Регулирование частоты качаний штангового глубинного насоса

  • Пользователь Сергей Петраков опубликовал
  • 15 февраля 2013 г., 8:26:39 MSK
  • 0 комментариев
  • 977 просмотров
Задача регулирования частоты качаний штанговых глубинных насосов (ШГН) при помощи частотно-регулируемого электропривода широко обсуждается уже несколько лет в связи с большой актуальностью проблемы снижения энергоемкости добычи нефти в условиях низких рентабельностей скважин, эксплуатируемых при помощи ШГН. С появлением новых технологий [1] построения частотно-регулируемых электроприводов с явно выраженным звеном постоянного тока и рекуперацией электроэнергии в сеть, подобные электроприводы становятся более компактными и доступными в применении с экономической точки зрения. В статье решается кинематическая задача динамики для произвольной геометрической конфигурации ШГН и для некоторой конфигурации двуплечего станка-качалки и динамограммы усилия на штоке ШГН определяется вращающий момент на валу редуктора ШГН и соотношение энергии потребляемой стандартным электроприводом и электроприводом с рекуперацией.

1. Введение

Задача регулирования частоты качаний штанговых глубинных насосов (ШГН) при помощи частотно-регулируемого электропривода широко обсуждается уже несколько лет в связи с большой актуальностью проблемы снижения энергоемкости добычи нефти в условиях низких рентабельностей скважин, эксплуатируемых при помощи ШГН.

Руководствуясь стандартным подходом, многие поставщики предлагают применение частотно-регулируемого электропривода с явно выраженным звеном постоянного тока на IGBT транзисторах, позиционируя это решение как энергосберегающее. Однако, как известно из практики применения частотно-регулируемого электропривода на ШГН, в связи с невозможностью возврата в сеть электрической энергии, генерируемой электродвигателем в различных режимах работы ШГН, стандартный преобразователь частот требует установки тормозного резистора для «сжигания» энергии, генерируемой в электродвигателе.

В связи с тем, что ранее технологии рекуперации электроэнергии в сеть имели высокую стоимость и отличались громоздкостью конструкции, отдельных исследований эффективности применения электроприводов с рекуперацией не производилось.

С появлением новых технологий [1] построения частотно-регулируемых электроприводов с явно выраженным звеном постоянного тока и рекуперацией электроэнергии в сеть, подобные электроприводы становятся более компактными и доступными в применении с экономической точки зрения. В связи с этим, задача исследования зон рекуперации электроэнергии при работе ШГН и оценка экономического эффекта применения электропривода с рекуперацией приобретает все большую актуальность.

В настоящей статье решается кинематическая задача динамики для произвольной геометрической конфигурации ШГН и для некоторой конфигурации двуплечего станка качалки и динамограммы усилия на штоке ШГН определяется вращающий момент на валу редуктора ШГН и соотношение энергии потребляемой стандартным электроприводом и электроприводом с рекуперацией.

2. Математическая модель станка-качалки

Для решения кинематической задачи динамики ШГН мы будем использовать подход, предложенный в [2] (см. рис. 1). При отсутствии сил трения, формула вращающего момента на тихоходном валу редуктора имеет вид:

 формула вращающего момента на тихоходном валу редуктора

где r – радиус кривошипа, Pш – усилие на штоке, Mур – уравновешивающий момент противовеса, α - угол между радиусом кривошипа и шатуном, φ’’ – угол между радиальным направлением к центру вращающихся масс и вертикалью, а коэффициент J4 определяется следующей таблицей:

J4

Вращение кривошипа

по часовой стрелке

против часовой стрелки

Одноплечий балансир

1

-1

Двуплечий балансир

1

-1

 

Уравновешивающий момент определяется из условия равенства пиковых моментах на участках хода штока вниз и вверх методом последовательных приближений по следующей схеме:

схема выбора уравновешивающего момента 

где Mпв – пиковый момент при ходе штока вверх, Mпн – пиковый момент при ходе штока вниз.

 

Задача описания кинематики штангового глубинного насоса сложна для решения в аналитическом виде, но допускает простое численной решение с применением простейших программных средств офисных пакетов.

Положения различных точек станка качалки описываются следующей системой уравнений:

система уравнений описания кинематики станка-качалки

кинематическая схема станка-качалки

Рис. 1. Схема станка - качалки

 

динамограмма усилий на штоке

Рис. 2. Динамограммы усилия в точке С в зависимости от вертикального перемещения точки С

 

Далее будем решать задачу для случая, когда центр вращающихся масс расположен на оси радиуса кривошипа. Для общего случая задача решается аналогично. Тогда:

уравнение для случая положения центра масс на оси радиуса кривошипа

 

Такая модель позволяет для произвольной конфигурации штангового глубинного насоса и произвольной динамограммы усилия на штоке получить зависимость усилия на штоке (рис. 2) и вращающего момента на выходном валу редуктора от угла φ''.

Как известно из [3], оптимальные кинематические соотношения для станков-качалок:

оптимальные кинематические соотношения для станков-качалок

Для целей моделирования положим K = 3,5; H = 4,4; L = 4,4; M = 3,5; r = 1,7, тогда кинематические отношения будут лежать близко к верхней границе оптимального диапазона r/L=0,39 а r/K=0,49.

Поскольку для целей моделирования нас не интересуют абсолютные значения величин, примем удобное для иллюстрации значение коэффициента  и зафиксируем динамограмму усилия на штоке так, чтобы динамограмма усилия в точке С от вертикального перемещения точки C имела вид в соответствии с рис. 2. Динамограмма на рис. 2 имеет обращенный вид по отношению к динамограмме усилия на штоке в зависимости от перемещения точки подвеса штанг.

К.П.Д. электромеханической части системы, в которую входит механическая система преобразования вращательного движения в поступательное движение точки подвеса штанг и электродвигатель с преобразователем частоты, примем равным 75%.

Тогда, решая систему уравнения (3) и пользуясь (4) построим график изменения крутящего момента на тихоходном валу редуктора в зависимости от угла φ''. Методом последовательных приближений (2) определим значение уравновешивающего момента Mур=3,2. Тогда график изменения крутящего момента на тихоходном валу редуктора примет вид, приведенный на Рис. 3.

график вращающего момента на тихоходном валу редуктора

Рис. 3. График вращающего момента на тихоходном валу редуктора

 

Учитывая связь между мощностью и моментом

соотношение между скоростью мощностью и вращающим моментом

где  M – момент на валу электропривода,  n – частота вращения электропривода в об/мин, получаем, что при выбранных параметрах модели станка-качалки, при правильной балансировке станка-качалки экономия электроэнергии при использовании рекуперативного электропривода составит более 10% по сравнению с регулируемым электроприводом с тормозными резисторами.

3. Влияние изменений в режимах работы на потребление электроэнергии

Рассмотрим, каким образом изменение режимов работы скважины сказывается на соотношении потребляемой и рекуперируемой электроэнергии.

В соответствии с (3), в нормальном режиме работы станка-качалки деформация колонны штанг в реальных условиях может достигать до 50% от хода штока. Расчеты показывают (см. Рис. 4), что с увеличением деформации колонны, зоны рекуперации электроэнергии увеличиваются и при существенных деформациях, экономия электроэнергии рекуперативным регулируемым электроприводом по сравнению со стандартным преобразователем частоты может превышать 20%.

Влияние газа и утечек в приемной и нагнетательной частях насоса так же говорит в пользу применения электропривода с рекуперацией электроэнергии в сеть. С ростом факторов, снижающих дебет скважины на 25%, экономия электроэнергии рекуперативным электроприводом в сравнении со стандартным преобразователем частоты увеличивается до 25% и более, как показано на Рис. 5.

Небольшое увеличение сил трения в скважине немного снижает преимущества применения электропривода с рекуперацией, однако с нарастанием трения эффективность применения рекуперативного преобразователя частоты начинает снова расти по сравнению со стандартным регулируемым электроприводом (см. Рис. 6).

изменение энергосбережения с ростом амплитуды деформации колонны штанг

Рис. 4. Увеличение энергосбережения с ростом амплитуды деформаций колонны штанг

 

увеличение энергосбережения с ростом влияния газа и утечек

Рис. 5. Увеличение энергосбережения с ростом влияния газа и утечек

 

увеличение энергосбережения с ростом сил трения в скважине

Рис. 6. Изменение энергосбережения с увеличением сил трения в скважине

4. Выводы

В случае правильно сбалансированного станка-качалки и коэффициента заполнения ШГН, близкого к 1, применение регулируемого электропривода с рекуперацией позволяет снизить потребление электроэнергии ШГН на величину около 10% по сравнению со стандартными преобразователями частоты.

С ухудшением условий эксплуатации скважины, таких как падение дебета, влияние газа, утечки в различных частях плунжерного насоса, увеличение деформации колонны штанг и т.п., замена стандартного преобразователя частоты на рекуперативный регулируемый электропривод оказывает существенной влияние на снижение энергопотребления ШГН.

Кроме этого, как отмечено в [3], применение регулируемого рекуперативного электропривода дает возможность увеличение кинематических отношений вновь разрабатываемых станков-качалок сверх пределов, определенных (5), что дает возможность разрабатывать и изготавливать ШГН с меньшими массо-габаритными показателями при тех же величинах хода плунжера и усилия на штоке.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Преобразователи частоты с рекуперацией POWEDRIVE FX. MOTEURS LEROY-SOMER ref. 4881 ru – 2012.04 / b.

[2] Л.Г. Чичеров, Г.В. Молчанов, А.М. Рабинович. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования: Учеб. Пособие для ВУЗов – М.: Недра, 1987

[3] В.Н. Ивановский, В.И. Дарищев, А.А. Сабиров, В.С. Каштанов, С.С. Пекин. Скважные насосные установки для добычи нефти – М.: ГУП Издательство «Нефть и Газ» РГУ Нефти и Газа им. И.М. Губкина, 2002

Комментарии

0 комментариев