Geum.ru

Проблемы проектирования и применения вентильных и асинхронных электродвигателей в установках центробежных погружных насосов для добычи нефти

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
Проблемы проектирования и применения вентильных и асинхронных электродвигателей в установках центробежных погружных насосов для добычи нефти


Калий Валерий Алексеевич, кандидат технических наук.

Начальник отдела приводов, систем энергоснабжения и электронной автоматики станций управления ООО «НТЦ «АЛНАС»,


Рассмотрены проблемы проектирования погружных асинхронных и вентильных двигателей исходя из системного подхода. Показано, что вентильные двигатели имеют ограничения по температуре и прочности. Сообщается, что в рамках НИОКР ОАО «АЛНАС» разработан высокооборотный асинхронный электродвигатель мощностью 250 кВт.


Более 70% сырой нефти добывается с помощью электрических погружных насосных установок.

В настоящее время в нашей стране для установок погружных электроприводных центробежных насосов (УЭЦН) производятся трехфазные асинхронные двухполюсные короткозамкнутые погружные электродвигатели (АПЭД) с синхронной частотой вращения 3000 об/мин (f = 50 Гц) мощностью до 800 кВт и вентильные двигатели (ВПЭД) с частотой вращения 1500 - 10000 об/мин, мощностью до 225 кВт.

Разработка погружных электродвигателей для привода УЭЦН является технически сложной задачей. Она должна решаться системно, т. е. с учетом электроснабжения и защиты двигателя.

Проект электропривода УЭЦН структурно разделен на три задачи: проектирование ПЭД, проектирование гидрозащиты и разработка станции управления к нему.

Проектирование погружного электродвигателя может производиться двумя путями:
  1. Модернизация серийных конструкций (меньшая стоимость, технологичность, краткие сроки внедрения в серию).
  2. Разработка новых оптимизированных конструкций с точки зрения максимальных энергетических характеристик машины при минимально возможной длине.

Этап проектирования ПЭД до разработки рабочей конструкторской документации состоит из нескольких взаимосвязанных расчетов, включенных в многоступенчатый итерационный цикл.

Изначальным является электромагнитный расчет по заданным в техническом задании исходным данным. Электромагнитный расчет состоит из двух составляющих – проектировочного и поверочного расчетов. Причем, если поверочный расчет асинхронного двигателя можно производить, как с помощью статических моделей (по схеме замещения и круговой диаграмме, комплексным методом и др.), так и с помощью динамической модели, то поверочный расчет вентильного ПЭД необходимо проводить (режим работы несинусоидальный, несимметричный) только с помощью динамической модели машины в фазных координатах.

По результатам электромагнитного расчета определяется активный объем машины, обмоточные данные и строится эскиз общего вида.

Следующим этапом являются тепловой и гидравлический расчеты, которые определяют тепловое состояние электродвигателя в номинальном режиме, необходимое для обеспечения заданного ресурса.

Заключительным этапом в пределах одной итерации являются механические расчеты, обеспечивающие прочность конструкции в статических, динамических и ненормальных режимах работы установки.

Погружные электродвигатели являются специфичным направлением электрических машин, поэтому на каждом этапе проектирования необходимо решать ряд проблем, связанных с особенностью конструкции и областью применения этих машин.

Проблемы проектирования ПЭД, возникающие на этапе электромагнитных расчетов:
  • Жесткие ограничения на наружный диаметр двигателя, связанного с технологическим габаритом скважин.
  • Сравнительно малые допустимые плотности тока обмоток ротора и статора из-за особенностей системы охлаждения.
  • Сравнительно большие линейные нагрузки.
  • Сложность исполнения протяжной обмотки, особенно при большой длине секций двигателя (6-8 м).
  • Секционирование двигателей при больших мощностях и связанное с этим увеличение напряжения питания обмотки статора.
  • Напряжение, подводимое к каждой секции, равно частному от деления напряжения источника (предельное напряжение 10-12 кВ) на число секций.
  • Ограниченное место для размещения обмотки якоря и малый коэффициент заполнения паза медью.
  • Выбор оптимального числа стержней обмотки ротора.
  • Выбор оптимальной формы пазов статора и ротора.

Обеспечение прочности конструкции:
  • Относительное удлинение, большая длина при малом диаметре.
  • Вибрации элементов конструкции, особенно проявляющиеся при увеличении частоты вращения вала ротора.
  • Гидродинамические подшипники скольжения радиального типа между пакетами и наличие опорных подшипников в головке двигателя.
  • Необходимость выбора схемы размещения подшипников и их числа для снижения уровня вибраций.

Проблемы разработки системы охлаждения ПЭД:
  • Герметичная конструкция, заполненная маслом, требующая наличия гидрозащиты.
  • Большое гидравлическое сопротивление каналов прокачки масла в замкнутом объёме.
  • Необходимость нагнетателя для организации циркуляции масла.
  • Необходимость применения дополнительных конструктивных элементов для организации отвода тепла.
  • Высокие требования к изоляционным материалам (компаунду, пазовой изоляции, изоляции проводов и лобовых частей обмотки якоря).

Особенностью герметичных маслонаполненных ПЭД является то, что теплопередача в них осуществляется в основном с поверхности корпуса.

В связи с ростом нефтедобычи из скважин с осложненными условиями (большая глубина, высокие температуры пластовой жидкости, высокое содержание газа и механических примесей), ужесточаются требования и, как следствие, возрастает мощность центробежных погружных установок.

Одним из направлений повышения мощности установки и одновременного снижения массогабаритных показателей является увеличение ее частоты вращения.

В связи с этими требованиями рассмотрим основные преимущества и недостатки широко применяемых в качестве привода УЭЦН погружных асинхронных электродвигателей, которые необходимо учитывать при проектировании.

Основные достоинства асинхронных электродвигателей:
  1. опыт серийного массового производства и ремонта;
  2. простота конструкции;
  3. низкая стоимость производства;
  4. высокая перегрузочная способность;
  5. управляемый пуск;
  6. возможность изменения частоты вращения ротора с помощью станций управления с частотным преобразователем;
  7. Предельная рабочая температура 220…230 С;

Основные недостатки асинхронных электродвигателей:
  1. наличие потерь в роторе;
  2. наличие коэффициента мощности;
  3. более низкий к.п.д. (в сравнении с вентильным ПЭД);
  4. больший вес активных материалов (в сравнении с вентильным ПЭД).

Одним из перспективных направлений развития погружных двигателей для высоконагруженных насосных установок является внедрение погружных вентильных двигателей.

Вентильным двигателем называется бесконтактный двигатель постоянного тока с системой возбуждения от постоянных высококоэрцитивных магнитов, в котором вместо электромеханического коммутатора (коллектора) используется электронный преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор). В качестве ключей (вентилей) в инверторе используются силовые полупроводниковые элементы – транзисторы или тиристоры.

Вентильные двигатели, используемые для привода погружных центробежных насосов, имеют систему электроснабжения отличную от классической системы, принятой для этого вида машин.

Так, выпрямитель и инвертор устанавливаются в станции управления и выполняются на низкое напряжение (0,4 кВ). Там же устанавливается цифровой вычислительный блок, который выполняет функцию датчика положения ротора.

ВПЭД по причинам отсутствия роторной обмотки (поле возбуждения создается постоянными магнитами), отсутствия скольжения ротора относительно поля обмотки якоря имеет более высокий КПД в сравнении с асинхронным ПЭД. Кроме того, ВПЭД, являясь синхронным двигателем, по своим характеристикам и управлению подобен электродвигателю постоянного тока независимого возбуждения.

Однако, несмотря на то, что работа по внедрению ВПЭД для привода УЭЦН в нашей стране ведётся с середины 90–х годов, массового применения такие машины в нефтедобывающей отрасли пока не находят. В настоящее время их фонд не превышает 2 % от общего числа ПЭД, используемых в нефтяных компаниях России.

В современных погружных вентильных электродвигателях для привода УЭЦН в основном применяются высококоэрцитивные магниты на основе сплава неодима с железом и бором (Nd-Fe-B), в том числе и в вентильном двигателе ВПЭД45-117-6000МВ5 производства ОАО «АЛНАС». Наработка отдельных двигателей этого типа в составе установок превышает 1000 суток

Эти магнитные материалы обладают достаточно высокими значениями максимального энергетического произведения (удельной энергией) (ВН) мах = 230…250 кДж/м3, которое определяет минимальный объем магнита в электродвигателе, и максимальной рабочей температурой Тмах = 150 ºС.

В тоже время в магнитоэлектрических двигателях находят также применение магниты на основе сплавов самария с кобальтом, которые имеют предельные рабочие температуры +250…300 ºС.

Моделирование рабочих режимов погружных вентильных двигателей (на базе ВПЭД45-117-6000МВ5) с возбуждением как от магнитов Nd-Fe-B, так и от самарий - кобальтовых магнитов показало, что при увеличении температуры до +180 ºС первые размагничиваются практически полностью и двигатель теряет мощность. У вентильного электродвигателя с возбуждением от самарий - кобальтовых магнитов при тех же температурах коэффициент полезного действия уменьшается незначительно.

Однако, высококоэрцитивные магниты такого типа, дороже магнитов на основе сплава Nd-Fe-B практически в два раза и обладают очень низкими прочностными свойствами.

Все эти причины создают определенные трудности при разработке работоспособных конструкций роторов вентильных двигателей с возбуждением от редкоземельных магнитов.

Рассмотрим основные преимущества вентильных двигателей:
  1. отсутствие токовых потерь в роторе;
  2. более высокий КПД в сравнении с асинхронным ЭД;
  3. высокая перегрузочная способность;
  4. управляемый пуск;
  5. возможность изменения частоты вращения ротора с помощью станций управления с частотным преобразователем;
  6. меньший вес активных материалов.

Основные недостатки вентильного электродвигателя:
  1. высокая стоимость магнитных материалов;
  2. высокая стоимость изготовления и доводки роторов с постоянными магнитами, организации текущего ремонта;
  3. низкая коррозионная стойкость магнитных материалов на основе сплавов Nd-Fe-B;
  4. снижение магнитных свойств при температурах более (150-180)C;
  5. пульсации момента на валу с частотой f1*3=600 Гц и амплитудой, равной 30% Mном.

Для подтверждения вышеуказанных преимуществ и недостатков погружных асинхронных и вентильных электродвигателей ООО «НТЦ «АЛНАС» были произведены электромагнитные расчеты вентильного и асинхронного двигателей одинаковой мощности при одних и тех же размерах активной части машины с частотой вращения ротора 6000 об/мин (таблица 1).

Таблица 1

Основные параметры
асинхронный ПЭД
вентильный ПЭД

Диаметр корпуса, м
0,117
0,117

Активная длина двигателя, м
3,841
3,841

Номинальная мощность, кВт
200,0
200,0

Номинальное линейное напряжение, В
4000,0
4000,0

Номинальная частота вращения ротора, об/мин
6000
6000

Номинальный ток нагрузки, А
46,2
50,0

Плотность тока в обмотках, А/мм2
15…18
12,5

Cos φ
0,809
-

Скольжение
0,0566
-

Потери в обмотке статора, кВт
15,18
8,15

Потери в обмотке ротора, кВт
13,65
-

Потери в стали статора, кВт
2,8
5,0

Потери в стали ротора, Вт
0,002
-

Суммарные электромагнитные потери, кВт
31,7
13,15

КПД
0,877
0,938

Требуемая мощность СПЧ, кВА
282 (228)
213

Как видно из таблицы 1 асинхронный ПЭД имеет более низкий коэффициент полезного действия (0,877), нежели вентильный ПЭД (0,938), однако он способен работать в более широком диапазоне температур, технологичен и обладает меньшей стоимостью.

Основным недостатком асинхронного ПЭД является низкий коэффициент мощности (сos φ), увеличивающий потребляемую мощность установкой в целом.

Тем не менее, современные средства позволяют производить повышение коэффициента мощности.

В 2007г., в рамках проведения НИОКР по созданию высокооборотной насосной установки, ОАО «АЛНАС» поставил задачу ЦИиР ООО УК «АЛНАС», ныне ООО «НТЦ «АЛНАС», разработать односекционный высокооборотный погружной электродвигатель мощностью до 250 кВт.

В результате анализа основных характеристик асинхронных и вентильных погружных электродвигателей, а также технологических возможностей головного предприятия, было принято решение о проектировании высокооборотного асинхронного погружного электродвигателя.

В результате в ЦИиР ООО УК «АЛНАС» (ныне ООО «НТЦ «АЛНАС») был разработан высокооборотный погружной асинхронный электродвигатель мощностью 250 кВт с частотой вращения 6000 об/мин.

Система электроснабжения высокооборотного РПЭД состоит из станции управления АЛСУ-АЧ и повышающего трансформатора, частота питающего напряжения составляет 100 Гц.

Спроектированный погружной электродвигатель является односекционным и имеет более высокие энергетические характеристики по сравнению с серийными асинхронными погружными электродвигателями той же мощности производства ОАО «АЛНАС» и ОАО БЭНЗ с частотой вращения 3000 об/мин (таблица 2).

Таблица 2

Двигатель
Мощность кВт
КПД, %
Cos φ
Кол-во секций
Длина, мм
Масса, кг
Удельная масса, кг/кВт
Удельная длина, мм/кВт

АЛНАС

ЭДС250-117М3
250
82
0,82
2
15379
1120
4,48
61,5

БЭНЗ

ЭДУКСТ250-117М2
250
82
0,82
2
15690
1120
4,48
62,76

АЛНАС

РПЭД250-117-100-6000М4В5
250
83,7
0,895
1
8338

(10254)
690
2,76
33,3

(41,06)

Данный двигатель превосходит по своим массогабаритным характеристикам серийные отечественные и зарубежные ПЭД аналогичной мощности практически в 2 раза.

При разработке конструкции высокооборотного асинхронного погруженного электродвигателя РПЭД250-117-100-6000М4В5 были применены самые современные изоляционные и антикоррозионные материалы и внесены новые технические решения:
  • разработан самоустанавливающийся подпятник;
  • установлен теплообменник оригинальной конструкции вкупе с центробежной ступенью для циркуляции хладагента;
  • применены металлофторопластовые радиальные подшипники.

В настоящее время данный двигатель проходит этап сборки и подготовки проведения предварительных испытаний.

Серийное изготовление высокооборотного асинхронного погруженного электродвигателя РПЭД250-117-100-6000М4В5 позволит унифицировать целый ряд электроприводов габарита 5А в диапазоне мощностей от 120 кВт до 250 кВ (при изменении частоты вращения от 3000 до 6000 об/мин).

Кроме того, в рамках НИОКР ОАО «АЛНАС» в ООО «НТЦ «АЛНАС» проводится разработка высокооборотного высокотемпературного вентильного погружного электродвигателя на базе серийного ВПЭД45-117-6000МВ5.

В заключении хотелось отметить, что, в конечном итоге, применение унифицированных по некоторым элементам конструкции асинхронных и вентильных ПЭД с одними и теми же станциями управления позволит проводить более гибкую маркетинговую политику предприятиям – изготовителям насосного оборудования и предоставлять заказчику выбор между различными вариантами комплектации УЭЦН в зависимости от характеристик скважин.