Стрункин Сергей Иванович Первый заместитель генерального директора по производству – главный инженер ПАО «Оренбургнефть»

Степанов Юрий Георгиевич Начальник отдела управления проектами новых технологий ПАО «Оренбургнефть»

Самотуев Антон Сергеевич Ведущий инженер отдела по повышению энергосбережения и энергоэффективности ПАО «Оренбургнефть»

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).

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.

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.

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%.

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.

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).