Факторы, обеспечивающие снижение энергопотребления УЭЦН при замене в них ПЭД на ВЭД
Приводы на основе вентильных электродвигателей (ВЭД), разработанные специалистами ООО «РИТЭК-ИТЦ», уже прочно вошли в перечень оборудования, которое используется нефтяниками для повышения эффективности добычи нефти.
По состоянию на начало июня 2010 года насосные установки с двигателями конструкции и производства ООО «РИТЭК-ИТЦ» эксплуатировались более чем в 1100 скважинах.
Высокая энергоэффективность вентильных приводов определяется не только их энергетическими характеристиками, но и возможностью эффективного применения различных режимов отборов продукции скважин (см. «Факторы, обеспечивающие снижение энергопотребления УЭЦН при замене в них ПЭД на ВЭД»).
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕНТИЛЬНЫХ И АСИНХРОННЫХ ПРИВОДОВ УЭЦН
Высокая энергоэффективность вентильных электродвигателей определяется изначально заложенной в конструкцию их роторов высококоэрцитивных постоянных магнитов из сплавов редкоземельных металлов с высокими удельными показателями энергии. Поэтому в них нет соответствующих потерь, которые есть в короткозамкнутой обмотке роторов асинхронных электродвигателей, в связи с чем КПД вентильных электродвигателей выше КПД асинхронных электродвигателей.
Сравнительные испытания проводились на двигателях ВД32-117 со станцией управления «РИТЭКС-03» и ПЭД32-117 без регулирования частоты вращения и со станцией управления «Электон-05» с преобразователями частоты (ПЧ) без фильтров (см. «Энергетические показатели вентильных и асинхронных приводов по результатам испытаний на стенде СИУ-160»).
Как видно из приведенных данных, КПД вентильных двигателей и приводов на их основе выше КПД приводов с асинхронными двигателями, а значения рабочих токов – ниже.
При замене в УЭЦН ПЭД на ВЭД потери в кабельной линии, пропорциональные действующему значению тока во второй степени, также снижаются (см. «Относительные величины токов в кабельной линии при замене в УЭЦН ПЭД на ВЭД»).
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗА СЧЕТ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ИЗМЕНЕНИЕМ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
Корректировки режима отбора продукции скважин определяются необходимостью компенсации неточностей, которые имеют место при использовании самых совершенных программ подбора оборудования. Регулирование подачи насоса может проводиться установкой штуцера с заданным диаметром отверстия или регулированием частоты вращения. Последний способ с точки зрения энергетики более эффективен. Поэтому в последние годы существенно увеличиваются объемы применения в составе УЭЦН станций управления с ПЧ, обеспечивающих возможность регулирования частоты вращения ПЭД.
Возможность регулирования частоты вращения обеспечивает и вентильный электродвигатель, который в отличие от асинхронного с ПЧ обладает универсальной эффективностью, обеспечивающей не только более высокие КПД, но и более высокий ресурс двигателя и всей установки.
При выборе типа регулируемого привода (ВЭД или ПЭД с ПЧ) необходимо учитывать, что КПД асинхронных электродвигателей при их работе с ПЧ снижаются относительно их номинальных значений при работе непосредственно от сети.
В рекомендациях стандарта Международной электротехнической комиссии IEC/TS 60034-17(2006) «Машины электрические вращающиеся. Часть 17. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором при питании от преобразователей. Руководство по применению» указывается, что необходимо предусматривать дополнительные потери в двигателе, вызванные наличием гармоник в напряжении и токе, которые в двигателях средней мощности могут достигать 20%.
Снижение КПД ПЭД при работе с ПЧ подтверждено результатами испытаний на стенде: при частоте 50 Гц КПД ПЭД32 с ПЧ оказался ниже КПД этого же двигателя, работающего при той же частоте, но от сети (82,1 и 83,4% соответственно). Таким образом, потери мощности при регулировании частоты вращения ПЭД с ПЧ выше соответствующих потерь при регулировании частоты вращения вентильного электродвигателя. Помимо снижения КПД асинхронного ПЭД с ПЧ увеличился и его ток с 26,6 до 28,3 А, что связано с наличием высших гармоник.
Большинство выпускаемых в настоящее время в России станций управления с ПЧ не имеют встроенных выходных фильтров, поэтому искажения синусоидальности кривой напряжения превышают допустимые значения. Нефтяники сформулировали требования по допустимой величине искажения, которые будут учтены в разрабатываемом стандарте на УЭЦН. Пока многие из них мирятся с искажениями, так как не готовы платить за фильтры. При использовании в комплекте со станцией управления выходного фильтра КПД двигателя ПЭД с ПЧ может возрасти, однако появятся дополнительные потери мощности в фильтре.
При эксплуатации УЭЦН с ВЭД возможность регулирования частоты вращения используется в 86% скважин, из них 72,4% работают при частотах ниже номинальной и 13,6% – выше (см. «Распределение скважин, эксплуатируемых УЭЦН с ВЭД, по диапазонам регулирования частот вращения»). Конечно, такое распределение скважин по частотам вращения УЭЦН не является постоянным. Приведенные цифры отражают состояние на дату учета. Однако средневзвешенная частота вращения насосов в 2750 об/мин соответствует средним значениям фактической частоты вращения УЭЦН с ВЭД. При этой частоте вращения потребляемая насосом мощность снижается на 15,5%. Именно эту цифру рекомендуется учитывать при проведении предварительных расчетов снижения энергопотребления от замены в УЭЦН ПЭД на ВЭД.
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ УЭЦН В ЦИКЛИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
Принято считать, что периодический способ эксплуатации скважин – это вынужденная технология, которую не следует применять, если есть возможность эксплуатации скважин в непрерывном режиме. Сегодня это положение не столь категорично. Появились так называемые «повторно-кратковременный метод эксплуатации УЭЦН» и «метод циклических отборов», которые, по сути, остаются методами периодической эксплуатации. И применяемые в рамках этих методов режимы отбора продукции скважин позволяют для определенной их категории повысить эффективность добычи, в том числе снизить энергопотребление.
Ранее периодический метод считался неэффективным не только в связи с меньшим отбором продукции скважин, чем при непрерывной добыче, но и в связи со снижением ресурса ПЭД и кабеля из-за многократных запусков при больших значениях пусковых токов, а также динамических нагрузок на узлы соединения подземного оборудования УЭЦН.
С появлением станций управления с плавным запуском и возможностью регулирования частоты вращения эти недостатки перестали быть в технологии периодической эксплуатации определяющими. Однако, поскольку при периодической эксплуатации двигатель работает практически без охлаждения потоком откачиваемой из пласта жидкости, возможен его перегрев и, как следствие, снижение ресурса.
Это положение справедливо при использовании в качестве привода ЭЦН асинхронного электродвигателя ПЭД. При периодической эксплуатации УЭЦН более эффективен вентильный электродвигатель, поскольку он имеет более низкую температуру перегрева обмотки: ΔТВЭД = 20÷25°С, ΔТПЭД = 40÷45°С.
Как известно, ресурс изоляции снижается с повышением температуры эксплуатации. Поэтому вентильные двигатели при периодическом способе эксплуатации имеют более высокий ресурс, чем ПЭД, работающие в аналогичном режиме.
В настоящее время вентильные электродвигатели производства ООО «РИТЭК-ИТЦ» используются в составе УЭЦН, работающих методом циклических отборов в 50 скважинах ОАО «ТНК-Нягань». При циклическом отборе продукции скважин в составе УЭЦН используется насос с номинальной подачей, в 2 – 3 раза превышающей подачу насоса, который ранее использовался для отбора продукции при непрерывной работе УЭЦН. Снижение энергопотребления при этом достигается за счет более высоких КПД насосов с большими подачами. Эта технология позволила в ОАО «ТНК-Нягань» в два и более раза повысить наработки оборудования УЭЦН и сократить расход электроэнергии на 40 – 60% без снижения добычи.
Как было отмечено, метод циклических отборов не является универсальным методом эффективной эксплуатации. Он может быть использован только в определенной категории скважин. Рост применения этого метода связан с внедрением в нефтяных компаниях программы подбора оборудования и технологии эксплуатации скважин методом циклических отборов, разработанной под руководством д.т.н. Владимира Николаевича Ивановского.
Факторы, обеспечивающие снижение энергопотребления при замене в УЭЦН ПЭД на ВЭД, и ориентировочные значения их показателей представлены в таблице (см. «Снижение энергопотребления при замене в УЭЦН ПЭД на ВЭД»).
ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВЭД В НК «ЛУКОЙЛ»
В 2009 году в четырех основных нефтедобывающих предприятиях компании ОАО «ЛУКОЙЛ» был выполнен анализ энергетической эффективности замены в УЭЦН асинхронных электродвигателей на вентильные. Оценка снижения энергопотребления проводилась путем инструментальных замеров энергопотребления в одних и тех же скважинах до и после замены в УЭЦН и УЭВН серийных асинхронных электродвигателей (без возможности регулирования частоты вращения) на вентильные (см. «Снижение энергопотребления при замене в УЭЦН асинхронных электродвигателей ПЭД на ВЭД по компаниям»). Аналогичные замеры проводились в ОАО «Татнефть» и ОАО «ТНК-Нягань», где эксплуатируются вентильные электродвигатели производства ООО «РИТЭК-ИТЦ».
Представленные в таблицах численные показатели снижения энергопотребления при замене в УЭЦН ПЭД на ВЭД в каждом конкретном случае могут быть выше или ниже приведенных цифр. Но энергопотребление УЭЦН с правильно спроектированным ВЭД, управляемым по оптимальной программе, всегда будет ниже энергопотребления УЭЦН с ПЭД, в том числе и с частотным регулятором.
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.