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

Повышение энергоэффективности привода станков-качалок

В структуре себестоимости российской промышленной продукции существенную долю сегодня составляют затраты на электроэнергию. В настоящее время известны два основных способа повышения энергоэффективности электроприводов. Во-первых, это регулирование режима работы привода при помощи преобразователей частоты. Во-вторых, повышение КПД электродвигателя посредством увеличения массы меди в обмотке статора и применения постоянных магнитов на роторе.

Однако оба перечисленных способа предполагают существенное повышение стоимости электропривода и, соответственно, удорожание агрегата, в котором он эксплуатируется.

В настоящей статье речь пойдет о третьем варианте повышения энергоэффективности станка-качалки (СК) – использовании асинхронных электродвигателей (АД) с совмещенными обмотками серии АДЭМ разработки ООО «АСиПП». Одновременное применение в обмотке двигателя двух систем токов позволяет принципиально оптимизировать профиль механической характеристики двигателя, тем самым обеспечив его более высокую энергоэффективность и более стабильную работу во всем диапазоне скоростей вращения.

02.10.2015 Инженерная практика №10/2015
Стрункин Сергей Иванович Первый заместитель генерального директора по производству – главный инженер ПАО «Оренбургнефть»
Попов Вячеслав Игоревич Главный инженер ОАО «Уралэлектро»
Степанов Юрий Георгиевич Начальник отдела управления проектами новых технологий ПАО «Оренбургнефть»
Самотуев Антон Сергеевич Ведущий инженер отдела по повышению энергосбережения и энергоэффективности ПАО «Оренбургнефть»

Рис. 2. Механическая характеристика стандартного трехфазного АД
Рис. 2. Механическая характеристика стандартного трехфазного АД
Рис. 1. Схема «звезда»
Рис. 1. Схема «звезда»

Традиционный АД можно представить как три однофазных электродвигателя в единой электромагнитной системе AN, BN, CN, сдвинутые по фазе на 120° (схема «звезда») и включаемые непосредственно в трехфазную сеть (рис. 1).

Комплекс трех однофазных неустойчивых двигателей делает неустойчивым и трехфазный АД на 95% скоростного диапазона. Следствием этого становится неоптимальный профиль механической характеристики с малым пусковым крутящим моментом (М) и зонами неустойчивой работы (рис. 2).

Рис. 4. Механическая характеристика двигателя с совмещенными обмотками
Рис. 4. Механическая характеристика двигателя с совмещенными обмотками
Рис. 3. Совмещение схем «звезда» и «треугольник» в одной обмотке
Рис. 3. Совмещение схем «звезда» и «треугольник» в одной обмотке

В свою очередь малый пусковой момент вынуждает конструкторов и специалистов по эксплуатации оборудования завышать установочную мощность АД в 1,52 раза, а в случаях тяжелого пуска – в 3-4 раза. Сразу после пуска такой электродвигатель попадает в зону низких КПД и коэффициента мощности. Это значит, что по отношению к выполняемой работе такой двигатель потребляет неоправданно много электроэнергии. Электродвигатель АДЭМ с совмещенными обмотками можно представить как три двухфазных электродвигателя в единой электромагнитной системе, включаемой без фазосдвигающих устройств непосредственно в трехфазную сеть. Комплекс трех устойчивых двухфазных двигателей делает АДЭМ устойчивым во всем скоростном диапазоне, следствием чего становится оптимальный профиль механической характеристики без зон неустойчивой работы (рис. 4).

У АДЭМ при перегрузке частота вращения вала уменьшается, но при этом ток практически не возрастает. То же происходит и при внезапном падении напряжения в цепи. Двигатель продолжает экономично работать с меньшими оборотами, не перегреваясь. После восстановления напряжения питания до номинального уровня АДЭМ самозапускаются и выходят на расчетный режим работы. Это идеальное качество при «тяжелом пуске» с большим временем переходного процесса, когда требуется «раскрутить» нагрузку с моментом сопротивления, в три и более раз превышающим номинальный момент.

ДВИГАТЕЛИ СЕРИИ АДЭМ

В 2014 году в ПАО «Оренбургнефть» и ООО «Бугурусланнефть» – подразделениях, входящих в состав ОАО «НК «Роснефть», – успешно завершились опытно-промышленные испытания энергосберегающих асинхронных электродвигателей с совмещенными обмотками серии АДЭМ в составе приводов СК производства Медногорского электротехнического завода «Уралэлектро». Завод уже давно занимается созданием и внедрением энергоэффективных технологий, а освоение новой серии электродвигателей АДЭМ и модификаций на их основе ведет по лицензии ООО «АСиПП».

Основная цель проекта – снижение потребления электроэнергии парком СК за счет внедрения двигателей АДЭМ, удовлетворяющих требованиям международного стандарта энергоэффективности IE2.

Уникальность электродвигателей АДЭМ заключается в том, что, применив соответствующую схему подключения трехфазной нагрузки к трехфазной сети (звезда или треугольник), можно получить две системы токов. Иными словами, к трехфазной сети можно подключить электродвигатель уже не с трехфазной, а с шестифазной обмоткой. При этом часть обмотки должна быть включена в звезду, а часть – в треугольник, тогда результирующие векторы полюсов одноименных фаз звезды и треугольника будут образовывать между собой угол в 30 электрических градусов.

Совмещение двух схем в одной обмотке позволяет улучшить форму поля в рабочем зазоре двигателя и, как следствие, существенно повысить основные характеристики двигателя.

Рис. 5. Форма поля в рабочем зазоре (а) стандартного двигателя; (б) двигателя с совмещенными обмотками
Рис. 5. Форма поля в рабочем зазоре (а) стандартного двигателя; (б) двигателя с совмещенными обмотками

Поле в рабочем зазоре стандартного двигателя лишь условно можно назвать синусоидальным, на самом деле оно ступенчатое (рис. 5а). В результате этого в двигателе возникают гармоники, вибрации и тормозящие моменты, которые оказывают отрицательное воздействие на двигатель и ухудшают его характеристики. Поэтому стандартный асинхронный двигатель обладает приемлемыми характеристиками только в режиме номинальной нагрузки. При нагрузке, отличной от номинальной характеристики стандартного двигателя, резко снижаются коэффициент мощности и КПД.

В свою очередь значения энергетических показателей (КПД и cosφ) электродвигателей АДЭМ оказываются более высокими не только в номинальном режиме, но и практически во всем диапазоне нагрузки: от 25 до 125% (рис. 5б). Таким образом, двигатель серии АДЭМ как в недогруженном режиме работы, так и в режиме перегрузки будет потреблять меньше энергии по сравнению со стандартным двигателем.

Кроме того, двигатели с совмещенными обмотками отличаются от стандартных лучшими показателями работы при отклонениях напряжения сети. У стандартного двигателя в этом случае происходит значительное ухудшение энергетических характеристик, а у двигателя с совмещенными обмотками изменения характеристик практически не происходит. А поскольку все изменения КПД, cosφ и напряжения во время работы приводят к увеличению рабочего тока двигателя, то сила рабочего тока двигателя с совмещенными обмотками во всем диапазоне нагрузок оказывается меньше аналогичного показателя стандартного двигателя.

Рис. 6. Механическая характеристика электродвигателя: 1 – со стандартной обмоткой; 2 – с совмещенной обмоткой
Рис. 6. Механическая характеристика электродвигателя: 1 – со стандартной обмоткой; 2 – с совмещенной обмоткой
Рис. 7. Энергетическая характеристика электродвигателя: 1 – со стандартной обмоткой; 2 – с совмещенной обмоткой
Рис. 7. Энергетическая характеристика электродвигателя: 1 – со стандартной обмоткой; 2 – с совмещенной обмоткой
Рис. 8. Характеристика КПД электродвигателя: 1 – со стандартной обмоткой; 2 – с совмещенной обмоткой
Рис. 8. Характеристика КПД электродвигателя: 1 – со стандартной обмоткой; 2 – с совмещенной обмоткой

При работе с регулярно меняющейся или неноминальной нагрузкой, перепадах питающего напряжения двигатели новой конструкции позволяют снизить потребление электроэнергии на 5-7%. Нагрев таких двигателей существенно ниже, а срок службы – значительно больше. Кроме того, при питании двигателей с совмещенными обмотками от частотного регулятора, они обеспечивают характеристики, недостижимые для других серий двигателей.

На рис. 6-8 представлены основные технические характеристики стандартных электродвигателей и электродвигателей с совмещенными обмотками. Приведенные данные подтверждены результатами испытаний в НИПТИЭМ, г. Владимир.

Двигатели серии АДЭМ по установочно-присоединительным размерам полностью соответствуют ГОСТ Р 51689, по классу эффективности – IE2 по IEC 60034-30.

ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ

В апреле 2014 года специалисты ОАО «Уралэлектро», ПАО «Оренбургнефть» и ООО «Бугурусланнефть» совместно разработали программу и провели промышленные испытания энергоэффективных электродвигателей АДЭМ 200 L6, созданных для привода балансирного механизма штангового насоса.

Опытная эксплуатация была проведена на трех месторождениях ООО «Бугурусланнефть» в составе приводов СК. Электродвигатели АДЭМ устанавливались взамен стандартных. Опытно-промышленные испытания прошли успешно.

Среднее снижение энергопотребления по отношению к эксплуатации УШГН с ранее применявшимся стандартным асинхронным электродвигателям составило 17,9%. И, хотя эта величина не характеризует энергоэффективность новых двигателей «в чистом виде», а отражает синергетический эффект, она не может не заинтересовать.

Данные результаты были получены при 15%-ной загрузке электродвигателя, что подтверждает эффективность электродвигателей серии АДЭМ в диапазоне нагрузок от 15 до 100%.

Таблица 2. Выписка из протокола итогов опытно-промысловых испытаний
Таблица 2. Выписка из протокола итогов опытно-промысловых испытаний

На примере проведенной опытной эксплуатации электродвигателей серии АДЭМ в составе нефтедобывающего оборудования был показан один из способов снижения затрат на добычу нефти путем лишь замены стандартного электродвигателя на электродвигатель серии АДЭМ. Учитывая же его перегрузочную способность и возможность эксплуатации в тяжелых режимах работы, в дальнейшем, вероятно, можно продолжить оптимизацию мощности нефтедобывающего оборудования, повысив экономию электроэнергии при добыче нефти.

Рис. 9. Двигатели серии АДЭМ
Рис. 9. Двигатели серии АДЭМ

На основании полученных результатов в ПАО «Оренбургнефть» принято решение о постепенной замене традиционных асинхронных электродвигателей на двигатели серии АДЭМ в объемах ежегодных закупок двигателей для частотно-регулируемого фонда (рис. 9).

Показать выдержки из обсуждения

ВЫДЕРЖКИ ИЗ ОБСУЖДЕНИЯ

Ивановский Владимир Николаевич: Работы в области повышения энергоэффективности имеют первоочередное значение для всех отраслей промышленности, в том числе – и для нефтедобывающей. У нас в стране более 65 тысяч скважин оснащено штанговыми насосными установками, следовательно, вопросы повышения энергоэффективности этого вида оборудования являются очень актуальной задачей. Предлагаемый авторами статьи вариант решения данной проблемы за счет замены стандартных электродвигателей на электродвигатели серии АДЭМ с комбинированной обмот-
кой статора представляется достаточно простым и эффективным.
По информации авторов статьи данный вид приводного ЭД имеет повышенный пусковой момент (на 30-50% выше, чем стандартные ЭД типа АО), повышенный КПД (на 2-3%) и коэффициент нагрузки cos φ (на 2-3 пункта). Нужно сказать, что уже такое улучшение рабочих показателей доказывает возможность применения этих видов ЭД в промышленность. Необходимо отметить, что фирма Бейкер Хьюз считает своим высоким достижением создание погружного ЭД серии SP и SP1, имеющие сопоставимые по улучшению КПД и cos φ показатели (на 2-3 пункта).
Но дальше авторы статьи дают информацию о достигнутых результатах внедрения
двигателей серии АДЭМ в приводы штанговых скважинных насосных установок, которые можно назвать фантастическими. Почему «фантастическими»? Потому что улучшение характеристики на 2-3 пункта по КПД при одинаковых установочных мощностях (30 кВт) никак не может привести к экономии в потреблении электроэнергии в 16-20% без изменений условий эксплуатации и изменения применяемого оборудования. При этом я нисколько не сомневаюсь в достоверности полученной экономии! Так как указанную экономию в потреблении электроэнергии можно было достичь и без замены приводных электродвигателей, например, за счет уравновешивания станка-качалки. Видимо, в данном случае это и было сделано при проведении ОПИ. Поэтому очень хотелось бы, чтобы авторы публикаций старались при показе своих достижений четко определять, за счет каких мероприятий они были получены.
Комментарии

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

Написать комментарий
Комментировать
Читайте далее
Борьба с осложнениями при добыче нефти в ТПП «РИТЭК-Самара-Нафта»
Увеличение эффективности очистки ПЗП с применением УПС
Реклама
Свежий выпуск
Инженерная практика №04/2020

Инженерная практика

Выпуск №04/2020

Защита скважинного и промыслового оборудования от коррозии. Энергоэффективность. Наземное оборудование
ОПИ новых марок сталей, способов защиты НКТ и стыков сварных соединений трубопроводовИспытания трубопроводов с внутренним защитным полимерным покрытием в условиях высоких температур и выноса мехпримесейОпыт защиты скважин РУП «Производственное объединение «Белоруснефть» от коррозииОПИ ингибиторов коррозии и бактерицидовЗащита трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащую продукциюПовышение энергоэффективности эксплуатации УЭЦН
Ближайшее совещание
Механизированная добыча, Подготовка нефти и газа, Поддержание пластового давления, Разработка месторождений
ВОСТОЧНАЯ СИБИРЬ 2020
Восточно-Сибирский нефтегазовый технологический форум

ВОСТОЧНАЯ СИБИРЬ ‘2020. Эффективные технологии разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений

26-28 августа 2020 г., г. Иркутск
26 - 28 августа 2020 года ООО «Инженерная практика» проводит в городе Иркутске в Конференц-зале Отеля «Кортъярд Иркутск Сити-Центр» «Восточно-Сибирский нефтегазовый технологический форум: ВОСТОЧНАЯ СИБИРЬ ‘2020. Эффективные технологии разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений». Мероприятие носит рабочий характер и направлено на обсуждение применения лучших практик в области разработки и эксплуатации месторождений Восточной Сибири среди экспертов вертикально-интегрированных компаний, научных центров, поставщиков технологий, производителей оборудования и нефтепромысловой химии. Планируется посещение производственных объектов Региона
Ближайший тренинг
Капитальный ремонт скважин
Ловильный сервис – сентябрь 2020
Тренинг-курс

Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах

7-11 сентября 2020 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 рамках авторского курса С. Балянова.