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 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.

На рисунке 3.1 показаны характеристики производительности центробежного насоса при дроссельном и частотном регулировании. Кривая 1 характеризует работу нерегулируемого электропривода на номинальной частоте вращения, кривая 3 характеризует работу скважины при полностью открытой заслонке в ее устье. При номинальном расходе и напоре насос работает в точке А, а мощность, потребляемая ЦН, пропорциональна площади прямоугольника OKAL. С уменьшением подачи при нерегулируемом

Рис. 3.1. Характеристики производительности центробежного насоса при дроссельном и частотном регулировании.

электроприводе (на рисунке 3.1 для примера показана подача УЭЦН, составляющая 0,6 Q_НОМ) за счет дроссельного регулирования происходит изменение сопротивления скважины (кривая 4), насос работает в точке В кривой 1, приводит к возрастанию напора, который становиться больше номинального, а мощность насоса, пропорциональная площади прямоугольника ODBF, несущественно отличается от мощности, потребляемой при номинальном подаче. 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.

Возможности энергосберегающего управления при регулировании скорости электропривода по сравнению с дроссельным регулированием проиллюстрированы на рисунке 3.1. За счет уменьшения скорости насос работает при снижении расхода в точке С на кривой 2 при неизменной характеристике трубопровода из насорсно-компрессорных труб скважины. (кривая 3). Мощность, потребляемая электроприводом в этом случае, пропорциональна площади прямоугольника OECF, что наглядно иллюстрирует возможности существенного снижения энергопотребления при внедрении регулируемых электроприводов насосов.

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 Н_С – статический напор (противодавление), соответствующий Q=0 (закрытой задвижке); R – коэффициент сопротивления магистрали, .

Характеристики способов регулирования центробежного насоса и магистрали приведены на рисунке 3. 2.

Мощность потребляемая насосной установкой из сети:

, (3.4)

где P_МЕХ – мощность на валу ПЭД насоса, ; M_С – статический момент нагрузки на валу ПЭД; – коэффициент полезного действия.

Регулирование подачей дроссельной заслонкой основано на изменении сопротивления магистрали. В этом случае при рабочая точка механизма перемещается по Q – H-характеристики, соответствующей номинальной скорости двигателя, в сторону снижения подачи до точки пересечения с новой характеристикой магистрали (точки 1, 2, 3 на рисунке 3.2).

При электрическом способе регулирования подачи рабочая точка перемещается по неизменной характеристики магистрали (точки 4, 5, 6, 7 на рисунке 3.2). При этом с уменьшением подачи уменьшается и требуемый напор, что приводит к снижению статической мощности, необходимой для работы насоса с заданной добычей нефти, по сравнению с дроссельным регулированием.

Рис. 3.2. Характеристики способов регулирования центробежного насоса: 1, 2, 3 – рабочие точки при дроссельном регулировании подачи; 4, 5, 6, 7, - рабочие характеристики рип регулировании за счет изменения частоты вращения двигателя.

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 (М_0С) 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/Р_Б), приняв в качестве базового значения мощности РБ максимальную статическую мощность на валу двигателя P_CMAX при , т.е. .

Если считать, что ( – номинальный момент двигателя, ), то базовая мощность Р_Б=Р_НОМ.

Выражения для расчета Р_1* 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. Как следует из (3.8), (3.9) при дроссельном регулировании для заданного значения потребляемая мощность Р_1* зависит от , , , а при частотном регулировании – от , , . Задавая эти параметры для конкретных условий работы насосного агрегата и выбранного двигателя, можно рассчитать значения . В таблице 3.1 приведены относительные значения потребляемой мощности в функции относительного расхода для дроссельного и частотного регулирования при ; ; .

Табл. 3.1

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. На рисунке 3. 3 приведены зависимости при дроссельном и частотном регулировании, построенные по данным таблице 3.1 для . Задавая расход можно рассчитать потребляемую мощность при дроссельном ( ) и частотном ( ) регулировании и определить выигрыш в потребляемой мощности , что позволяет рассчитать снижение годовых затрат по стоимости электроэнергии при частотном регулировании объема добычи нефти установкой ЭЦН.

Рис. 3.3. Зависимости при дроссельном (кривая 1) и частотном (кривая 2) регулированиинию с дроссельным.

Для оценки влияния начального статического момента ( ) на потребляемую мощность в таблице 3.2 приведены зависимости для дроссельного и частотного регулирования при и .

Табл. 3.2

Зависимость для дроссельного и частотного 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

Сравнивая данные таблицах 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/Q_НОМ=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 1 кВт∙час (принята равной 1,4 руб/кВт∙ч.

руб.

ОХРАНА ТРУДА