Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЯ ЛИНЕЙНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПОГРУЖНЫХ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ НАСОСОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В СОСТАВЕ НЕФТЕДОБЫЧНЫХ АГРЕГАТОВ И ОБОСНОВАНИЕ ПРЕИМУЩЕСТВ ЦЛВД 15
1.1. Электропривод в составе нефтедобычных агрегатов 15
1.2. Обоснование преимуществ применения ЦЛВД в качестве
привода плунжерных нефтедобычных агрегатов 20
1.3. Требования к модулю ЦЛВД для нефтедобычного агрегата... 26
1.4. Выводы по главе 1 30
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ПРОЦЕССОВ В МОДУЛЕ ЦЛВД 32
2.1. Обоснование предложенного метода расчета 32
2.2. Идеализированная модель электромагнитных процессов с
приведением трехмерного распределения поля к двухмерному 38
2.3. Алгоритм расчета ЦЛВД методом конечных элементов на
основе идеализированной математической модели 45
2.4. Выводы по главе 2 50
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МОДУЛЯ ЦЛВД 52
3.1. Преобразование геометрии ЦЛВД от трехмерной к двухмерной
в соответствии с алгоритмом расчета 52
3.2. Расчет круговой двухмерной модели методом конечных
элементов 58
3.3. Определение тягового усилия вторичного элемента 65
3.4. Расчет электрических характеристик модуля ЦЛВД 67
3.5. Выводы по главе 3 71
4. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ
ИНДУКТОРА И ВТОРИЧНОГО ЭЛЕМЕНТА МОДУЛЯ ЦЛВД С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ТЯГОВОГО УСИЛИЯ.... 73
4.1. Описание возможных конструкций магнитной системы 73
4.2. Исследование характеристик различных конструкций ЦЛВД 75
4.3. Выводы по главе 4 80
5. ИСПЫТАНИЯ МОДУЛЯ ЦЛВД В СТАТИЧЕСКОМ И
ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМАХ 81
5.1. Разработка макета ЦЛВД 81
5.2. Исследование статических характеристик модуля ЦЛВД 87
5.3. Исследование динамических характеристик модуля ЦЛВД 90
5.4. Автоматизация привода ЦЛВД 97
5.5. Выводы по главе 5 104
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЯЖЕНИЯ МЕЖДУ
ИНДУКТОРОМ И ВТОРИЧНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ НА УСИЛИЕ ЦЛВД 105
6.1. Взаимодействие между индуктором и вторичным элементом ЦЛВД 105
6.2. Модернизация ЦЛВД для устранения усилия тяжения и
повышения тягового усилия 111
6.3. Выводы по главе 6 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 122
Список литературы 123
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Нефтедобычной агрегат ПБЭНА с составными частями 134
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Сведения о реализации результатов работы 138
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В СОСТАВЕ НЕФТЕДОБЫЧНЫХ АГРЕГАТОВ И ОБОСНОВАНИЕ ПРЕИМУЩЕСТВ ЦЛВД 15
1.1. Электропривод в составе нефтедобычных агрегатов 15
1.2. Обоснование преимуществ применения ЦЛВД в качестве
привода плунжерных нефтедобычных агрегатов 20
1.3. Требования к модулю ЦЛВД для нефтедобычного агрегата... 26
1.4. Выводы по главе 1 30
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ПРОЦЕССОВ В МОДУЛЕ ЦЛВД 32
2.1. Обоснование предложенного метода расчета 32
2.2. Идеализированная модель электромагнитных процессов с
приведением трехмерного распределения поля к двухмерному 38
2.3. Алгоритм расчета ЦЛВД методом конечных элементов на
основе идеализированной математической модели 45
2.4. Выводы по главе 2 50
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МОДУЛЯ ЦЛВД 52
3.1. Преобразование геометрии ЦЛВД от трехмерной к двухмерной
в соответствии с алгоритмом расчета 52
3.2. Расчет круговой двухмерной модели методом конечных
элементов 58
3.3. Определение тягового усилия вторичного элемента 65
3.4. Расчет электрических характеристик модуля ЦЛВД 67
3.5. Выводы по главе 3 71
4. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ
ИНДУКТОРА И ВТОРИЧНОГО ЭЛЕМЕНТА МОДУЛЯ ЦЛВД С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ТЯГОВОГО УСИЛИЯ.... 73
4.1. Описание возможных конструкций магнитной системы 73
4.2. Исследование характеристик различных конструкций ЦЛВД 75
4.3. Выводы по главе 4 80
5. ИСПЫТАНИЯ МОДУЛЯ ЦЛВД В СТАТИЧЕСКОМ И
ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМАХ 81
5.1. Разработка макета ЦЛВД 81
5.2. Исследование статических характеристик модуля ЦЛВД 87
5.3. Исследование динамических характеристик модуля ЦЛВД 90
5.4. Автоматизация привода ЦЛВД 97
5.5. Выводы по главе 5 104
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЯЖЕНИЯ МЕЖДУ
ИНДУКТОРОМ И ВТОРИЧНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ НА УСИЛИЕ ЦЛВД 105
6.1. Взаимодействие между индуктором и вторичным элементом ЦЛВД 105
6.2. Модернизация ЦЛВД для устранения усилия тяжения и
повышения тягового усилия 111
6.3. Выводы по главе 6 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 122
Список литературы 123
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Нефтедобычной агрегат ПБЭНА с составными частями 134
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Сведения о реализации результатов работы 138
Важнейшим фактором функционирования мировой экономики является разумное использование нефтяных ресурсов. На современном уровне научно-технического прогресса цивилизация не может существовать без использования нефти. Потребление нефтепродуктов постоянно растет. В настоящее время доля нефти и нефтепродуктов в мировом балансе энергетики составляет более 46% [91].
Для нефтяной промышленности Российской Федерации характерна неблагоприятная геолого-технологическая структура запасов, что обусловлено истощением месторождений. Наблюдается тенденция повышения глубины добывающих скважин, перехода многих скважин в разряд средне- и малодебитных. Количество таких скважин постоянно возрастает. Это связано с переходом месторождений в завершающую стадию разработки. Приходится использовать ранее законсервированные малодебитные скважины. Происходит ввод в эксплуатацию месторождений с низкопродуктивными пластами. Повышаются глубины вводимых в эксплуатацию скважин на вновь открытых месторождениях. Все это обусловлено постепенным повышением спроса на нефть со стороны мировой экономики и уменьшением запасов на старых месторождениях.
Для повышения нефтедобычи необходимо вводить в строй малодебитные скважины, повышать глубину вновь вводимых в строй . При добыче нефти из малодебитных скважин их можно перевести в непрерывный режим работы. Это позволит поднять эффективность добычи, что подтверждено многочисленными исследованиями [20,59]. Соответственно, главной задачей, стоящей перед нефтедобытчиками, является рациональное использование истощенных месторождений. Это можно добиться повышением глубины вновь вводимых скважин, и вовлечением в разработку залежей с тяжело добываемой нефтью [3, 58]. В связи с этим все большее значение приобретают вопросы, связанные с научным обоснованием создания и эксплуатации нового нефтепромыслового оборудования. Эффективность всего процесса эксплуатации нефтяных месторождений зависит от надежности и эффективности добывающего оборудования, в том числе не нужно забывать об экономической эффективности [51].
В современной практике нефтедобычи в России сформировались два основных вида добычных насосных агрегатов: плунжерный насос станков- качалок и центробежный погружной насосный агрегат [59]. Каждый добычной агрегат имеет свои преимущества и недостатки. Центробежные погружные насосы нецелесообразно эффективно использовать при дебите более 40 куб.м. в сутки [18], поэтому наиболее эффективным вариантом для низкодебитных скважин остается погружной плунжерный насос станка- качалки [2].
Наличие колонны штанг в составе станка-качалки приводит к низкому КПД, которое у насосного агрегата из-за трения оказывается в пределах 25¬47 процентов [41]. При этом возникает опасность обрыва колонны штанг, так как с увеличением глубины добычи более 2000 метров их вес становится критическим. Наличие переменных упругих деформаций колонны штанг не позволяет полностью использовать рабочий ход плунжера в цилиндре. При эксплуатации скважин штанговыми глубинными насосами происходит эмульгирование нефти в насосно-компрессорных трубах за счет возвратно-поступательного движения штанг [58].
Использование плунжерного насоса, сочлененного с цилиндрическим линейным вентильным двигателем, позволяет снизить трение из-за отсутствия колонны штанг и повысить общий КПД установки в целом, по сравнению со станком-качалкой. Передача энергии к забою скважины в виде электрической энергии по кабелю намного эффективнее, чем механическая передача штангой. Учитывая, что в основу насосного агрегата положен общеизвестный плунжерный насос, основное внимание при разработке насосного агрегата было уделено проектированию и исследованию цилиндрического линейного вентильного двигателя.
Актуальность темы.
В связи с необходимостью повышения эффективности добычи нефти, используемые в настоящее время для мало- и среднедебитных, а также глубоких скважин, погружные плунжерные насосы с колонной насосных штанг, не удовлетворяют в полной мере запросам потребителей. В этой связи возникла необходимость разработки эффективного линейного вентильного электропривода для создания погружных плунжерных бесштанговых электронасосных агрегатов.
Важной задачей является разработка рекомендаций по проектированию цилиндрического линейного вентильного электродвигателя для глубоких и малодебитных скважин, а также разработка инженерных методик расчета его электромагнитных процессов.
Степень разработанности темы исследования
Диссертационная работа является продолжением исследований, выполненным сотрудниками кафедры электротехники и электромеханики Пермского Национального Исследовательского Политехнического Университета (ПНИПУ) в области линейных вентильных машин и дополняет их. На текущий момент единственным разработчиком таких двигателей в мировой практике является Китайская Народная республика (КНР), но информация об этих разработках не публикуется в открытой печати.
Объектом исследования является модуль цилиндрического линейного вентильного электродвигателя, который используется в качестве погружного электропривода плунжерного насоса для добычи нефти.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование модуля цилиндрического линейного вентильного электродвигателя с постоянными магнитами (ЦЛВД), который предполагается использовать в качестве электропривода погружного плунжерного бесштангового электронасосного агрегата.
Для выполнения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
1. Обосновать рациональность использования цилиндрического линейного вентильного электродвигателя в качестве электропривода погружного плунжерного бесштангового электронасосного агрегата, в зависимости от дебита и глубины скважины.
2. Сформулировать требования к цилиндрическому линейному вентильному электродвигателю для мало-, среднедебитных и глубоких скважин.
3. Разработать идеализированную расчетную модель электромагнитных процессов для расчета ЦЛВД.
4. Разработать методику расчета электромагнитных процессов ЦЛВД.
5. Обосновать выбор элементов конструкции магнитной цепи индуктора и вторичного элемента ЦЛВД.
6. Разработать рекомендации по выбору геометрических элементов двигателя и параметров обмотки для получения максимальной удельной тяги.
7. На базе выполненных исследований разработать и изготовить модуль линейного вентильного электродвигателя, передать эскизный проект на ПАО «Мотовилихинские заводы».
Методы исследования.
В работе используется теория электромагнитного поля и теория нелинейных магнитных цепей, применяются методы теории электрических цепей. Также применяются методы математического моделирования и элементы функционального анализа. Поставленные задачи решены на базе предложенной идеализированной модели ЦЛВД с использованием двухмерного расчета электромагнитного поля методом конечных элементов . Расчет поля проводился в пакетах ELCUT, ANSYS.Методы компьютерного моделирования осуществлялись в математических пакетах MATHCAD, MATLAB.Эксперименты осуществлены на образце модуля ЦЛВД, разработанного на основании исследований автора.
Достоверность полученных результатов.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, обеспечена корректным использованием математического аппарата, соответствием результатов теоретического анализа и вычислительных экспериментов, успешным использованием положений диссертации в ходе выполнения научно-исследовательских работ, обсуждением положений и результатов работы с зарубежными и российскими специалистами в ходе конференций и научных мероприятий.
Теоретическая значимость работы:
Полученные научные результаты расширяют теоретическую базу в области проектирования линейных вентильных электрических машин. Полученные новые аналитические зависимости уточняют и совершенствуют методику проектирования электрических машин этого класса. В результате проведенных автором исследований раскрыты особенности применения ЦЛВД в качестве привода ПБЭНА в деле добычи нефти для оценки эффективности применения нового класса приводов. Разработана методика расчета модуля ЦЛВД и получено математическое описание электромагнитных процессов в двигателе, что позволяет упростить полевую задачу. Раскрыты особенности методики выбора рациональной конструкции магнитной цепи, элементов индуктора и вторичного элемента модуля ЦЛВД, что позволяет в перспективе проводить оптимизацию конструкции двигателя.
Практическая ценность.
1. В результате проведенных автором исследований обосновано применение ЦЛВД в качестве привода погружного плунжерного электронасосного агрегата для нефтяных скважин.
2. Выбрана расчетная модель ЦЛВД и получено математическое описание электромагнитных процессов в двигателе. Модель позволяет произвести расчеты двигателя с малыми затратами времени и приемлемой точностью.
3. Предложена методика расчета модуля ЦЛВД, основанная на совместном применении теории нелинейных магнитных цепей и расчета электромагнитного поля методом конечных элементов. Проверена точность расчета по выбранной методике.
4. Разработаны рекомендации по рациональному выбору конструкции магнитной цепи элементов индуктора и вторичного элемента модуля линейного вентильного электродвигателя.
5. Разработанная математическая модель положена в основу расчета и проектирования реального ЦЛВД. На базе расчетов ЦЛВД был спроектирован и изготовлен погружной бесштанговый насосный агрегат (ПБЭНА), который предполагается использовать для добычи нефти из скважин.
Реализация работы.
Проведенные исследования являются частью научно-исследовательских и проектных работ, которые проводятся в ФГБОУ ВПО «ПНИПУ» по заказу ОАО «Мотовилихинские заводы» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0068 от 23.05.2013 г. в составе мероприятия по реализации постановления Правительства РФ № 218).
Результаты исследований реализованы при проектировании и расчетах цилиндрического линейного вентильного электродвигателя в качестве привода для погружного плунжерного бесштангового электронасосного агрегата.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
Разработана идеализированная математическая модель электромагнитных процессов ЦЛВД, которая учитывает вариацию магнитного поля в двигателе по всем трем координатам.
Разработан алгоритм расчета электромагнитных процессов модуля ЦЛВД. Алгоритм совмещает численное моделирование электромагнитного поля на двухмерной полевой модели и геометрические размеры двигателя с трехмерной вариацией поля.
В работе рассмотрены различные варианты магнитных систем. Результаты анализа возможных конструкций элементов индуктора и вторичного элемента модуля ЦЛВД использованы для получения максимальной удельной величины тяги.
Разработана методика расчета эффекта тяжения модуля ЦЛВД при асимметрии положения вторичного элемента относительно индуктора.
Проработка поставленных задач осуществлена на качественно новом современном уровне, достигнуты цели диссертации и проведена выработка новых научных методик.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Идеализированная математическая модель электромагнитных процессов ЦЛВД, которая учитывает распределение магнитного поля в двигателе по всем трем координатам и позволяет преобразовывать трехмерную модель к двухмерной. Модель может быть быстро рассчитана методом конечных элементов, в ней учитывается влияние реакции якоря, насыщение стали магнитопровода и МДС постоянных магнитов.
2. Алгоритм расчета электромагнитных процессов модуля ЦЛВД. Алгоритм совмещает численное моделирование электромагнитного поля на двухмерной полевой модели и геометрические размеры двигателя с трехмерной вариацией поля.
3. Результаты анализа при рассмотрении возможных вариантов конструкций элементов индуктора и вторичного элемента модуля линейного вентильного электродвигателя, с целью увеличения удельной тяги.
4. Результаты экспериментальных исследований опытного макета цилиндрического линейного вентильного двигателя.
5. Методика расчета эффекта тяжения модуля цилиндрического линейного вентильного двигателя для определения сил трения вторичного элемента об индуктор.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на следующих научных конференциях:
- II Международная научно-техническая конференция «Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике». Пермь, ПНИПУ, 21-22 апреля 2016 г.
- I Международная научно-техническая конференция «Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике». Пермь, ПНИПУ, 24-25 сентября 2015 г.
- XIV Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий». Екатеринбург, УрФУ, 17-20 марта 2014 г.
- На краевой научно-технической конференции "Автоматизированные системы управления и информационные технологии". Пермь. ПНИПУ, 22 мая 2013 г.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, восемь из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка используемой литературы и 2 приложений общим объемом 139 страниц. Основной текст изложен на 133 страницах машинописного текста, иллюстрирован 43 рисунками, 14 таблицами. Библиографический список включает 98 наименований.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, в нем сформулирована цель и поставлены задачи исследования. Описывается практическая ценность работы и ее новизна, утверждаются основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об основных вопросах, рассмотренных в диссертации и публикациях.
В главе 1 производится обоснование применения цилиндрического линейного вентильного двигателя в качестве привода погружного плунжерного электронасосного агрегата для нефтяных скважин в зависимости от глубины и режима работы. Описывается современное состояние электропривода в составе нефтедобычных агрегатов.
В главе 2 описывается математическая модель электромагнитных процессов в модуле линейного вентильного электродвигателя. Модель совмещает численное моделирование электромагнитного поля на двухмерной полевой модели и геометрические размеры ЦЛВД с трехмерной вариацией поля. Описан алгоритм последовательности расчетов ЦЛВД.
В главе 3 подробно описывается алгоритм последовательности расчетов ЦЛВД, состоящий из нескольких этапов. Производится расчет характеристик модуля линейного вентильного электродвигателя.
Глава 4 рассматривает возможные конструкции элементов индуктора и вторичного элемента модуля линейного вентильного электродвигателя. Производится выбор наиболее рациональной конструкции ЦЛВД с точки зрения получения максимального тягового усилия.
В главе 5 описываются испытания модуля ЦЛВД в статическом и динамическом режимах. Представлено сопоставление экспериментальных характеристик ЦЛВД с расчетными.
В главе 6 проведено исследование влияния тяжения между индуктором и вторичным элементом на тяговое усилие ЦЛВД. Рассматривается возможное изменение конструкции элементов модуля линейного вентильного электродвигателя для уменьшения влияния эффекта тяжения. Производится выбор наиболее рациональной конструкции ЦЛВД с учетом необходимости ослабления данного эффекта.
В заключении приведены основные выводы по результатам работы.
В приложении 1 приведено описание нефтедобычного агрегат ПБЭНА, в состав которого входит привод ЦЛВД, с составными частями. В приложении 2 приведены акты внедрения результатов работы.
Для нефтяной промышленности Российской Федерации характерна неблагоприятная геолого-технологическая структура запасов, что обусловлено истощением месторождений. Наблюдается тенденция повышения глубины добывающих скважин, перехода многих скважин в разряд средне- и малодебитных. Количество таких скважин постоянно возрастает. Это связано с переходом месторождений в завершающую стадию разработки. Приходится использовать ранее законсервированные малодебитные скважины. Происходит ввод в эксплуатацию месторождений с низкопродуктивными пластами. Повышаются глубины вводимых в эксплуатацию скважин на вновь открытых месторождениях. Все это обусловлено постепенным повышением спроса на нефть со стороны мировой экономики и уменьшением запасов на старых месторождениях.
Для повышения нефтедобычи необходимо вводить в строй малодебитные скважины, повышать глубину вновь вводимых в строй . При добыче нефти из малодебитных скважин их можно перевести в непрерывный режим работы. Это позволит поднять эффективность добычи, что подтверждено многочисленными исследованиями [20,59]. Соответственно, главной задачей, стоящей перед нефтедобытчиками, является рациональное использование истощенных месторождений. Это можно добиться повышением глубины вновь вводимых скважин, и вовлечением в разработку залежей с тяжело добываемой нефтью [3, 58]. В связи с этим все большее значение приобретают вопросы, связанные с научным обоснованием создания и эксплуатации нового нефтепромыслового оборудования. Эффективность всего процесса эксплуатации нефтяных месторождений зависит от надежности и эффективности добывающего оборудования, в том числе не нужно забывать об экономической эффективности [51].
В современной практике нефтедобычи в России сформировались два основных вида добычных насосных агрегатов: плунжерный насос станков- качалок и центробежный погружной насосный агрегат [59]. Каждый добычной агрегат имеет свои преимущества и недостатки. Центробежные погружные насосы нецелесообразно эффективно использовать при дебите более 40 куб.м. в сутки [18], поэтому наиболее эффективным вариантом для низкодебитных скважин остается погружной плунжерный насос станка- качалки [2].
Наличие колонны штанг в составе станка-качалки приводит к низкому КПД, которое у насосного агрегата из-за трения оказывается в пределах 25¬47 процентов [41]. При этом возникает опасность обрыва колонны штанг, так как с увеличением глубины добычи более 2000 метров их вес становится критическим. Наличие переменных упругих деформаций колонны штанг не позволяет полностью использовать рабочий ход плунжера в цилиндре. При эксплуатации скважин штанговыми глубинными насосами происходит эмульгирование нефти в насосно-компрессорных трубах за счет возвратно-поступательного движения штанг [58].
Использование плунжерного насоса, сочлененного с цилиндрическим линейным вентильным двигателем, позволяет снизить трение из-за отсутствия колонны штанг и повысить общий КПД установки в целом, по сравнению со станком-качалкой. Передача энергии к забою скважины в виде электрической энергии по кабелю намного эффективнее, чем механическая передача штангой. Учитывая, что в основу насосного агрегата положен общеизвестный плунжерный насос, основное внимание при разработке насосного агрегата было уделено проектированию и исследованию цилиндрического линейного вентильного двигателя.
Актуальность темы.
В связи с необходимостью повышения эффективности добычи нефти, используемые в настоящее время для мало- и среднедебитных, а также глубоких скважин, погружные плунжерные насосы с колонной насосных штанг, не удовлетворяют в полной мере запросам потребителей. В этой связи возникла необходимость разработки эффективного линейного вентильного электропривода для создания погружных плунжерных бесштанговых электронасосных агрегатов.
Важной задачей является разработка рекомендаций по проектированию цилиндрического линейного вентильного электродвигателя для глубоких и малодебитных скважин, а также разработка инженерных методик расчета его электромагнитных процессов.
Степень разработанности темы исследования
Диссертационная работа является продолжением исследований, выполненным сотрудниками кафедры электротехники и электромеханики Пермского Национального Исследовательского Политехнического Университета (ПНИПУ) в области линейных вентильных машин и дополняет их. На текущий момент единственным разработчиком таких двигателей в мировой практике является Китайская Народная республика (КНР), но информация об этих разработках не публикуется в открытой печати.
Объектом исследования является модуль цилиндрического линейного вентильного электродвигателя, который используется в качестве погружного электропривода плунжерного насоса для добычи нефти.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование модуля цилиндрического линейного вентильного электродвигателя с постоянными магнитами (ЦЛВД), который предполагается использовать в качестве электропривода погружного плунжерного бесштангового электронасосного агрегата.
Для выполнения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
1. Обосновать рациональность использования цилиндрического линейного вентильного электродвигателя в качестве электропривода погружного плунжерного бесштангового электронасосного агрегата, в зависимости от дебита и глубины скважины.
2. Сформулировать требования к цилиндрическому линейному вентильному электродвигателю для мало-, среднедебитных и глубоких скважин.
3. Разработать идеализированную расчетную модель электромагнитных процессов для расчета ЦЛВД.
4. Разработать методику расчета электромагнитных процессов ЦЛВД.
5. Обосновать выбор элементов конструкции магнитной цепи индуктора и вторичного элемента ЦЛВД.
6. Разработать рекомендации по выбору геометрических элементов двигателя и параметров обмотки для получения максимальной удельной тяги.
7. На базе выполненных исследований разработать и изготовить модуль линейного вентильного электродвигателя, передать эскизный проект на ПАО «Мотовилихинские заводы».
Методы исследования.
В работе используется теория электромагнитного поля и теория нелинейных магнитных цепей, применяются методы теории электрических цепей. Также применяются методы математического моделирования и элементы функционального анализа. Поставленные задачи решены на базе предложенной идеализированной модели ЦЛВД с использованием двухмерного расчета электромагнитного поля методом конечных элементов . Расчет поля проводился в пакетах ELCUT, ANSYS.Методы компьютерного моделирования осуществлялись в математических пакетах MATHCAD, MATLAB.Эксперименты осуществлены на образце модуля ЦЛВД, разработанного на основании исследований автора.
Достоверность полученных результатов.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, обеспечена корректным использованием математического аппарата, соответствием результатов теоретического анализа и вычислительных экспериментов, успешным использованием положений диссертации в ходе выполнения научно-исследовательских работ, обсуждением положений и результатов работы с зарубежными и российскими специалистами в ходе конференций и научных мероприятий.
Теоретическая значимость работы:
Полученные научные результаты расширяют теоретическую базу в области проектирования линейных вентильных электрических машин. Полученные новые аналитические зависимости уточняют и совершенствуют методику проектирования электрических машин этого класса. В результате проведенных автором исследований раскрыты особенности применения ЦЛВД в качестве привода ПБЭНА в деле добычи нефти для оценки эффективности применения нового класса приводов. Разработана методика расчета модуля ЦЛВД и получено математическое описание электромагнитных процессов в двигателе, что позволяет упростить полевую задачу. Раскрыты особенности методики выбора рациональной конструкции магнитной цепи, элементов индуктора и вторичного элемента модуля ЦЛВД, что позволяет в перспективе проводить оптимизацию конструкции двигателя.
Практическая ценность.
1. В результате проведенных автором исследований обосновано применение ЦЛВД в качестве привода погружного плунжерного электронасосного агрегата для нефтяных скважин.
2. Выбрана расчетная модель ЦЛВД и получено математическое описание электромагнитных процессов в двигателе. Модель позволяет произвести расчеты двигателя с малыми затратами времени и приемлемой точностью.
3. Предложена методика расчета модуля ЦЛВД, основанная на совместном применении теории нелинейных магнитных цепей и расчета электромагнитного поля методом конечных элементов. Проверена точность расчета по выбранной методике.
4. Разработаны рекомендации по рациональному выбору конструкции магнитной цепи элементов индуктора и вторичного элемента модуля линейного вентильного электродвигателя.
5. Разработанная математическая модель положена в основу расчета и проектирования реального ЦЛВД. На базе расчетов ЦЛВД был спроектирован и изготовлен погружной бесштанговый насосный агрегат (ПБЭНА), который предполагается использовать для добычи нефти из скважин.
Реализация работы.
Проведенные исследования являются частью научно-исследовательских и проектных работ, которые проводятся в ФГБОУ ВПО «ПНИПУ» по заказу ОАО «Мотовилихинские заводы» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0068 от 23.05.2013 г. в составе мероприятия по реализации постановления Правительства РФ № 218).
Результаты исследований реализованы при проектировании и расчетах цилиндрического линейного вентильного электродвигателя в качестве привода для погружного плунжерного бесштангового электронасосного агрегата.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
Разработана идеализированная математическая модель электромагнитных процессов ЦЛВД, которая учитывает вариацию магнитного поля в двигателе по всем трем координатам.
Разработан алгоритм расчета электромагнитных процессов модуля ЦЛВД. Алгоритм совмещает численное моделирование электромагнитного поля на двухмерной полевой модели и геометрические размеры двигателя с трехмерной вариацией поля.
В работе рассмотрены различные варианты магнитных систем. Результаты анализа возможных конструкций элементов индуктора и вторичного элемента модуля ЦЛВД использованы для получения максимальной удельной величины тяги.
Разработана методика расчета эффекта тяжения модуля ЦЛВД при асимметрии положения вторичного элемента относительно индуктора.
Проработка поставленных задач осуществлена на качественно новом современном уровне, достигнуты цели диссертации и проведена выработка новых научных методик.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Идеализированная математическая модель электромагнитных процессов ЦЛВД, которая учитывает распределение магнитного поля в двигателе по всем трем координатам и позволяет преобразовывать трехмерную модель к двухмерной. Модель может быть быстро рассчитана методом конечных элементов, в ней учитывается влияние реакции якоря, насыщение стали магнитопровода и МДС постоянных магнитов.
2. Алгоритм расчета электромагнитных процессов модуля ЦЛВД. Алгоритм совмещает численное моделирование электромагнитного поля на двухмерной полевой модели и геометрические размеры двигателя с трехмерной вариацией поля.
3. Результаты анализа при рассмотрении возможных вариантов конструкций элементов индуктора и вторичного элемента модуля линейного вентильного электродвигателя, с целью увеличения удельной тяги.
4. Результаты экспериментальных исследований опытного макета цилиндрического линейного вентильного двигателя.
5. Методика расчета эффекта тяжения модуля цилиндрического линейного вентильного двигателя для определения сил трения вторичного элемента об индуктор.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на следующих научных конференциях:
- II Международная научно-техническая конференция «Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике». Пермь, ПНИПУ, 21-22 апреля 2016 г.
- I Международная научно-техническая конференция «Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике». Пермь, ПНИПУ, 24-25 сентября 2015 г.
- XIV Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий». Екатеринбург, УрФУ, 17-20 марта 2014 г.
- На краевой научно-технической конференции "Автоматизированные системы управления и информационные технологии". Пермь. ПНИПУ, 22 мая 2013 г.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, восемь из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка используемой литературы и 2 приложений общим объемом 139 страниц. Основной текст изложен на 133 страницах машинописного текста, иллюстрирован 43 рисунками, 14 таблицами. Библиографический список включает 98 наименований.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, в нем сформулирована цель и поставлены задачи исследования. Описывается практическая ценность работы и ее новизна, утверждаются основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об основных вопросах, рассмотренных в диссертации и публикациях.
В главе 1 производится обоснование применения цилиндрического линейного вентильного двигателя в качестве привода погружного плунжерного электронасосного агрегата для нефтяных скважин в зависимости от глубины и режима работы. Описывается современное состояние электропривода в составе нефтедобычных агрегатов.
В главе 2 описывается математическая модель электромагнитных процессов в модуле линейного вентильного электродвигателя. Модель совмещает численное моделирование электромагнитного поля на двухмерной полевой модели и геометрические размеры ЦЛВД с трехмерной вариацией поля. Описан алгоритм последовательности расчетов ЦЛВД.
В главе 3 подробно описывается алгоритм последовательности расчетов ЦЛВД, состоящий из нескольких этапов. Производится расчет характеристик модуля линейного вентильного электродвигателя.
Глава 4 рассматривает возможные конструкции элементов индуктора и вторичного элемента модуля линейного вентильного электродвигателя. Производится выбор наиболее рациональной конструкции ЦЛВД с точки зрения получения максимального тягового усилия.
В главе 5 описываются испытания модуля ЦЛВД в статическом и динамическом режимах. Представлено сопоставление экспериментальных характеристик ЦЛВД с расчетными.
В главе 6 проведено исследование влияния тяжения между индуктором и вторичным элементом на тяговое усилие ЦЛВД. Рассматривается возможное изменение конструкции элементов модуля линейного вентильного электродвигателя для уменьшения влияния эффекта тяжения. Производится выбор наиболее рациональной конструкции ЦЛВД с учетом необходимости ослабления данного эффекта.
В заключении приведены основные выводы по результатам работы.
В приложении 1 приведено описание нефтедобычного агрегат ПБЭНА, в состав которого входит привод ЦЛВД, с составными частями. В приложении 2 приведены акты внедрения результатов работы.
Необходимость высокого уровня добычи нефти в России, в условиях, сложившихся в Мировом разделении труда, требуют вовлечения в разработку месторождений с более сложными геологическими условиями. Эти условия представляют собой многообразие факторов, осложняющих добычу: повышение глубины скважин, уменьшение дебита существующих, применение наклонных и горизонтальных скважин, добыча вязких нефтей с высоким содержанием парафинов. Все эти факторы требуют разработки новых эффективных способов добычи нефти, отвечающих современным требованиям. Следовательно, разработка, создание и внедрение ПБЭНА на базе ЦЛВД имеет не только научный интерес, но и важное хозяйственное значение. Условия работы и требования, предъявляемые к вновь проектируемым насосам скважинных установок, обуславливают применение нетрадиционных решений. Исполнение добычных агрегатов предполагает принятие специальных конструктивных решений, что влечет за собой особенности при их проектировании и расчете. В результате проведенных исследований и практических работ по теме ПБЭНА и ЦЛВД были получены следующие результаты:
1. Обосновано применение ЦЛВД в качестве привода ПБЭНА,
вместо станка-качалки. Использование бесштанговой насосной установки позволяет:
- снизить металлоемкость и затраты на строительные и монтажные работы вследствие исключения станков, фундаментов, штанговых колонн, затрат на подземные ремонты.
- уменьшить эмульгирование нефти в насосно-компрессорных трубах.
- исключить промежуточные звенья привода ПБЭНА (колонны штанг и станка-качалки).
- позволяет исключить в проектируемом приводе жесткие ограничения по глубине спуска плунжерного насоса в скважину, которая может достигать 3 км и более.
- вовлечь в разработку значительные запасы вязких нефтей в России, имеющих высокое содержание парафинов, и того факта, что объемы и интенсивность разработки этих месторождений в настоящее время недостаточны. Следует признать весьма перспективным разработку и освоение ПБЭНА на основе ЦЛВД.
2. Разработана математическая модель электромагнитных процессов в модуле цилиндрического линейного вентильного двигателя- Модель учитывает распределение магнитного поля в двигателе по всем трем координатам и позволяет преобразовывать трехмерную геометрическую модель к двухмерной по предложенным уравнениям. Это позволяет проводить расчеты в течении несколько минут машинного времени ЭВМ, вместо десятков часов при расчете классической трехмерной модели. Ускорение расчета позволяет сделать многовариантное моделирование ЦЛВД с расчетом большого количества точек статической угловой характеристики, позволяющее выбрать конструкцию с наибольшим удельным усилием, с приемлемыми затратами по времени.
3. Разработан алгоритм расчета электромагнитных процессов модуля цилиндрического линейного вентильного электродвигателя. Алгоритм совмещает численное моделирование электромагнитного поля на двухмерной полевой модели (однородной по третьей оси) и геометрические размеры двигателя с трехмерной вариацией поля (распределенной по всем трем осям). Расчет полевой задачи ЦЛВД происходит с использованием совместного применения двух методов, используемых последовательно в два основных этапа:
- на первом этапе производят расчет на основе идеализированной расчетной модели. Геометрическое трехмерное распределение электромагнитного поля ЦЛВД приводят к двухмерному.
- на втором этапе производят расчет методом конечно-разностных элементов на базе двухмерной эквивалентной модели ЦЛВД.
4. Проведен анализ возможных конструкций элементов индуктора и вторичного элемента ЦЛВД. По результатам многовариантных расчетов проведен выбор наиболее рациональной конфигурации магнитной системы по параметру удельной величины тяги. В результате сопоставления различных вариантов, была выбрана конструкция индуктора и вторичного элемента, позволяющая получить максимальное тяговое усилие, при заданном номинальном токе обмоток.
5. Сравнении расчетных и измеренных угловых статических характеристик показало, что расчетное максимальное усилие оказалось выше на 5-20 процентов по сравнению с экспериментально полученным в модуле ЦЛВД. Погрешность расчетной модели и созданного модуля ЦЛВД растет при уменьшении рабочего тока. При максимальном рабочем токе погрешность равна 5%. При уменьшении рабочего тока она возрастает и не превышает 20 процентов. При сравнении расчетных и измеренных угловых статических характеристик видно, что погрешность расчетной модели зависит от углового положения вторичного элемента.
6. Исследование макета ЦЛВД при снятии угловых статических характеристик показало наличие эффекта тяжения вторичного элемента, значительно влияющее на тяговое усилие в зависимости от тока в обмотках. Эффект тяжения снижает усилие на вторичном элементе. В результате расчетов получили величину силы тяжения вторичного элемента к индуктору. Для уменьшения трения в модуле был добавлен промежуточный подшипник скольжения. Устранение вредного эффекта тяжения реализовано за счет изменения конструкции индуктора. Изменению подверглась конструкцию каналов в ярме индуктора для размещения соединительных проводов трехфазной обмотки. Такое изменение конструкции необходимо для более равномерного распределения радиального магнитного поля и снижению эффекта тяжения. Изменение конструкции индуктора позволило достичь значительного роста усилий на штоке вторичного элемента.
7. Результаты данной работы использованы в ПНИПУ при разработке и создании конструкций ЦЛВД в составе ПБЭНА на ПАО «Мотовилихинские заводы». Подтверждена практическая возможность использования погружного модуля ЦЛВД в качестве привода плунжерного насоса. Как указывается в актах внедрения результатов работы, спроектированные и изготовленные образцы, удовлетворяют поставленным требованиям технического задания. ЦЛВД в составе ПБЭНА может быть эффективно использован для отбора жидкости из скважин на большой глубине.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования Разработанные в диссертации математические модели, алгоритмы и методики расчета цилиндрических линейных вентильных двигателей и полученные результаты исследования могут быть использованы при оптимизации их конструкций и параметров. Достигнутые результаты служат основой для расширения сфер применения цилиндрических линейных вентильных двигателей в промышленности и в частности при добыче нефти из скважин. В теоретическом плане развитие методик расчета связано с применением преобразований трехмерных математических моделей к двухмерным, в том числе, на основе стандартных математических пакетов. Это позволяет в перспективе значительно ускорить машинные расчеты моделей, требующих трехмерного расчета и применять настольные ЭВМ, без необходимости использования суперкомпьютеров.
1. Обосновано применение ЦЛВД в качестве привода ПБЭНА,
вместо станка-качалки. Использование бесштанговой насосной установки позволяет:
- снизить металлоемкость и затраты на строительные и монтажные работы вследствие исключения станков, фундаментов, штанговых колонн, затрат на подземные ремонты.
- уменьшить эмульгирование нефти в насосно-компрессорных трубах.
- исключить промежуточные звенья привода ПБЭНА (колонны штанг и станка-качалки).
- позволяет исключить в проектируемом приводе жесткие ограничения по глубине спуска плунжерного насоса в скважину, которая может достигать 3 км и более.
- вовлечь в разработку значительные запасы вязких нефтей в России, имеющих высокое содержание парафинов, и того факта, что объемы и интенсивность разработки этих месторождений в настоящее время недостаточны. Следует признать весьма перспективным разработку и освоение ПБЭНА на основе ЦЛВД.
2. Разработана математическая модель электромагнитных процессов в модуле цилиндрического линейного вентильного двигателя- Модель учитывает распределение магнитного поля в двигателе по всем трем координатам и позволяет преобразовывать трехмерную геометрическую модель к двухмерной по предложенным уравнениям. Это позволяет проводить расчеты в течении несколько минут машинного времени ЭВМ, вместо десятков часов при расчете классической трехмерной модели. Ускорение расчета позволяет сделать многовариантное моделирование ЦЛВД с расчетом большого количества точек статической угловой характеристики, позволяющее выбрать конструкцию с наибольшим удельным усилием, с приемлемыми затратами по времени.
3. Разработан алгоритм расчета электромагнитных процессов модуля цилиндрического линейного вентильного электродвигателя. Алгоритм совмещает численное моделирование электромагнитного поля на двухмерной полевой модели (однородной по третьей оси) и геометрические размеры двигателя с трехмерной вариацией поля (распределенной по всем трем осям). Расчет полевой задачи ЦЛВД происходит с использованием совместного применения двух методов, используемых последовательно в два основных этапа:
- на первом этапе производят расчет на основе идеализированной расчетной модели. Геометрическое трехмерное распределение электромагнитного поля ЦЛВД приводят к двухмерному.
- на втором этапе производят расчет методом конечно-разностных элементов на базе двухмерной эквивалентной модели ЦЛВД.
4. Проведен анализ возможных конструкций элементов индуктора и вторичного элемента ЦЛВД. По результатам многовариантных расчетов проведен выбор наиболее рациональной конфигурации магнитной системы по параметру удельной величины тяги. В результате сопоставления различных вариантов, была выбрана конструкция индуктора и вторичного элемента, позволяющая получить максимальное тяговое усилие, при заданном номинальном токе обмоток.
5. Сравнении расчетных и измеренных угловых статических характеристик показало, что расчетное максимальное усилие оказалось выше на 5-20 процентов по сравнению с экспериментально полученным в модуле ЦЛВД. Погрешность расчетной модели и созданного модуля ЦЛВД растет при уменьшении рабочего тока. При максимальном рабочем токе погрешность равна 5%. При уменьшении рабочего тока она возрастает и не превышает 20 процентов. При сравнении расчетных и измеренных угловых статических характеристик видно, что погрешность расчетной модели зависит от углового положения вторичного элемента.
6. Исследование макета ЦЛВД при снятии угловых статических характеристик показало наличие эффекта тяжения вторичного элемента, значительно влияющее на тяговое усилие в зависимости от тока в обмотках. Эффект тяжения снижает усилие на вторичном элементе. В результате расчетов получили величину силы тяжения вторичного элемента к индуктору. Для уменьшения трения в модуле был добавлен промежуточный подшипник скольжения. Устранение вредного эффекта тяжения реализовано за счет изменения конструкции индуктора. Изменению подверглась конструкцию каналов в ярме индуктора для размещения соединительных проводов трехфазной обмотки. Такое изменение конструкции необходимо для более равномерного распределения радиального магнитного поля и снижению эффекта тяжения. Изменение конструкции индуктора позволило достичь значительного роста усилий на штоке вторичного элемента.
7. Результаты данной работы использованы в ПНИПУ при разработке и создании конструкций ЦЛВД в составе ПБЭНА на ПАО «Мотовилихинские заводы». Подтверждена практическая возможность использования погружного модуля ЦЛВД в качестве привода плунжерного насоса. Как указывается в актах внедрения результатов работы, спроектированные и изготовленные образцы, удовлетворяют поставленным требованиям технического задания. ЦЛВД в составе ПБЭНА может быть эффективно использован для отбора жидкости из скважин на большой глубине.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования Разработанные в диссертации математические модели, алгоритмы и методики расчета цилиндрических линейных вентильных двигателей и полученные результаты исследования могут быть использованы при оптимизации их конструкций и параметров. Достигнутые результаты служат основой для расширения сфер применения цилиндрических линейных вентильных двигателей в промышленности и в частности при добыче нефти из скважин. В теоретическом плане развитие методик расчета связано с применением преобразований трехмерных математических моделей к двухмерным, в том числе, на основе стандартных математических пакетов. Это позволяет в перспективе значительно ускорить машинные расчеты моделей, требующих трехмерного расчета и применять настольные ЭВМ, без необходимости использования суперкомпьютеров.