Расчет энергоэффективности электропривода бурового насоса

ВВЕДЕНИЕ



     Бурение нефтяных и газовых скважин является весьма энергоемкой отраслью, всегда связано с процессом по перемещению бурильных или обсадных труб, причем основной объем электроэнергии потребляют приводы буровых насосов и лебедок. К управлению этими процессами должно прилагаться особое внимание. Необходимо, выделить такую особенность, что оптимальный режим работы бурового насоса, характеризуется постоянством развиваемой насосами мощности. Выполнение данного условия обеспечивает работу установки с высоким КПД. Стремление повысить эффективность работ буровой установки предопределило создание ряда электроприводов насосов на основе асинхронных двигателей с фазным ротором, управляемых реостатным способом, синхронных двигателей, управляемых подключением нагрузки с помощью электромагнитной муфты, двигателей постоянного тока управляемых изменением напряжения по системе тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока (ТП-ДПТ) и асинхронных двигателей

с частотным регулированием по системе частотный преобразователь – асинхронный двигатель (ПЧ-АД).

     В выпускной квалификационной работе рассматривается регулируемый электропривод бурового насоса по системе ПЧ-АД, на примере буровой установки типа БУ 4500/270 ЭК-БМЧ.

     Данная установка типа Уралмаш 4500/270 ЭК-БМЧ, предназначена для кустового бурения скважин на нефть и газ, с условной глубиной бурения 4500 метров в районах с умеренным климатом – У, категории 1 по ГОСТ 15150-69 (от минус 45 ?С до плюс 40 ?С) на месторождениях с содержанием сероводорода менее 6 %.

     Целью работы является расчет энергоэффективности электропривода бурового насоса.

     В ходе работы были произведены расчеты выбора электропривода и электродвигателя насоса и построена модель частотно-регулируемого асинхронного электропривода, для определения энергетических показателей.








5

4.2 Выбор электродвигателей для привода бурового насоса



     Для привода бурового насоса типа УНБТ-1180L будем использовать асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, оснащённый преобразователем частоты.

Мощность приводного двигателя насоса определяется по формуле:


где



?п .	– коэффициент подачи;

Qт . – максимальная мощность на приводном валу, кВт;

p – полное давление нагнетания при максимальной производительности, Па; ? – коэффициент, учитывающий возможность длительной перегрузки насоса; ?н . – полный КПД насоса;


?пн. – КПД передачи между двигателем и насосом.

Значение	полного	давления	нагнетания	определяется	в	соответствии	с

характеристиками выбранного насоса; значения коэффициентов:  ?п.  ? 0,9 ;  ?н.  ? 0,87 ;


?
пн.







?




0,96
; ? = 1,05 – 1,1.

Тогда


     Поскольку режим работы насоса продолжительный, двигатель насоса выбирают таким образом, чтобы его номинальная мощность была несколько больше или равна мощности, вычисленной по формуле (4.3). Номинальное напряжение обмоток двигателя должно быть равно напряжению питающей сети (6 или 10 кВ).

     По (4.3) значению Pп. и в соответствии с требованиями к электроприводу выбираем асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии АЗВ марки АЗВ-1250/6000-4УХЛ1 на напряжение 6 кВ номинальной мощностью 1250 кВт, частотой вращения 1500 об/мин, т.к. электропривод используется во взрывоопасной среде, поэтому ЭД выбираем во взрывозащищенном исполнении.











6

4.3 Выбор частотного преобразователя



     При выборе преобразователя частоты необходимо учитывать следующие моменты:

     - физические параметры питающей сети должны соответствовать полной мощности ПЧ и входному току, указанному в спецификации на инвертор;

- номинальный ток приводного электродвигателя должен быть, как минимум,

меньше номинального выходного тока ПЧ;

     - мощность электродвигателя должна быть меньше или равна значению максимальной допустимой мощности электродвигателя, указанной в общих характеристиках на ПЧ.

     Исходя из этих требований, выбираем преобразователи частоты типа ACS880-107-17407 мощностью 1400 кВт. Данный преобразователь частоты предназначены для регулирования скорости, момента и автоматического управления широким спектром производственных машин, механизмов и комплексов с приводными асинхронными трехфазными двигателями в различных сферах промышленности, энергетики, транспорта и коммунального хозяйства.

     Основные технические характеристики преобразователя частоты серии ACS880 сведены в таблицу 4.1

Таблица 4.1 – параметры и характеристики ABB ACS880 [10]

Таблица 4.2 – Технические характеристики ЧП ABB серии ACS880 [10]
























7

5. Модель частотно-регулируемого асинхронного электропривода


5.1 Расчет параметров асинхронного двигателя


     Трехфазные асинхронные электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором серии АЗВ нашли широкое применение в нефтяной промышленности, и предназначены для привода буровых установок, таких как: стационарные, центробежные, питательные, буровые насосы, лебедок, нагнетатели, холодильные машины, компрессоры.

     В качестве моделирования берем двигатель бурового насоса типа АЗВ-1250/6000-4УХЛ1, параметры которого представлены в таблицах 5.1 и 5.2

Каталог электродвигателей предприятия ОАО «Научно-производственное объединение ЭЛСИБ». С. 99 - 100].

Таблица 5.1 – паспортные данные двигателя типа АЗВ-1250/6000-4УХЛ1.

     Расчет Т-образной схемы замещения (рисунок 4.1) электродвигателя АЗВ-1250/6000-4УХЛ1.

Рисунок 5.1 – Приведенная Т-образная схема замещения АД с учётом механической нагрузки на валу двигателя.

Для расчета Т-образной схемы замещения используется методика, изложенная

в [12].

     Задается конструктивный коэффициент C1 = (1,01…1,05), который имеет меньшее значение для машин большей мощности:

    Ориентируясь на рекомендуемые значения механических потерь в двигателе Рмех. = (0,01…0,05) Рн., выбирается их значение для конкретной машины:

Определяется номинальное значение тока статора:

где Рн. — номинальная мощность [Вт];

Uн. — номинальное напряжение [В];

cos?н. — коэффициент мощности в номинальном режиме [о.е.];

?н. — коэффициент полезного действия в номинальном режиме [о.е.]. 8

Синхронная частота вращения:

где f1 — частота сети [Гц];

p — количество пар полюсов [шт].

Номинальное скольжение:

где nн. — номинальная угловая частота вращения вала [об/мин].

Критическое скольжение:

где sн. — номинальное скольжение [о.е.].

Синхронная угловая частота:

Номинальная угловая частота вращения ротора:

Номинальный момент:

Максимальный момент:

где kм. — кратность максимального момента [о.е.].

Пусковой момент:

где kп. — кратность пускового момента [о.е.].

Определяется приведенное активное сопротивление ротора:

Определяется активное сопротивление обмотки статора:

     Определяются приведенная индуктивность рассеяния обмоток статора и ротора:

где ki — кратность пускового тока [о.е.]; Определяется индуктивность обмотки статора: Определяется индуктивность цепи намагничивания:

Определяется расчетное значение конструктивного коэффициента:






9

Сравнивается	расчетное	значение	конструктивного	коэффициента	с	ранее

принятым.

Значения  конструктивного  коэффициента  совпадают,  следовательно,  расчет

выполнен верно.



     5.4 Энергетические показатели эффективности регулируемого привода бурового насоса

     Рассмотрим энергетические показатели для выбранного электропривода бурового насоса на примере скважины. Бурение происходило роторным способом с промывкой насосом типа УНБТ-1180L, в три этапа:

     На первом этапе при втулке насоса 190 мм было пробурено 1520 м в течение 256 часов. Начальное значение подачи Q3 составило 51,4 л/с. Для упрощения анализа примем, что коэффициент подачи насоса не зависит от напора и подачи насоса при работе на одной втулке не и меняется в процессе бурения.

На втором этапе при втулке диаметром 180 мм было пробурено 1880 м в течение

425 часов. Начальное значение подачи Q2 составило 46 л/с.

На третьем этапе с втулкой 140 мм было пробурено 800 м в течение 169 часов.

Начальное значение подачи Q1составило 25 л/с.

     Изменение подачи в функции времени t (без учета времени на замену втулок и спуско-подъемных операций) показано на рисунке 4.10, а. Нагрузка на двигатель (рисунок 4.10, б) постоянно изменяется, после смены втулки она скачком уменьшается и затем в процессе бурения с увеличением глубины скважины постепенно увеличивается до номинального значения ном.. Скорость вращения n двигателя не изменяется (рисунок 4.10, в).

Рисунок 4.10 – Характеристики нерегулируемого электропривода

      Чтобы уменьшить подачу достаточно снизить частоту вращения двигателя. Частота вращения на участках 2-3 и 4-5 должна регулироваться так, чтобы давление, развиваемое насосом, оставалось постоянным. Требуемая частота вращения 3в точке 3 может быть определена из выражения:



10

     Аналогично определяется требуемая частота вращения в точке 5. Для рассматриваемого примера при номинальной частоте вращения 1490 об/мин на участке 2-3 необходимо постепенно снижать частоту вращения от 1490 до 1188 об/мин, на участке 4-5 до 900 об/мин.

     По мере углубления скважины гидростатического давление растет, поэтому по достижении точки 2 необходимо снижать скорость вращения двигателя для уменьшения подачи. При этом давление, развиваемое насосом остается постоянным

– максимально допустимым для данной втулки. Стоит отметить, что при использовании нерегулируемого и регулируемого привода смена втулок происходит на разных глубинах.

     Изменение подачи в функциях времени t (без учета времени на замену втулок и спуско-подъемных операций) показано на рисунке 4.11

    Рисунок 11 – Характеристики нерегулируемого электропривода Оценим некоторые из технико-эконмических эффектов при использовании

регулируемого электропривода.

     Во-первых, при регулируемом электроприводе повышается среднее давление промывочной жидкости и повышается средняя подача насоса. При этом улучшается очистка забоя, повышается мощность, передаваемая долоту, и увеличивается скорость разрушения породы, что приводит к снижению времени бурения.

Во-вторых, снижаются потери мощности и электроэнергии в ЭД.

     В-третьих, снижаются потери давления в манифольде и, как следствие, снижается расход электроэнергии.

     Снижение времени бурения можно приближенно оценить следующим образом. Предположим, что энергия, требуемая для разрушения породы при нерегулируемом электроприводе, одна и та же Wнер. ? Wрег. . Тогда будут равны и произведение средних потребляемых мощностей при бурении на участках 2-3/ и 4-5/.

где Рнер . , Ррег . ? средняя мощность во время бурения при нерегулируемом и регулируемом электроприводе на участках 2-3/ и 4-5/;






11

Tнер . ,Tрег . ? время бурения при нерегулируемом и регулируемом электроприводе

на участках 2-3/ и 4-5/.

Исходя из графика представленного на рисунке 4.10, б, средняя мощность при

нерегулируемом  электроприводе
Р
ср .

составляет  728  кВт,  и  при  регулируемом









нер.


электроприводе из рисунка 4.11,
б

Р
ср.

составляет 1000 кВт. При этом из (4.52)












рег.



следует, что:

То есть время бурения при регулируемом электроприводе снижается на 17,2 %. Снижение потерь мощности и электроэнергии в электродвигателе обусловлено повышением  коэффициента  загрузки  и  КПД  электродвигателя  при  частотном регулировании. Потери электроэнергии в электродвигателе при нерегулируемом и

регулируемом электроприводах определяются по выражениям:

где T и P – время бурения и средняя мощность на участках 2-(3)3/ и 4-(5)5/ при не регулируемом и регулируемом приводе.

     При регулируемом электроприводе КПД электродвигателя остается равным номинальными. КПД при нерегулируемом приводе может быть найден по выражению:


     На основе опыта бурения время T2 от полного времени бурения скважины.



?5


может быть принято равным одной трети


     Потери электроэнергии в электродвигателе при нерегулируемом электроприводе составят 4839,2 кВт?ч. При регулируемом электроприводе потери электроэнергии в электродвигателе равным 4082,4 кВт?ч.

     Таким образом, разница потерь электроэнергии при регулируемом и нерегулиемом электроприводе составят 756,8 кВт?ч
















12

ЗАКЛЮЧЕНИЕ



     В данной выпускной квалификационной работе произведен анализ электроприводов буровой установки БУ 4500/270 ЭК-БМЧ, а также исследован пуск регулируемого и нерегулируемого электропривода бурового насоса. Выполнен расчет параметров асинхронного двигателя типа АЗВ-1250/6000-4УХЛ1 для реализации математической модели системы преобразователь-двигатель- насос в пакете MatLab Simulink..

     Было выполнено анализ энергетической эффективности при регулируемом и не регулируемомприводе.

Проведена патентная проработка и литературный обзор с глубиной поиска семь

лет.

     Рассмотрены вопросы по обеспечению безопасных и безвредных условий труда при эксплуатации электропривода буровой установки, а также организационные и технические мероприятия, обеспечивающие электробезопасность





































13
.......................