Расчёт и выбор кабельной линии

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1. Рассчитать параметры и выбрать кабельную линию и промысловый трансформатор установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) для откачки нефти из скважины;

2. Рассчитать преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока для станции управления ЭТКС УЭЦН.

Графическая часть:

1. Структурная схема ЭТКС УЭЦН;

2. Схема замещения кабельной линии с распределенными параметрами;

3. Функциональная электрическая схема преобразователя частоты (ПЧ);

4. Таблица алгоритма переключения IGBT транзисторов, схемы замещения состояний автономного инвертора на интервалах 0…360 эл. Град.;

5. Графики (временные диаграммы) работы ШИМ;

6. Временные диаграммы выходных трехфазных ступенчатых напряжений ПЧ.

Исходные данные:

Таблица №1

№	U1, В	fМIN, Гц	fMAX, Гц	l, м	Pн, кВт	Uн, В	η, %	Cos φ	T, 0С	Dк, мм	Dвн.об, мм
							79,5	0,84

Обозначения принятые в таблице №1: l_М – глубина спуска погружного электродвигателя (ПЭД); Р_Н – номинальная мощность на валу ПЭД; U_Н – номинальное напряжение ПЭД; η – коэффициент полезного действия ПЭД; cos φ – коэффициент мощности ПЭД; T – температура пластовой жидкости в скважине; D_К – диаметр корпуса ПЭД; D_ВН.ОБ – внутренний диаметр обсадной колонны; U₁ – напряжение промысловой сети; f_МIN, f_MAX – минимальная и максимальная частота выходного напряжения преобразователя частоты.

АННОТАЦИЯ

Данная курсовая работа посвящена проектированию и выбору элементов электрооборудования ЭТКС УЭЦН: кабельной линии и промысловому трансформатору, расчету двухзвенного преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения.

В работе использовано: страниц 54, таблиц 10, рисунков 14.

ВВЕДЕНИЕ

Значительную часть добываемой в России нефти получают из скважин, оборудованных для механизированной добычи, которую осуществляют насосным и компрессорным способами. Для насосной добычи используют штанговые плунжерные насосы или бесштанговые погружные центробежные электронасосы. Область экономически целесообразного применения того или другого вида насосной установки определяется сочетанием суточной производительности скважины и глубины подвески насоса.

Бесштанговые погружные насосы используют на скважинах с форсированным отбором жидкости при значениях 400 – 500 м³/сут и на скважинах и на скважинах с меньшей производительностью 40 – 300 м³/сут при глубине скважины от 400 до 2800 м.

Промышленностью выпускаются центробежные насосы ЭЦН около 30 типоразмеров с подачей от 40 до 500 м³/сут и номинальным напором 445 – 1480 м.

Для работы в сильнообводненных скважинах с содержанием в жидкости повышенных количеств песка разработаны и внедрены в эксплуатацию износостойкие насосы ЭЦН с некоторыми конструктивными изменениями (применены резина, пластмасса, хромистые стали), повышающими стойкость насоса против износа и коррозии.

РАСЧЁТ И ВЫБОР ОСНОВНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

СКВАЖИННОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Выбор подходящей марки погружного электродвигателя

На основании исходных данных выбираем марку погружного электродвигателя из каталожных данных, и занесём их в таблицу №2.

Таблица №2

Тип, марка	U1, В	Pн, кВт	Uраб, В	η, %	Cos φ	Dк, мм
ЭД32-103					0,83

Расчёт и выбор кабельной линии

Выбор сечения кабельной жилы производим с учетом механических характеристик, условий нагрева, допустимых потерь напряжения и мощности в нормальном режиме, механической прочности и термической устойчивости к токам короткого замыкания. Из всех значений, полученных условий, выбирается наибольшее сечение.

Сечение жил выбираем таким образом, чтобы они соответствовали минимальным приведенным годовым затратам на эксплуатацию кабельной линии, которые в существенной степени определяются потерями энергии в линии. При упрощенном подходе это требование сводится к применению нормативной экономической плотности тока и определению расчетного экономического сечения токопроводящей жилы F1 по формуле:

(мм²) (1.1)

Где, I_м.р. – максимальный расчетный ток в кабельной линии при нормальном режиме работы;

j_экв. =2,5 А/мм² экономическая плотность тока, принимается на основе опыта эксплуатации.

Для упрощения расчетов принимаем режим работы электродвигателя номинальным. Тогда величина тока I_м.р определяется из выражения:

(А) (1.2)

Где, – активная, реактивная и полная мощности, потребляемые УЭЦН из промысловой сети.

Рассчитываем активную мощность потребляемую УЭЦН:

(кВт) (1.3)

Где, – необходимая мощность на валу приводного электродвигателя, потребляемая центробежным насосом;

η – КПД электродвигателя, взятое из таблицы №2.

(кВт)

Рассчитываем реактивную мощность потребляемую УЭЦН:

(кВАр) (1.4)

Где, = 0,67

(кВАр)

Рассчитываем полную мощность потребляемую УЭЦН:

(кВА) (1.5)

(кВА)

Подставляя, рассчитанные величины в формулу 1.2 получим максимальный рабочий ток электродвигателя.

(А)

Рассчитываем сечение жилы основного кабеля питания УЭЦН, подставим известные значения в формулу 1.1.

(мм²)

Выбираем ближайшее стандартное значение мм² и сечение кабеля удлинителя мм² . Данные для основного и удлинительного силового кабеля марки КПБП занесём в таблицу №3.

Таблица №3

Число и сечение жил, мм2	Конструкция кабеля ВхН	Толщина изоляции, мм	Диаметр изолированной жилы, мм
3×10	29,4х12,2	2,0	7х1,38
3×16	32,2х13,1	2,0	7х1,68

Проверяем возможность размещения погружного агрегата (кабель + центробежный насос) в скважине:

(мм) (1.6)

Условия размещения выполняются.

Проверяем выбранные сечения по длительно допустимому току I_дл.доп. Согласно ПУЭ допустимый длительный ток I_дл.р для кабелей с медными жилами, с резиновой или пластмассовой изоляцией, бронированных, трехжильных, находящихся в земле составляет 90 А для сечения токопроводящей жилы 10 мм². Этот ток принят для температуры жилы + 65 ˚С и земли + 15 ˚С. Длительно допустимый ток при другой температуре окружающей среды можно определить с помощью поправочного коэффициента К(t) который, если считать коэффициент теплоотдачи неизменным, выражается формулой:

(1.7)

Где, t_дл.доп – длительно-допустимая температура для кабеля КПБП, равная + 95˚С;

t_о.р – расчетная температура окружающей среды равная +15°С;

t_о.с – температура среды, окружающей кабель, которую условно можно принять равной температуре пластовой жидкости, окружающей кабельную линию в скважине.

Длительно допустимый ток погружного кабеля КПБП:

(А) (1.8)

Произведём проверку соблюдения условия, при котором :

(А)

51,41 (А)>27,46 (А), значит , условие соблюдается.

Потери напряжения в кабельной линии

Потери напряжения ΔU_кл в номинальном режиме работы установки ЭЦН равны

(В) (1.9)

и не должны превышать в нормальном режиме 10 % от номинального расчетного напряжения.

(1.10)

В качестве последнего используем номинальное напряжение погружного электродвигателя. Это напряжение зависит от мощности, диаметральных размеров, рода изоляции и других условий и поэтому не бывает одинаковым у всех типов двигателей. Одинаковое напряжение для всех типоразмеров погружных электродвигателей нецелесообразно, т.к. это ухудшает их характеристики и усложняет их производство.

Рассчитываем активное сопротивление кабеля, которое равное:

(Ом) (1.11)

Где, λ – удельная проводимость меди равная 59 См.м/мм²;

α – температурный коэффициент сопротивления для меди равный 0,004 град ^–1;

t_каб – температура жилы кабеля в ˚С, принимаемая, как температура пластовой жидкости.

(Ом)

Рассчитываем индуктивное сопротивление кабеля, равное

(Ом) (1.12)

Где, - длина кабельной линии (км);

Диаметр жилы (мм);

толщина изоляции (мм);

(мм).

(мм) (1.13)

(мм),

Тогда, подставим рассчитанные величины в формулу 1.12 и получим следующий результат:

(Ом)

Рассчитываем потери напряжения ΔU_л в номинальном режиме работы установки ЭЦН подставляя рассчитанные величины в формулу 1.9:

(В)

или в относительных единицах по формуле 1.10 получим:

(%),

что можно считать допустимым (0,93% < 10 %), т.е. кабельная линия проходит по потерям напряжения.

Потери мощности в кабельной линии

Величина активной ΔР_кл, реактивной ΔQ_кл и полной ΔS_кл потери мощности в кабельной линии зависит от активного R_л и реактивного Х_л сопротивлений фаз токопроводящего кабеля. Приближенно нагрузочные потери мощности в линии можно определить по номинальному напряжению погружного электродвигателя

(Вт) (1.14)

(Вт)

Произведём проверку при этом должно соблюдаться условие:

, следовательно, 511,1<32000·0,18, условие соблюдается.

Произведём расчёт активной мощности подводимой к кабельной линии в начале участка сети

(кВт) (1.15)

(кВт)

Рассчитываем потери реактивной мощности в кабельной линии

(кВАр) (1.16)

Напряжение в начале кабельной линии, которое должно обеспечивать трансформатор промысловой станции управления для получения номинального напряжения на погружном электродвигателе составляет:

(В) (1.17)

(В)

Реактивная емкостная мощность рассчитывается по формуле:

(кВАр) (1.18)

Где, ток зарядный (А); (1.19)

[См/км]; (1.20)

(См/км), подставим значение Вл в формулу 1.19 и получим следующее:

(А)

Подставим известные величины в формулу 1.18 и получим результат:

(кВАр)

Рассчитываем потери реактивной мощности, в кабельной линии подставляя известные значения в формулу 1.16

(кВАр)

Полная реактивная мощность установки ЭЦН с учетом зарада-разряда

(кВАр) (1.21)

(кВАр)

Полная мощность на входе кабельной линии

(кВА) (1.22)

(кВА)