Экономическая часть. расчет энергосбережения в УЭЦН с частотным управлением режимов ЭЦН

Управлять параметрами Q и Н центробежного насоса можно двумя способами. Первый – с помощью устройств, изменяющие гидравлическую характеристику скважины. К устройствам такого рода относятся задвижки, диафрагмы которые устанавливаются в устье скважины. Второй способ – с помощью устройств, изменяющих частоту вращения центробежного насоса. При этом характеристика скважины не меняется. В первом случае регулируется гидравлическое сопротивление скважины, зависящее от площади поперечного сечения насосно-компрессорных труб. Во втором случае осуществляется с помощью преобразователя частоты, которые позволяют плавно регулировать частоту вращения погружного электродвигателя и поддерживать на необходимом уровне подачу агрегата УЭЦН.

В настоящее время большинство агрегатов УЭЦН оснащено нерегулируемым электроприводом и для регулирования подачи применяют простейший способ – дросселирование, т.е. неполное открытие задвижки в устье скважины. Таким путем обеспечивается заданное значение дебита скважины при изменении ее характеристик (из-за осаждения парафинов и механических примесей на стенки насосно-компрессорных труб), либо из-за изменения характеристик центробежного насоса в процессе его эксплуатации из-за износа трущихся деталей. Данный метод управления режимом ЦН энергетически неэффективен. Второй способ управления режимом ЦН, примененный в данном дипломном проекте является более прогрессивным с точки зрения энергосбережения. Для оценки величины энергосбережения от второго способа воспользуемся выражением для мощности, потребляемой ЦН:

, (3.1)

где: – мощность подводимая к ЦН, Вт;

– подача насоса, м3/с;

– напор, м;

– ускорение свободного падения, м/с2;

– плотность пластовой жидкости, кг/м3;

– КПД насоса.

Следовательно и энергопотребление при уменьшенном расходе изменяется незначительно или практически не изменяется.

На то обстоятельство, что при дроссельном регулировании расхода (подачи) нефти возрастает напор (давление) в системе и практически не удается снизить энергопотребление, следует обратить особое внимание. Учитывая, что возрастание стоимости электроэнергии носит опережающий характер по сравнению со стоимостью других затрат, проблема энергосбережения при работе насосов УЭЦН приобретает первостепенный характер.

Таким образом, приведенные соображения объективно подтверждают необходимость перехода от системы дроссельного регулирования насосных агрегатов к системам автоматического управления ими путем автоматического поддержания на заданном уровне, в частности, за счет применения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов.

Приведем методики сравнительной оценки энергопотребления установки ЭЦН при изменении подачи центробежного насоса за счет дроссельного регулирования (ДР) и частотного регулирования (ЧР).

Характеристикой насоса является зависимость напора Н от расхода Q, которую с достаточной степенью точности можно представить в виде подачи:

, (3.2)

где – напор насоса при и ;

– номинальная скорость электродвигателя;

С – конструктивный элемент насоса, ; – номинальный расход и напор.

Характеристика магистрали определяется следующим выражением:

, (3.3)

где НС – статический напор (противодавление), соответствующий

Q=0 (закрытой задвижке);

R – коэффициент сопротивления магистрали,

Характеристики способов регулирования центробежного насоса и магистрали приведены на таблице 3.1.

Таблица 3.1- способов регулирования.

Способ регулирования
	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
при дроссельном регулировании		0,22	0,44	0,66	0,88	1,08
при частотном регулировании		0,01	0,08	0,24	0,56	1,08

Мощность потребляемая насосной установкой из сети:

, (3.4)

где P_МЕХ – мощность на валу ПЭД насоса, ;

MС – статический момент нагрузки на валу ПЭД;

– коэффициент полезного действия.

Рассмотрим КПД двигателя при различных способах регулирования подачи без учета потерь в стали и потерь от тока холостого хода.

При частотном управлении, осуществляемом при постоянстве абсолютного скольжения:

, (3.5)

где S_НОМ – номинальное скольжение двигателя;

– отношение активных сопротивлений фазы статора и ротора , .

При регулировании дроссельной заслонкой, когда , КПД двигателя можно выразить через расход. Для этого в формуле (3.2) заменим на и решив его совместно с выражением (5) относительно S, получим:

, (3.6)

где ; ; .

Зависимость выраженного в относительных единицах момента на валу имеет вид:

(3.7)

где – относительный момент на вал ЦН,

( – максимальный статический момент на валу механизма, который имеет место при );

– статический момент на ЦН (М0С) при (закрытой задвижке), выраженный в относительных единицах, .

Выражения (3.6) и (3.7) позволяют выразить момент, КПД, скорость и мощность, потребляемую из сети, в функции от добычи нефти при заданном противодавлении. Для использования расчетных формул целесообразно определять мощность Р1 в относительных единицах (Р*=Р1/РБ), приняв в качестве базового значения мощности РБ максимальную статическую мощность на валу двигателя PCMAX при , т.е. .

Если считать, что ( – номинальный момент двигателя, ), то базовая мощность РБ=РНОМ.

Выражения для расчета Р1* при различных способах регулирования подачи насоса принимают следующий вид:

- при дроссельном регулировании

, (3.8)

- при частотном регулировании

(3.9)

Выражения (8) и (9) позволяют рассчитать потребляемую насосом мощность при дроссельном и частотном регулировании в зависимости от добычи жидкости и произвести сравнительную оценку для рассматриваемых способов регулирования. Как следует из (3.8), (3.9) при дроссельном регулировании для заданного значения потребляемая мощность Р1* зависит от , , , а при частотном регулировании – от , , . Задавая эти параметры для конкретных условий работы насосного агрегата и выбранного двигателя, можно рассчитать значения . В таблице 3.2 приведены относительные значения потребляемой мощности в функции относительного расхода для дроссельного и частотного регулирования при ; ; .

Таблица 3.2– относительные значения потребляемой мощности

Расход
Дроссельное регулирование	Частотное регулирование
	0,43		0,04	0,11	0,2	0,31
0,2	0,56	0,01	0,08	0,18	0,3	0,42
0,4	0,69	0,08	0,16	0,28	0,41	0,55
0,6	0,82	0,24	0,35	0,45	0,58	0,7
0,8	0,95	0,56	0,64	0,71	0,8	0,87
1,0	1,08	1,08	1,08	1,08	1,08	1,08

Используя формулы (3.8) и (3.9), можно получить известные зависимости, иллюстрирующие выигрыш в потреблении активной энергии при частотном регулировании по сравнению с дроссельным регулированием. Для оценки влияния начального статического момента ( ) на потребляемую мощность в таблице 3.2 приведены зависимости для дроссельного и частотного регулирования при и .

Сравнивая данные табицах 3.1.\ и 3.2 видим, что при снижении ( ) выигрыш потребляемой мощности при использовании частотно-регулируемых электроприводов в УЭЦН уменьшается.

Определим с помощью рисунка 3.3 снижение годовых затрат электроэнергии в электрооборудовании УЭЦН, разработанного в данном дипломном проекте.

Примем отношение Q/QНОМ=0,75. Тогда ;

Выигрыш в относительном значении потребляемой мощности:

, (3.10)

выигрыш в абсолютном значении потребляемой мощности:

(3.11)

Годовой экономический эффект при эксплуатации скважины за счет энергосбережения в электрооборудовании УЭЦН

(3.12)

где Т – время работы УЭЦН за год (в расчет 8760 часов);

– средний коэффициент загрузки УЭЦН (в расчете принят равным 0,7);

Ц – цена (принята равной 2,97 )

руб.

Заключение

В представленном работе было подобрано электрооборудование установки электроцентробежного насоса для скважины с продуктивностью 9м³/Мпа∙сут.

Выбраны электроцентробежный насос типа ЭЦНА5 – 125с числом ступеней равным 358 и создаваемым напором равным 1020 м, погружной электродвигатель типа ЭД45 - 103М с номинальной мощностью 22 кВт, трансформатор ТМП 100/1610 – 73ХЛ1 мощностью 63 кВА, а так же выполнен выбор кабельной линии питания ПЭД: КПБК-3Х25 – 1600 – У2 – 25/16. Для выполнения этой разработки использовалась научная и техническая база кафедры электроэнергетики и электротехники ИТФ НВГУ.

Произведен расчет годового экономического эффекта при эксплуатации скважины за счет энергосбережения в электрооборудовании УЭЦН.

Список литературы

1 ГОСТ 32144–2013.Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.- Введ.2014-01-07. - М.:Стандартинформ, 2014. - 16с.

2 Волынский, В.А. Электротехника. / В.А.Волынский. - М.: Энергоатомиздат, 2010. -72 с.

3 Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле и Электрические цепи.в 2-х томах. / Л.А. Бессонов. - Юрайт-Издат, 2013. - 580 с.

4 Борисов, Ю.М. Электротехника: учебник.3-е изд. / Ю.М. Борисов. - Изд-во БХВ-Петербург, 2012. - 592 с.

5 Проектирование промышленных электрических сетей / В.И. Крупович [и др.].- 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1979.- 328 с.

6 Кудрин, Б.И. Системы электроснабжения: учеб.пособие для
студ. учреждений высш. проф. образования. / Б.И. Кудрин. - М.: Издат. центр «Академия», 2011. - 352с.

7 Электротехнический справочник: В 4 т. Производство, передача и распределение электрической энергии. 10-е изд., стер. Под ред. Герасимова В.Г.- М.: Издательство МЭИ, 2009. -Т. 3. - 964 с.

8 ГОСТ Р 52736-2007. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания.- Введ.2007-07-12. - М.:Стандартинформ, 2007.

9 Киреева, Э.А. Полный справочник по электрооборудованию и электротехнике (с примерами расчетов)./ Э.А. Киреева. - М.: «КноРус», 2012. - 864 с.

10 Справочник электроэнергетика предприятий цветной металлургии / В.Г. Сальников [и др.]; под ред. М.Я.Басалыгина, В.С. Копырина. -М.: Металлургия, 1991. – 384 с.

11 Сальников, В.Г. Электромагнитная совместимость нелинейных нагрузок с системами электроснабжения: учеб.пособие. для вузов. / В.Г. Сальников, Е.В. Иванова. - Павлодар, 2004. 27 с.

12 Полещук, Н.Н. Правила устройства электроустановок. 6-е и 7-е издание. / Н.Н Полещук.- М.: «КноРус», 2015. - 488 с.

13 Гужов, Н.П. Системы электроснабжения учебник / Н.П. Гужов,
В.Я. Ольховский, Д.А. Павлеченко. - Ростов н/д: Феникс, 2011. - 382 с.

14 Аверкин, Е.И. Линии и комплекты оборудования для производстваконденсаторов. /Е.И. Аверкин, Г.С. Богачкина. М.: ЦНИИ "Электроника", 2009. - 55 c.

15 Федоров, А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. / А.А. Федоров, В.В. Каменев.М.: Энергоатомиздат,2009. - 257 с.

16 Иванова, Е.В. Системы электроснабжения транспорта и предприятий / Е.В. Иванова, В.П. Горелов, С.В. Горелов; под ред. В.П. Горелова,
В.Г. Сальникова. - Новосибирск: Изд-во СГУВТ, 2015. - 526 с.

17 Неклепаев, Б.Н. Электрическая часть электрических станций и подстанций. Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования / Б.Н. Неклепаев, И.П. Крючков. - М.: Энергоатомиздат, 2011. - 154 с.

18 Рожкова Л.Д. Электрооборудование электрических станций и подстанций / Л.Д. Рожкова, Л.К. Карнеева, Т.В. Чиркова. - 4-е изд., стер. - М.: Изд. цент «Академия», 2007. - 448 с.

19 Справочник по проектированию электроснабжения / Н.С. Бабаханян [и др.]; под ред. Ю.Г. Барыбина. - М.: Энегоатомиздат, 1990. - 576 с.

20 Короткевич, М.А. Основные направления совершествования эксплуатации электрических сетей / М.А. Короткевич. - Мн.: ЗАО «Техноперспектива», 2003. - 373 с.

21 Васильев, А.А. Электрическая часть станций и подстанций:
учебник / А.А. Васильев. - М.: Энергия, 2012. - 608 с.

22 Беркович, М.А. Автоматика энергосистем. / М.А. Беркович, В.А. Гладышев, В.А. Семенов.- М.: Издательство Энергоатом, 2010. - 123 с.

23 Дорохин, Е.Г. Основы эксплуатации релейной защиты и
автоматики. / Е.Г. Дорохин.- М.: «Советская Кубань», 2012. - 432 с.

24 Герасимов, В.Г. Электрические и магнитные цепи. В 3-х кн. / В.Г. Герасимов, Высшая школа, 2010.- Кн.1 - 288 с.

25 Булычев А.В. Релейная защита в распределительных электрических сетях (пособие для практических расчетов). /А.В. Булычев, А.А. Наволочный. Энас, 2011. - 208 с.

26 ГОСТ 15150-69.Межгосударственный стандарт. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.- Введ. 1971-01-01. - М.: Стандартинформ, 2006. –59 с.

27 ГОСТ 14254-96 (МЭК 529-89) Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (КОД IP) Межгосударственный стандарт.- Введ.1997-01-01. - М.: Стандартинформ, 2006. – 36 с.

Приложение А

(справочное)

Установка электроприводного центробежного насоса

Рисунок А.1 – Установка электроприводного центробежного насоса

1 – электродвигатель, 2 – гидрозащита, 3 – насос, 4 – кабельная линия, 5 – комплектное трансформаторное устройство, 6 – клапан спускной, 7 – пояс, 8 – труба насосно-компрессорная, 9 – оборудование устья скважины, 10 – станция управ-ления, 11 – клапан обратный, 12 – газосеператор, L, D1 – длина и диаметральный габарит насосного агрегата, D2 – диаметр резьбы НКТ, 11 – клапан обратный, 12 – газосеператор, L, D1 – длина и диаметральный габарит насосного агрегата, D2 – диаметр резьбы НКТ

Приложение Б

(справочное)

Конструкция односекционного электродвигателя

Рисунок Б.1 – Конструкция односекционного электродвигателя: 1 — статор, 2 — обмотка статора, 3 — ротор, 4 — втулка подшипника, 5 — головка, 6 — пята, 7 — подпятник, 8 — клапан обратный, 9 — колодка, 10 — основание, 11 — фильтр, 12 — клапан перепускной, 13 — клапан обратный, 14 — крышка кабельного ввода, 15 — крышка верхняя, 16 — муфта шлицевая, 17 — крышка нижняя

Приложение В

(обязательное)