Силовая электроника №4'2011

Энергетическая эффективность приводов погружных насосов в нефтедобывающей отрасли и их электромагнитная совместимость с сетью

Климов Валерий

Климов Иван

Павленко Владимир


В настоящее время в нефтедобывающей промышленности взамен нерегулируемых погружных электродвигателей (ПЭД) на основе асинхронных двигателей все более широкое применение находят регулируемые приводы с преобразователями частоты (ПЧ). Среди указанного вида оборудования можно выделить привод с использованием асинхронного и вентильного двигателей. Применение преобразователя частоты в приводе с асинхронным двигателем (АД) позволяет решить вопрос регулирования частоты вращения насоса, однако не может повысить энергетическую эффективность по сравнению с приводом, использующим вентильный двигатель (ВД). Многочисленные публикации в нашей стране и за рубежом по вопросам энергоэффективности применения двигателей с постоянными магнитами по сравнению с асинхронными и индукторными показывают актуальность проводимого анализа.

Основные задачи, решаемые в работе

  • Подтверждение преимуществ энергетической эффективности вентильного привода по сравнению с приводом ПЧ-АД.
  • Оценка значений КПД приводов в зависимости от коэффициента загрузки.
  • Определение значений удельных потерь мощности в приводах при различных длинах кабеля.
  • Оценка влияния частоты вращения на энергетические показатели привода.
  • Определение спектрального состава напряжения и тока на входе станций управления и оценка влияния входного фильтра на показатели ЭМС с сетью.

Общие сведения об энергетической эффективности приводов

Энергетическая эффективность привода определяется сопоставлением потребляемой установкой с погружным насосом активной электрической мощности при использовании ВД с мощностью, потребляемой установкой с АД, в одной и той же скважине при подъеме равного количества жидкости с одинакового динамического уровня при одинаковом давлении [1]. Активная мощность, потребляемая приводом (Рпр), определяется выражением:

где: Рдв — электрическая мощность, потребляемая электродвигателем; ΔРк — потери мощности в кабеле токоподвода; ηсу — КПД станции управления; ηтр — КПД повышающего трансформатора; ηвф — КПД выходного фильтра.

где: ηдв — КПД электродвигателя, Рвых — мощность на валу двигателя.

Помимо КПД, оценка энергоэффективности приводов может быть проведена по следующим показателям [6]:

  • Абсолютные потери мощности: где Рвх — активная мощность, потребляемая на входе станции управления приводом.
  • Удельные потери мощности (относительная энергетическая эффективность) — абсолютные потери мощности ΔР в приводе, отнесенные к номинальной мощности двигателя Рн:
  • Относительные потери мощности в различных приводах — отношение абсолютных потерь мощности в одном приводе с большими потерями к абсолютным потерям мощности в другом приводе с меньшими потерями:

Можно установить связь между удельными потерями мощности и КПД привода:

Методика и объекты исследования

Оценка энергетической эффективности приводов основывается на данных экспериментальных испытаний, представленных в виде осциллограмм напряжений и токов в различных сечениях приводов, протоколов измерения напряжений, токов, мощностей при определенных нагрузочных моментах и частотах вращения. Исследования проводились с использованием специализированного испытательного стенда СИ ЭППА СИУ-160, разработанного на предприятии ООО «РИТЭК-ИТЦ» (аттестат ВНИИМС № 36 от 25.12.2008) [2]. Стенд содержит необходимые измерительные, регистрирующие, нагрузочные средства и предназначен для натурно-физического моделирования работы привода в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации погружного электродвигателя на скважине (окружающая температура, натурный эквивалент длинной линии). Функциональная схема стенда для проведения испытаний приведена на рис. 1. В качестве дополнительного средства использовался измеритель качества электроэнергии «Ресурс-UF2M».

 Функциональная схема испытательного стенда

Рис. 1. Функциональная схема испытательного стенда

Объектами испытаний были выбраны следующие приводы:

  • Вентильный электропривод в составе:
    – вентильный двигатель 2ВД32-117В5 (32 кВт);
    – станция управления «Ритэкс-03ЦТ»;
    – фильтр входной.
  • Асинхронный электропривод в составе:
    – асинхронный двигатель ПЭД-32 (32 кВт);
    – выходной синусный фильтр;
    – фильтр входной.

В состав объектов испытания также входили повышающий трансформатор ТМПН 125/3 и кабельная линия КПБП3×16 мм2, 1500 м.

Программа исследований включала:

  • испытание привода с ПЧ ПЭД-32 при различных коэффициентах загрузки и частотах вращения;
  • испытание вентильного привода с ВД-32 при различных коэффициентах загрузки и частотах вращения;
  • испытание асинхронного и вентильного приводов при наличии предвключенного входного фильтра станции управления.

Анализ полученных данных позволяет провести сравнение энергетической эффективности приводов с вентильным и асинхронным электродвигателями и их электромагнитную совместимость с сетью.

Оценка энергоэффективности приводов по значениям удельных потерь

По результатам измерения потерь в кабеле, в ТМП, в станции управления (СУ), в двигателе определены суммарные абсолютные потери мощности в приводах при номинальной выходной мощности 32 кВт (табл. 1). В соответствии с выражением (3) были определены значения удельных потерь в нерегулируемом приводе с ПЭД, в приводе ПЧ-АД и в вентильном приводе. На рис. 2 приведены зависимости удельных потерь при различной длине кабеля. Эти зависимости можно аппроксимировать прямой с коэффициентом наклоном α:

где: Lk — длина кабеля; 0 — удельные потери при отсутствии кабеля (Lk = 0); α = ΔLk.

 Зависимость удельных потерь в приводах при различной длине кабеля

Рис. 2. Зависимость удельных потерь в приводах при различной длине кабеля (ВД —вентильный привод, ПЧ — привод ПЧ-АД, ПЭД — нерегулируемый привод с АД)

Таблица 1. Значения потерь мощности, рабочего тока и КПД двигателя

Параметры Тип привода
Нерегулируемый ПЭД Привод ПЧ-АД Вентильный привод
Длина кабеля, км 0 1,5 0 1,5 0 1,5
Ток двигателя, А 26,4 26,7 26,5 28,6 19,9 20,2
Потери в СУ, кВт 1,76 2,03 1,23 1,28
Потери в ТМП, кВт 1,03 1,14 1,13 1,22 0,52 0,76
Потери в кабеле, кВт 3,23 3,85 1,77
Потери в двигателе, кВт 6,49 6,63 6,37 7,42 3,07 3,21
КПД двигателя, % 83,1 82,9 83,4 81,1 91,3 90,9
Суммарные потери в приводе, кВт 7,52 11,0 9,26 14,52 4,82 7,02

Значения коэффициентов наклона зависимостей (1/км) составили: αВД = 6; αПЭД = 6,7; αПЧ = 10,7.

Результаты анализа показывают, что удельные потери в вентильном приводе при длине кабеля 1,5 км составляют 22% по сравнению с ПЭД (34%) и регулируемым приводом с ПЧ (45%).

Зависимости КПД приводов от коэффициента загрузки и частот вращения

По итогам испытаний вентильного привода и привода ПЧ-АД при различных коэффициентах загрузки и частотах вращения получены зависимости КПД приводов от нагрузки (рис. 3).

 Зависимость КПД приводов от нагрузки при различной длине кабеля

Рис. 3. Зависимость КПД приводов от нагрузки при различной длине кабеля (ВД — вентильный привод, ПЧ — привод ПЧ-АД, ПЭД — нерегулируемый привод с АД)

Наибольшее значение КПД достигается при использовании вентильного привода в диапазоне загрузки 0,5–1,0 и составляет 81% при длине кабеля 1,5 км и частоте вращения 3000 об/мин. При уменьшении частоты вращения до 2000 об/мин. происходит незначительное снижение КПД до значения 78–80%.

КПД привода с ПЧ-АД имеет наибольшее значение в диапазоне загрузки 0,5–0,75 и при частоте питания 50 Гц составляет 71–72%. При снижении частоты питания до 37 Гц значение КПД падает до 67%.

Уменьшение КПД привода при снижении частоты вращения объясняется снижением выходной мощности, однако при этом происходит также снижение потерь механической мощности (трение, гидравлические потери и т. д.), что определяет незначительное уменьшение КПД при снижении частоты вращения.

Рабочие характеристики двигателей

На рис. 4 приведены рабочие характеристики двигателей (токи, КПД и коэффициент мощности), построенные на основании результатов измерения электрических параметров исследуемых приводов при номинальных значениях частоты вращения. Как видно из графиков, КПД ВД снижается линейно от коэффициента загрузки привода и в номинальном режиме составляет 91–90,2%. График КПД АД при питании от ПЧ имеет экстремум в диапазоне коэффициента загрузки 0,5–0,75, уменьшаясь при номинальном режиме до 81,6%.

 Рабочие характеристики двигателей

Рис. 4. Рабочие характеристики двигателей (I — рабочий ток двигателя, Км — коэффициент мощности двигателя, ηдв — КПД двигателя)

Коэффициент мощности ВД практически сохраняет свое значение в широком диапазоне изменения коэффициента загрузки (0,4–1,1) и составляет в номинальном режиме 0,857, увеличиваясь до 0,87 при малой загрузке (0,4). При этом ток ВД линейно уменьшается от 20,4 А при коэффициенте загрузки 1,0 до значения 10 А при коэффициенте загрузки 0,45. Несколько заниженное значение коэффициента мощности ВД по сравнению с теоретическим объясняется искажениями синусоидальности кривых напряжения и тока питания двигателя, вносящими дополнительную мощность искажения в значение полной мощности двигателя.

Коэффициент мощности АД при питании от ПЧ имеет характер резкого снижения при уменьшении загрузки привода от 0,857 при номинальном режиме до 0,62 при 40% загрузки. Ток АД линейно изменяется от 27,5 А при номинальном режиме до 15 А при 40% загрузки.

Влияние входного фильтра на коэффициенты искажения синусоидальности тока на входе станций управления

На основании осциллограмм напряжения и тока входного фильтра в составе станций управления (рис. 5, 6), а также спектрального состава этих величин была составлена сводная таблица коэффициентов гармоник и коэффициентов искажения синусоидальности входного тока при наличии и отсутствии входного фильтра станций управления. В таблице 2 приведены полученные результаты, а также нормы ГОСТ [5], регламентирующие допустимые значения эмиссии высших гармоник в сеть. Как показали результаты исследования, входной фильтр, настроенный на 5 и 7 гармоники [4], эффективно улучшает гармонический состав входного тока при различных коэффициентах загрузки привода и обеспечивает значение коэффициента искажения синусоидальности тока, не превышающее требований стандарта.

 Осциллограммы напряжения и тока на входе станции управления

Рис. 5. Осциллограммы напряжения и тока на входе станции управления при отсутствии входного фильтра
 Осциллограммы напряжения и тока на входе станции управления при наличии входного фильтра

Рис. 6. Осциллограммы напряжения и тока на входе станции управления при наличии входного фильтра

Таблица 2. Коэффициенты гармонических функций и общего искажения тока при отсутствии входного фильтра и при его включении

Объект исследования Номер и % гармоники входного тока Коэффициент искажения входного тока КI, %
5 7 11 13
СУ без входного фильтра 26 30 13 3 42
СУ с входным фильтром 7,5 7 3,1 1,1 10
Норма по ГОСТ Р 51317.3.12-2006 10,7 7,2 3,1 2 13

Выводы

  • Результаты испытаний приводов в условиях, приближенных к их реальной эксплуатации, полностью подтвердили более высокую энергоэффективность вентильного привода по сравнению с другими приводами.
  • КПД вентильного привода в диапазоне загрузки 0,5–1,0 достигает 81% при длине кабеля 1500 м, в то время как КПД привода с ПЧ-АД имеет наибольшее значение в диапазоне загрузки 0,5–0,75 и составляет 71–72%.
  • Входной фильтр, настроенный на 5 и 7 гармоники, эффективно улучшает гармонический состав входного тока станций управления при различных коэффициентах загрузки привода и обеспечивает значение коэффициента искажения синусоидальности тока сети, не превышающее требований стандарта.

Литература

  1. Павленко В., Климов В., Климов И. Сравнительный анализ электромагнитных процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей промышленности // Силовая электроника. 2010. № 3.
  2. Павленко В., Гинзбург М. Обоснование диапазона регулирования частот вращения приводов на основе вентильных электродвигателей // Технологии ТЭК. 2006. № 5.
  3. Гинзбург М., Павленко В., Климов В. Энергопотребление УЭНЦ // Инженерная практика. 2010. № 8.
  4. Климов В. П., Москалев А. Д. Способы подавления гармоник в системах электропитания // Практическая силовая электроника. 2003. № 6.
  5. ГОСТ Р 51317.3.12-2006 «Совместимость технических средств электромагнитная. Ограничения гармонических составляющих тока, создаваемые техническими средствами с потреблением токов более 16 А, но не более 75 А (в одной фазе), подключенными к низковольтным системам электроснабжения общего назначения. Нормы и методы испытания».
  6. ГОСТ Р 51677-2000 «Машины электрические асинхронные мощностью от 1 до 4000 кВт включительно. Двигатели. Показатели энергоэффективности».

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_04_46.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо