технического исполнения находятся в диапазоне 79-85%. Новых идей по обеспечению дальнейшего повышения их КПД за счет снижения механических потерь и потерь в обмотках электродвигателей у разработчиков нет, а повышение КПД ПЭД за счет применения более дорогих марок электротехнической стали с меньшей толщиной листа экономически не обосновано.

В соответствии с ГОСТ Р 5154199 «Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей» нормативные показатели энергетической эффективности, устанавливаемые в нормативных документах, должны разрабатываться на основе «достижения экономически оправданной эффективности использования энергетических ресурсов при существующем мировом уровне развития техники и технологий». Для установок электропогружных лопастных насосов (УЭЛН) за эталон взято оборудование одного из известных зарубежных производителей. В рекламной информации производителя сообщается, что его электродвигатели под условным названием «D» «являются самыми прочными и эффективными из всех существующих погружных электродвигателей». «Новые конфигурации ротора и статора позволили увеличить мощность и КПД электродвигателей». Нет оснований сомневаться в заявленных преимуществах этих электродвигателей за исключением декларируемого фирмой существенного роста их КПД. На рис.1 представлены нагрузочные характеристики электродвигателя «D» (диаметр корпуса 115,8 мм) мощностью 180 л.с. (132,4 кВт).

Рис. 1. Нагрузочные характеристики электродвигателя «D» 456 серии мощностью 180 л.с.
Рис. 1. Нагрузочные характеристики электродвигателя «D» 456 серии мощностью 180 л.с.

Как видно из приведенного графика, КПД электродвигателя «D» составляет 85%, что соответствует КПД погружного асинхронного электродвигателя ЭДС125117М примерно того же диаметра (117 мм) и мощности (125 кВт).

Сегодня есть основания считать, что возможности дальнейшего повышения КПД погружных асинхронных двигателей практически исчерпаны.

КЛАССЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

В табл. 1 представлены «нормальные» (класс е1) значения КПД погружных асинхронных электродвигателей в зависимости от их диаметрального габарита, принятые в ГОСТ Р 56624-2015

Таблица 1. Значения КПД погружных электродвигателей класса «е1» по ГОСТ Р 56624-2015
Таблица 1. Значения КПД погружных электродвигателей класса «е1» по ГОСТ Р 56624-2015

В соответствии с ГОСТ Р 56624-2015 погружные электродвигатели могут быть отнесены к энергоэффективному классу е2, если е = 0,4. Такому значению показателя соответствуют погружные вентильные электродвигатели (ПВЭД) с постоянными магнитами в роторе, КПД которых на 6-8% выше КПД погружных асинхронных электродвигателей.

В табл. 2 приведены значения КПД погружных электродвигателей, которые позволяют их относить к классу е2.

Таблица 2. Значения КПД погружных электродвигателей класса «е2» по ГОСТ Р 56624-2015
Таблица 2. Значения КПД погружных электродвигателей класса «е2» по ГОСТ Р 56624-2015

Определение класса энергетической эффективности погружных электродвигателей осуществляется производителем и включается им в ТУ на изделие и указывается в паспорте двигателя. Однако ни в этом стандарте, ни в ГОСТ Р 56830-2015 «Установки скважинных электроприводных насосов. Общие технические условия» нет указаний, как отразить в обозначении ПЭД класс их энергетической эффективности, если их КПД ниже нормативных значений класса энергоэффективности е1.

Очевидно, что в обозначениях таких двигателей в их паспортах и табличках классы энергоэффективности не должны указываться. Однако такое логическое заключение должно было найти отражение в указанных стандартах, как это приведено в ГОСТ Р 544132011 «Машины электрические вращающиеся. Часть 30 Классы энергоэффективности односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (код IE)», в п.5.3.3 которого указано, что «на заводских табличках двигателей, имеющих КПД меньше нормативного значения, класс энергоэффективности не указывают».

Таблица 2-2. Классы энергетической эффективности электродвигателей ПЭД мощностью 50 кВт по ТУ3381-003-12058737-2010
Таблица 2-2. Классы энергетической эффективности электродвигателей ПЭД мощностью 50 кВт по ТУ3381-003-12058737-2010

КЛАССЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПЭД ПО ГОСТ Р 56624-2015 НЕ ОТРАЖАЮТ ИХ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ В СОСТАВЕ УЭЛН

Рассмотрим, насколько объективно ГОСТ Р 566242015 классифицирует ПЭД по энергоэффективности. В табл. 2-2 приведены классы энергетической эффективности электродвигателей мощностью 50 кВт, выпускаемых по ТУ3381-003-12058737-2010.

Показателем энергетической эффективности (ПЭЭ) электродвигателей в соответствии с ГОСТ Р 51749-2001 «Энергопотребляющее оборудование общепромышленного применения. Виды. Типы. Группы. Показатели энергетической эффективности. Идентификация» служит их КПД. Поэтому этот показатель принят за основу при классификации по энергетической эффективности общемашиностроительных электродвигателей в международных и гармонизированных с ними российских стандартах.

Однако при оценке энергетической эффективности ПЭД в составе установок электропогружных лопастных насосов (УЭЛН) необходимо учесть условия их эксплуатации: если электродвигатели общепромышленного применения питаются сетевым напряжением и источник электропитания находится вблизи электродвигателя, то погружные электродвигатели, используемые в составе УЭЛН, значительно удалены от точки подключения к источнику электропитания, в цепи электропитания есть трансформатор и станция управления. Абсолютная величина потерь мощности в этом оборудовании зависит не только от их КПД, но и от энергетических характеристик ПЭД и температуры эксплуатации УЭЛН. Поэтому энергетическую эффективность ПЭД необходимо оценивать интегральным показателем, учитывающим расход активной мощности не только в электродвигателе, но и в кабельной линии, трансформаторе и станции управления. Такой подход к оценке энергетической эффективности ПЭД рассмотрен в статье [1].

Интегральный показатель энергетической эффективности погружных электродвигателей определяется по выражению:

где Р2 – механическая мощность двигателя, кВт; ∑Py – потребляемая УЭЛН мощность, кВт.

Потребляемая УЭЛН мощность представляет собой:

где Р1 – потребляемая электродвигателем мощность, кВт; ∆Рк – потери мощности в кабельной линии, кВт; ∆Рт – потери мощности в трансформаторе, кВт; ∆Рсу – потери мощности в станции управления, кВт.

Потребляемая электродвигателем мощность:

Потребляемая двигателем мощность

где ηд – КПД двигателя.

Потери мощности в кабельной линии, ΔРк, кВт:

где I – сила тока, А; RТ – электрическое сопротивление токопроводящей жилы кабеля длиной 1 км при рабочей температуре Тж, °С; L – длина кабельной линии, км.

Электрическое сопротивление токопроводящей жилы кабеля длиной 1 км при рабочей температуре Тж определяется по формуле:

где R20 – электрическое сопротивление токопроводящей жилы кабеля длиной 1 км при температуре 20°С, Ом; α – температурный коэффициент электрического сопротивления материала токопроводящей жилы, °С-1; Тж – рабочая температура жилы кабеля, °С.

Подставив в формулу [6] значение температурного коэффициента электрического сопротивления медной жилы α = 0,004°С-1, получим:

Значения электрического сопротивления токопроводящих жил кабеля длиной 1 км при температуре 20°С, R20, представлены в таблице 3.

Таблица 3. Электрическое сопротивление токопроводящих жил кабеля длиной 1 км при температуре 20°С, R20, Ом
Таблица 3. Электрическое сопротивление токопроводящих жил кабеля длиной 1 км при температуре 20°С, R20, Ом

Обозначим

где Ктж – коэффициент, корректирующий значение электрического сопротивления токопроводящей жилы кабеля, в зависимости от температуры жилы.

Значения Ктж представлены в табл. 4.

Таблица 4. Значения Ктж в зависимости от температуры жилы
Таблица 4. Значения Ктж в зависимости от температуры жилы

Электрическое сопротивление токопроводящей жилы кабеля длиной 1 км в зависимости от ее сечения S и рабочей температуры Rт представлены в таблице 5.

Таблица 5. Зависимость электрического сопротивление токопроводящей жилы кабеля длиной 1 км от температуры, Rт
Таблица 5. Зависимость электрического сопротивление токопроводящей жилы кабеля длиной 1 км от температуры, Rт
Таблица 6. Значения параметров, которые учтены при расчете оценочных нормативных значений Иээ
Таблица 6. Значения параметров, которые учтены при расчете оценочных нормативных значений Иээ

Значения Rт и L определяются параметрами эксплуатации каждой скважины, поэтому нормативных значений потерь мощности в кабельных линиях быть не может. Однако для оценочных показателей интегральной энергетической эффективности погружных электродвигателей они могут быть приняты для регламентированных условий. Для упрощения расчетов принимаются и нормативные значения КПД трансформаторов и станций управления с ПЧ (табл. 6).

Регламентированные параметры длин кабельных линий и температур их жил, приведенные в табл. 6, могут иметь другие значения, например, средневзвешенные для нефтяной отрасли России.

Потери мощности в трансформаторе рассчитываются по формуле:

где ηт – КПД трансформатора, о.е.

При ηт = 0,96:

Потери мощности в станции управления описываются выражением:

где ηсу – КПД станции управления, о.е.

При ηсу = 0,96:

В табл. 7 приведены составляющие потерь мощности в электрической цепи оборудования УЭЛН и рассчитанные на их основе оценочные интегральные показатели энергетической эффективности (Иээ) погружных электродвигателей мощностью 50 кВт по ТУ3381-003-12058737-2010.

Таблица 7. Оценочные интегральные показатели энергетической эффективности (Иээ) погружных электродвигателей мощностью 50 кВт ТУ3381-003-12058737-2010
Таблица 7. Оценочные интегральные показатели энергетической эффективности (Иээ) погружных электродвигателей мощностью 50 кВт ТУ3381-003-12058737-2010

Классы энергетической эффективности погружных электродвигателей по ГОСТ Р 56624-2015, определяемые их КПД, и их интегральные показатели энергетической эффективности, рассчитанные с учетом суммарных потерь мощности в электрической цепи оборудования УЭЛН, представлены в табл. 8.

Таблица 8. Классы энергетической погружных электродвигателей мощностью 50 кВт по ТУ3381-003-12058737-2010 и их оценочные интегральные показатели энергетической эффективности
Таблица 8. Классы энергетической погружных электродвигателей мощностью 50 кВт по ТУ3381-003-12058737-2010 и их оценочные интегральные показатели энергетической эффективности

Как видно из таблицы, электродвигатель ПЭД502600-117В5-Н, класс энергетической эффективности которого «ниже нормативного», обладает более высоким значением интегрального показателя энергетической эффективности, чем двигатель ПЭД50-1540117В5-е1Н с «нормальным е1».

Приведенный пример позволяет сделать вывод о том, что принцип классификации погружных электродвигателей по энергоэффективности по их КПД, принятый в международных и российских стандартах для общепромышленных электродвигателей, непригоден для классификации по энергоэффективности погружных электродвигателей.

Таблица 9. Предложение по индексации энергетической эффективности в обозначениях погружных электродвигателей
Таблица 9. Предложение по индексации энергетической эффективности в обозначениях погружных электродвигателей

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ИНДИКАТОР ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Предложения по индексации энергетической эффективности в обозначениях погружных электродвигателей приведены в табл. 9.

При этом необходимо подчеркнуть, что в отличие от КПД, используемого при установлении класса энергетической эффективности погружных электродвигателей по ГОСТ Р 56624-2015, предлагаемый показатель энергетической эффективности не предназначен для использования в расчетах энергетической эффективности оборудования. Он представляет собой индикатор, позволяющий определить место ПЭД одинаковой номинальной мощности и частоты вращения в иерархии ряда погружных электродвигателей различных модификаций.

Для того чтобы маркировка энергетической эффективности ПЭД действительно способствовала принятию обоснованных решений при их разработке, изготовлении, подборе, обеспечивающих энергоэффективную эксплуатацию УЭЛН, в ГОСТе Р 56624-2015 классы энергоэффективности е1 и е2 должны быть заменены интегральными индикаторами энергетической эффективности (ИИЭЭ), и эти показатели должны быть отражены в обозначениях погружных электродвигателей по ГОСТ Р 56830-2015.

Есть основание для постановки вопроса о пересмотре ГОСТ Р 56624-2015 «Энергетическая эффективность. Погружные лопастные насосы и электродвигатели для добычи нефти. Классы энергоэффективности».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Гинзбург М. Классификация погружных электродвигателей по энергоэффективности // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2011. № 4.
Комментарии

Эту публикацию еще никто не прокомментировал. Станьте первым, поделитесь своим мнением.

Написать комментарий
Комментировать
Читайте далее
Сервисное обслуживание и прокат оборудования от завода-производителя
Повышение эффективности и ресурса систем винтовых насосов в условиях высокого содержания газа
Реклама
Свежий выпуск
Инженерная практика №12/2017

Инженерная практика

Выпуск №12/2017

Промысловые трубопроводы. Разработка месторождений. Механизированная добыча нефти
Волоконно-оптический мониторинг трубопроводовМеталлические сборно-разборные трубопроводыРотационная сварка трубопроводов трениемЗащитные покрытия, защита трубопроводов от коррозии и биокоррозииРемонт и противоаварийная защита трубопроводовМоделирование и маркерная диагностика притока в горизонтальные скважины с МГРПВнедрение плунжерных глубинных насосов с канатными штангами
Ближайшее совещание
Трубопроводный транспорт
Трубопроводы — 2018
7-я Производственно-техническая конференция

Промысловые трубопроводы ‘2018. Обеспечение целостности и эффективности систем промыслового транспорта

13-14 февраля 2018 г., г. Пермь
Работа Конференции направлена на обмен опытом и анализ эффективности применения современных методов и технологий для сокращения аварийности промысловых трубопроводов различного назначения, обсуждение опыта и технологий применения трубной продукции из различных сплавов и альтернативных материалов, проведение мониторинга и методов диагностики трубопроводов, в том числе: инфразвуковая система мониторинга, внутритрубная диагностика, методы определение утечек и несанкционированных врезок в нефтепроводы с применением беспилотных летательных аппаратов, а так же другим актуальным вопросам эксплуатации системы трубопроводного транспорта.
Ближайший тренинг
Капитальный ремонт скважин
Ловильный сервис — февраль 2018
Тренинг-курс

Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах

12 – 16 февраля 2018 г, г. Пермь
ООО «Инженерная практика» от имени журнала «Инженерная практика» проводит набор группы специалистов для прохождения производственно-технического тренинга по программе «Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах». Пятидневный тренинг - курс будет проводиться в г. Перми (отель «Урал») в рамках авторского курса С. Балянова.