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

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 (Р_пр), определяется выражением:

где: Р_дв — электрическая мощность, потребляемая электродвигателем; ΔР_к — потери мощности в кабеле токоподвода; η_су — КПД станции управления; η_тр — КПД повышающего трансформатора; η_вф — КПД выходного фильтра.

где: η_дв — КПД электродвигателя, Р_вых — мощность на валу двигателя.

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

• Абсолютные потери мощности:

  

  где Р_вх — 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 Р_н:

  

• 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».

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: L_k — длина кабеля; P̅₀ — удельные потери при отсутствии кабеля (L_k = 0); α = ΔP̅/ΔL_k.

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

Значения коэффициентов наклона зависимостей (1/км) составили: α_ВД = 6; α_ПЭД = 6,7; α_ПЧ = 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).

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%.

Рис. 4. Рабочие характеристики двигателей (I — рабочий ток двигателя, К_м — коэффициент мощности двигателя, η_дв — 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.

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

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

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».