Помощь студентам в учебе
Асинхронный частотно - регулируемый электропривод добычи нефти
|
ВВЕДЕНИЕ 11
1 НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТАНОВКИ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА 12
1.1 Назначение 12
1.2 Устройство и принцип работы установки электропривода центробежного насоса и ее составных частей 13
1.2.1 Установка электропривода центробежного насоса 13
1.2.2 Скважинный электроцентробежный насос 16
1.2.3 Погружной электродвигатель 16
1.2.4 Гидравлическая защита электродвигателя (протектор и компенсатор) 19
1.2.5 Газосепаратор 20
1.2.6 Кабельные линии установок электроцентробежного насоса 20
1.2.7 Оборудование устья скважины для эксплуатации установок электропривода
центробежного насоса 21
1.2.8 Станция управления 22
1.2.9 Трансформатор 23
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ. ВЫБОР ПРИНЦИПА УПРАВЛЕНИЯ. МЕХАНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 24
2.1 Математическое описание работы асинхронного двигателя 24
2.2 Способы управления электроприводом 28
2.3 Механические характеристики электропривода 31
3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО
НАСОСА. ПОДБОР ОБОРУДОВАНИЯ 34
3.1 Выбор насоса 34
3.2 Выбор электродвигателя и расчет силовой части 34
3.3 Расчет и построение естественной механической и электромеханических характеристик 39
3.4 Выбор кабельной линии 41
3.5 Выбор трансформатора 42
3.6 Выбор станции управления 43
3.7 Выбор преобразователя 44
3.8 Расчет и построение искусственных механических и электромеханических
характеристик системы 45
«Преобразователь частоты - асинхронный двигатель» 45
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ В СРЕДЕ MATLAB SIMULINK 50
4.1 Расчет переходных процессов скорости и момента. Силовой канал электропривода 50
4.2 Расчет системы «Преобразователь частоты - асинхронный двигатель» с IR-
компенсацией 52
4.3 Моделирование переходных процессов скорости и момента на валу двигателя системы «Преобразователь частоты - асинхронный двигатель» 56
4.4 Имитационное исследование частотно-регулируемого асинхронного электропривода погружного насоса при заданном цикле работы 63
5 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 65
5.1 Предпроектный анализ 65
5.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 65
5.1.2 Технология QuaD 67
5.1.3 SWOT-анализ 68
5.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 70
5.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 71
5.2 Инициация проекта 71
5.3 Планирование научно-исследовательских работ 72
5.3.1 Структура работ в рамках научного исследования 72
5.3.2 Определение трудоемкости выполнения работ 73
5.3.3 Разработка графика проведения научного исследования 74
5.3.4 Реестр рисков 77
5.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 78
5.4.1 Основная заработная плата исполнителей темы 78
5.4.2 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 81
5.4.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые взносы) 82
5.4.4 Накладные расходы 83
5.4.5 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 83
5.4.6 Оценка эффективности проекта. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 84
5.4.7 Оценка абсолютной эффективности проекта 85
Вывод по разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»: 89
6 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 90
6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности при эксплуатации ..90
6.2 Производственная безопасность 93
6.2.1 Анализ выявленных вредных производственных факторов 94
6.2.2 Анализ выявленных опасных производственных факторов 97
6.2.2.1 Расчет заземления электрооборудования 98
6.3 Экологическая безопасность 100
6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 101
Вывод по разделу «социальная ответственность»: 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 106
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 110
1 НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТАНОВКИ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА 12
1.1 Назначение 12
1.2 Устройство и принцип работы установки электропривода центробежного насоса и ее составных частей 13
1.2.1 Установка электропривода центробежного насоса 13
1.2.2 Скважинный электроцентробежный насос 16
1.2.3 Погружной электродвигатель 16
1.2.4 Гидравлическая защита электродвигателя (протектор и компенсатор) 19
1.2.5 Газосепаратор 20
1.2.6 Кабельные линии установок электроцентробежного насоса 20
1.2.7 Оборудование устья скважины для эксплуатации установок электропривода
центробежного насоса 21
1.2.8 Станция управления 22
1.2.9 Трансформатор 23
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ. ВЫБОР ПРИНЦИПА УПРАВЛЕНИЯ. МЕХАНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 24
2.1 Математическое описание работы асинхронного двигателя 24
2.2 Способы управления электроприводом 28
2.3 Механические характеристики электропривода 31
3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО
НАСОСА. ПОДБОР ОБОРУДОВАНИЯ 34
3.1 Выбор насоса 34
3.2 Выбор электродвигателя и расчет силовой части 34
3.3 Расчет и построение естественной механической и электромеханических характеристик 39
3.4 Выбор кабельной линии 41
3.5 Выбор трансформатора 42
3.6 Выбор станции управления 43
3.7 Выбор преобразователя 44
3.8 Расчет и построение искусственных механических и электромеханических
характеристик системы 45
«Преобразователь частоты - асинхронный двигатель» 45
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ В СРЕДЕ MATLAB SIMULINK 50
4.1 Расчет переходных процессов скорости и момента. Силовой канал электропривода 50
4.2 Расчет системы «Преобразователь частоты - асинхронный двигатель» с IR-
компенсацией 52
4.3 Моделирование переходных процессов скорости и момента на валу двигателя системы «Преобразователь частоты - асинхронный двигатель» 56
4.4 Имитационное исследование частотно-регулируемого асинхронного электропривода погружного насоса при заданном цикле работы 63
5 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 65
5.1 Предпроектный анализ 65
5.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 65
5.1.2 Технология QuaD 67
5.1.3 SWOT-анализ 68
5.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 70
5.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 71
5.2 Инициация проекта 71
5.3 Планирование научно-исследовательских работ 72
5.3.1 Структура работ в рамках научного исследования 72
5.3.2 Определение трудоемкости выполнения работ 73
5.3.3 Разработка графика проведения научного исследования 74
5.3.4 Реестр рисков 77
5.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 78
5.4.1 Основная заработная плата исполнителей темы 78
5.4.2 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 81
5.4.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые взносы) 82
5.4.4 Накладные расходы 83
5.4.5 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 83
5.4.6 Оценка эффективности проекта. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 84
5.4.7 Оценка абсолютной эффективности проекта 85
Вывод по разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»: 89
6 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 90
6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности при эксплуатации ..90
6.2 Производственная безопасность 93
6.2.1 Анализ выявленных вредных производственных факторов 94
6.2.2 Анализ выявленных опасных производственных факторов 97
6.2.2.1 Расчет заземления электрооборудования 98
6.3 Экологическая безопасность 100
6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 101
Вывод по разделу «социальная ответственность»: 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 106
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 110
В ХХ веке асинхронные машины применялись, как правило, в нерегулируемых электроприводах (далее - ЭП), пуск которых осуществлялся прямым включением в сеть с помощью магнитных пускателей. С появлением новых поколений полупроводников и микропроцессоров, расширяется применение регулируемых ЭП, основу которых составляют асинхронные ЭП.
На сегодняшний день проектирование систем автоматизированного ЭП сводится в основном к синтезу параметров регуляторов исходя из требуемого качества переходных процессов двигателя или рабочего механизма. Но в то же время необходимы методики по расчету статических характеристик ЭП переменного тока, так как поддержание с заданной точностью регулируемых координат при изменениях нагрузки являются определяющим показателем качества систем ЭП в установившихся режимах.
Сегодня активно осваиваются месторождения нефти посредством скважин, пробуренных в толще горных пород. При нехватке давления в продуктивном пласте, нефть извлекается при помощи специальных механизмов, позволяющих поднимать сырье на поверхность, а также используются для продвижения перекачиваемой продукции по трубопроводам. В связи с чем приобретают актуальность установки электропривода центробежного насоса (далее - УЭЦН).
Одним из главных показателей эффективности насосного оборудования является надежность, которая определяется межремонтным периодом оборудования, так как ремонт подземного оборудования требует остановку скважины, что влечет за собой финансовые потери нефтедобывающей компании. Одно из направлений повышения эффективности работы УЭЦН является изменение скорости вращения вала насоса, с помощью частотно¬управляемого электропривода. [1, 2]
Целью магистерской диссертации является разработка УЭЦН для поднятия пластовой жидкости на поверхность.
На сегодняшний день проектирование систем автоматизированного ЭП сводится в основном к синтезу параметров регуляторов исходя из требуемого качества переходных процессов двигателя или рабочего механизма. Но в то же время необходимы методики по расчету статических характеристик ЭП переменного тока, так как поддержание с заданной точностью регулируемых координат при изменениях нагрузки являются определяющим показателем качества систем ЭП в установившихся режимах.
Сегодня активно осваиваются месторождения нефти посредством скважин, пробуренных в толще горных пород. При нехватке давления в продуктивном пласте, нефть извлекается при помощи специальных механизмов, позволяющих поднимать сырье на поверхность, а также используются для продвижения перекачиваемой продукции по трубопроводам. В связи с чем приобретают актуальность установки электропривода центробежного насоса (далее - УЭЦН).
Одним из главных показателей эффективности насосного оборудования является надежность, которая определяется межремонтным периодом оборудования, так как ремонт подземного оборудования требует остановку скважины, что влечет за собой финансовые потери нефтедобывающей компании. Одно из направлений повышения эффективности работы УЭЦН является изменение скорости вращения вала насоса, с помощью частотно¬управляемого электропривода. [1, 2]
Целью магистерской диссертации является разработка УЭЦН для поднятия пластовой жидкости на поверхность.
В данной магистерской диссертации было рассмотрено назначение, устройство и принцип работы УЭЦН, рассмотрены способы управления системы «ПЧ-АД» и выбран скалярный метод управления. Выбран насос типа ЭЦНМ5-125-1000 и электродвигатель ПЭДУ32 - 103В5, в соответствии с требованиями ТЗ. Подобрано наземное оборудование: трансформатор ТМПН - 100/3 - УХЛ 1, станция управления «Электрон-05» 160, а так же питающий кабель электропривода КПБК-3х10.
Рассчитаны параметры схемы замещения асинхронного двигателя и построены естественные и искусственные механические и электромеханические характеристики электропривода с насосной нагрузкой. В результате расчета и построения характеристик, определено, что номинальный ток статора двигателя 1ном= 27,5 A, номинальный момент электропривода Мном= 108,25 Н-м, при номинальной скорости вращения вала ®ном= 295,6 рад/с.
Рассчитана и составлена имитационная модель системы «ПЧ-АД» с IR-компенсацией, проведено моделирование работы системы. В результате имитационного моделирования были сняты динамические характеристики двигателя при прямом пуске и выяснено, что двигатель является устойчивым звеном, и параметры схемы замещения вычислены правильно. Расчет статических характеристик замкнутой системы с IR-компенсацией, а так же моделирование пуска электропривода на различных частотах, при различных коэффициентов компенсации момента (ККМ = 0,25 и 0,75), показал, что
IR-компенсация оказывает существенное влияние только при малых частотах, где потери на активном сопротивлении статора увеличиваются.
Так же при моделировании разработан задатчик интенсивности разгона электропривода. В процессе моделирования доказано, что внедрения и тонкая настройка задатчика интенсивности, а так же модулей насыщения в каналы регулирования управляющего напряжения и частоты - позволяет получить плавный разгон электропривода, без больших бросков момента, что и требуется для электроприводов погружного насоса.
Проведено имитационное исследование электропривода при заданном цикле работы, которое показало, что установка функционирует исправно, система отрабатывает заданные параметры и модель настроена корректно.
В разделе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» проведена оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научного исследования на примере SWOT- анализа, определен полный перечень, а так же трудоемкость проведения работ. Определена целесообразность и эффективность научного исследования путем оценки научно-технического уровня проекта, а также оценки возможных рисков.
В разделе «Социальная ответственность» рассмотрены правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности, вопросы производственной и экологической безопасности, a так же действия при чрезвычайных ситуациях. Проведен анализ вредных и опасных производственных факторов, определены меры предотвращения этих факторов. Проанализировано влияние объекта на окружающую среду, определены меры по обеспечению экологической безопасности. Рассмотрен вопрос по обеспечению безопасности в случае чрезвычайной ситуации, предложены методы по предотвращению и ликвидации последствий чрезвычайной ситуации.
Рассчитаны параметры схемы замещения асинхронного двигателя и построены естественные и искусственные механические и электромеханические характеристики электропривода с насосной нагрузкой. В результате расчета и построения характеристик, определено, что номинальный ток статора двигателя 1ном= 27,5 A, номинальный момент электропривода Мном= 108,25 Н-м, при номинальной скорости вращения вала ®ном= 295,6 рад/с.
Рассчитана и составлена имитационная модель системы «ПЧ-АД» с IR-компенсацией, проведено моделирование работы системы. В результате имитационного моделирования были сняты динамические характеристики двигателя при прямом пуске и выяснено, что двигатель является устойчивым звеном, и параметры схемы замещения вычислены правильно. Расчет статических характеристик замкнутой системы с IR-компенсацией, а так же моделирование пуска электропривода на различных частотах, при различных коэффициентов компенсации момента (ККМ = 0,25 и 0,75), показал, что
IR-компенсация оказывает существенное влияние только при малых частотах, где потери на активном сопротивлении статора увеличиваются.
Так же при моделировании разработан задатчик интенсивности разгона электропривода. В процессе моделирования доказано, что внедрения и тонкая настройка задатчика интенсивности, а так же модулей насыщения в каналы регулирования управляющего напряжения и частоты - позволяет получить плавный разгон электропривода, без больших бросков момента, что и требуется для электроприводов погружного насоса.
Проведено имитационное исследование электропривода при заданном цикле работы, которое показало, что установка функционирует исправно, система отрабатывает заданные параметры и модель настроена корректно.
В разделе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» проведена оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научного исследования на примере SWOT- анализа, определен полный перечень, а так же трудоемкость проведения работ. Определена целесообразность и эффективность научного исследования путем оценки научно-технического уровня проекта, а также оценки возможных рисков.
В разделе «Социальная ответственность» рассмотрены правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности, вопросы производственной и экологической безопасности, a так же действия при чрезвычайных ситуациях. Проведен анализ вредных и опасных производственных факторов, определены меры предотвращения этих факторов. Проанализировано влияние объекта на окружающую среду, определены меры по обеспечению экологической безопасности. Рассмотрен вопрос по обеспечению безопасности в случае чрезвычайной ситуации, предложены методы по предотвращению и ликвидации последствий чрезвычайной ситуации.