Расчет и моделирование динамических характеристик электропривода штангового скважинного насоса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Самарский государственный технический университет

Расчет и моделирование динамических характеристик электропривода штангового скважинного насоса

Р.Г. Горшков

Е.А. Кротков

Введение

Привод штангового скважинного насоса (станка-качалки) является одним из важнейших компонентов штанговой скважинной насосной установки, предназначенной для подъема пластовой жидкости из скважин. Условия эксплуатации этого вида насосных установок требуют применения регулируемого привода, а используемые в настоящее время на промыслах асинхронный и синхронный приводы не позволяют регулировать частоту вращения электродвигателя (ЭД). Во-первых, в начальный период эксплуатации скважины должен быть установлен оптимальный режим отбора жидкости, обусловленный геологическими и технико-экономическими факторами. Для этого необходимо плавно изменять частоту качаний балансира, меняя темпы отбора жидкости из скважин и определяя ее дебит при каждом новом положении динамического уровня. Во-вторых, по мере использования насоса производительность скважины начинает уменьшаться, все больше отклоняясь от оптимальной. Длительную работу скважины в оптимальном режиме можно обеспечить применением регулируемого электропривода (ЭП). В-третьих, на некоторых скважинах необходимо постепенно увеличивать частоту качаний после пуска скважины из-за большого содержания песка в откачиваемой жидкости. Решение задач, возникающих при эксплуатации насосных скважин с регулируемым режимом работы, возможно на основе применения регулируемого ЭП, позволяющего переходить с одного режима работы на другой без остановки скважины.

В данной статье развивается методика синтеза системы векторного управления ЭП переменного тока, разработанная профессорами А.М. Абакумовым, П.К. Кузнецовым, Ф.Н. Рассказовым в Самарском государственном техническом университете [1]. Целью статьи является моделирование работы ЭП станка-качалки и получение графиков переходных процессов в программном пакете Matlab.

1. Основные элементы скважинной насосной установки и ее технические характеристики

В качестве объекта управления (ОУ) рассмотрим ЭП переменного тока станка-качалки ПНШ 60-2,1-25 (рис. 1) на основе асинхронного ЭД 5А160М8 номинальной мощностью . Технические характеристики установки приведены в табл. 1. В глубиннонасосной установке (рис. 1, а) плунжерный глубинный насос 1 подвешивается на колонне насосных труб 3. При помощи колонны штанг 4 плунжеру насоса сообщается возвратно-поступательное движение с передачей энергии от балансира 7. Станок-качалка с ЭД 12 и редуктором 10 преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное движение балансира. Насос (рис. 1, б) содержит цилиндр 3, внутри которого перемещается плунжер 4. При ходе плунжера вверх открывается нижний (приемный) клапан 5 при закрытом верхнем клапане 2. Жидкость из скважины засасывается в цилиндр насоса.

Рис. 1. Основные элементы глубиннонасосной установки (а) и плунжерного насоса (б)

При ходе плунжера вниз клапан 5 закрывается, а нефть через открывающийся клапан 2 выдавливается в пространство насосных труб, идущих от устья скважины, к которым прикреплен насос с помощью верхней муфты 1. Колонна штанг в нижней части соединена с плунжером насоса 2 (рис. 1, а), а на устье скважины она через устьевой шток 5 связана с головкой 6 балансира станка-качалки. Балансир 7 с помощью шатунов 8 соединен с кривошипами 9, вал которых через редуктор 10 и клиноременную передачу 11 связан с ЭД 12. Для уравновешивания нагрузки ЭД применены балансирный 13 и кривошипный 14 противовесы. Частоту качаний балансира можно изменить установкой шкивов различных диаметров у клиноременной передачи 11.

Таблица 1

2. Расчет параметров структурной схемы асинхронного ЭД

Параметры структурной схемы (СС) системы векторного управления асинхронным двигателем [1] рассчитаны на основе паспортных данных асинхронного ЭД (табл. 2) и приведены в табл. 3.

Таблица 2 Параметры асинхронного двигателя 5А160М8

При векторном управлении используется информация о мгновенных значениях пространственных векторов, и система управления асинхронным ЭД строится аналогично системе управления ЭД постоянного тока. СС имеет пять контуров. Внутренним является контур регулирования тока. СС дополнена контуром преобразования трёхфазной системы в двухфазную во вращающейся системе координат и контуром компенсации перекрёстных связей.

3. Расчет регуляторов системы подчиненного регулирования

Контур регулирования фазного тока и потокосцепления ротора ш2

Расчет контуров регулирования фазного тока и потокосцепления ротора выполняется по методике, изложенной в [1], и не представляет особых затруднений. При этом контуры настраиваются на приближенный технический оптимум (ТО), а регуляторы, полученные в результате расчета, представляют собой: электропривод ток пластовый жидкость

регулятор токового контура

- ПИ-регулятор,

контура регулирования потокосцепления ротора

- ПИ-регулятор.

Расчет контура регулирования момента

Особый интерес представляет контур регулирования момента. Нагрузка приводного ЭД при ходе плунжера вверх и вниз резко отличается, что значительно ухудшает энергетические показатели. При ходе плунжера вверх в точке подвеса штанг приложена статическая нагрузка, создаваемая весом столба жидкости над плунжером, весом штанг и силами трения. Последние обусловлены трением плунжера о стенки цилиндра насоса, трением штанг о жидкость и внутреннюю поверхность насосных труб, гидравлическими сопротивлениями при перемещении жидкости через насос и трубы. Эта нагрузка не прикладывается внезапно, а постепенно возрастает в начальный период хода вверх благодаря демпфирующему действию упругих деформаций штанг и труб. Кроме статической нагрузки к точке подвеса

Таблица 3 Параметры структурной схемы векторного управления асинхронным ЭД

штанг оказываются приложенными динамические силы, возникающие вследствие инерционных свойств масс штанг и столба жидкости и их продольных колебаний. Результирующая сила, приложенная в точке подвеса штанг, при ходе плунжера вверх направлена против движения и создает момент сопротивления, который преодолевается ЭД. При ходе плунжера вниз результирующая статическая нагрузка в точке подвеса штанг действует в направлении движения и разгружает ЭД. Она определяется весом штанг за вычетом веса занимаемого ими объема жидкости и сил трения. Вес жидкости над плунжером не действует на штанги. Так как верхний клапан насоса открыт, а нижний закрыт, то этот вес через нижний клапан передается насосным трубам. При изменении направления движения плунжера усилие в точке подвеса штанг не принимает мгновенно своего установившегося значения, а постепенно убывает вследствие упругих деформаций штанг и труб. Момент, обусловленный динамическими силами, при ходе плунжера вниз направлен против движения. За один цикл работы насоса, составляющий 6 с, график (рис. 2) имеет два максимума и два минимума. Максимумы относятся к средним положениям балансира, а минимумы - к крайним. По пиковым значениям тока статора двигателя при ходе плунжера вверх и можно судить о моментах. У применяемых для привода станков-качалок асинхронных ЭД при достаточно большой загрузке ток статора и момент можно принимать пропорциональными друг другу.

Рис. 2. График тока нагрузки ЭД станка-качалки

График тока нагрузки (рис. 2) аппроксимируем следующим выражением:

.

Переходя к изображению по Лапласу, получим ПФ тока нагрузки:

С учетом периодичности процесса получим следующую ПФ:

(3)

СС контура регулирования момента представлена на рис. 3. Уравнение контура определяется выражением

,

где - конструктивный коэффициент; - коэффициент передачи датчика момента, Вб - потокосцепление ротора при номинальных значениях параметров питающей сети.

Данный контур настраиваем на ТО и определяем ПФ регулятора момента и ПФ замкнутого контура регулирования момента.

- И-регулятор.

ПФ замкнутого контура регулирования момента вычислим по выражению

.

Рис. 3. Структурная схема контура регулирования момента

Контур регулирования скорости

Расчет контура регулирования скорости выполняется по методике, изложенной в [1]. ПФ регулятора скорости определяется выражением

- ПИ-регулятор.

Контур регулирования расхода перекачиваемой пластовой жидкости

Контур регулирования расхода настраиваем на ТО

.

ПФ контура регулирования расхода определяется выражением

,

где , .

Тогда ПФ регулятора расхода

- И-регулятор.

4. Моделирование работы ЭП в MATLAB

Моделирование работы ЭП станка-качалки выполнено в пакете MATLAB. Модели контуров регулирования составлены на основе СС, представленной на рис. 3 и в [1]. Графики переходных процессов в контуре регулирования момента представлены на рис. 4-5.

Рис. 4. График переходного процесса в контуре регулирования момента на скачок управляющего воздействия

Рис. 5. График переходного процесса в контуре регулирования момента на скачок возмущающего воздействия

Заключение

Моделирование частотно-регулируемого ЭП переменного тока в системе неподвижных и вращающихся координат позволяет применить типовые настройки контуров регулирования на ТО и СО. Полученные динамические характеристики ЭП штанговой скважинной насосной установки удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системе управления приводом станка-качалки.

Представленный расчет системы управления позволит использовать ЭД в режиме оптимальной мощности, что приведет к экономии потребляемой электроэнергии и уменьшению износа оборудования.

Библиографический список

1. Применение регулируемого электропривода в технологиях транспорта газа и нефти. Кн. 1 / Г.Р. Шварц, А.М. Абакумов, Л.А. Мигачева и др.; Под ред. Э.Я. Рапопорта. - М.: Машиностроение, 2008. - 240 с.: ил.

2. Молчанов А.Г. Станки-качалки: проблемы и перспективы совершенствования // Промышленные ведомости. - 2007. - №10.

3. Сигова О.Б. Оптимальное управление техническими системами: учеб. пособ. - СПб.: Изд-во ПЭИПК, 2006. - 91 с.

Аннотация

Рассматриваются вопросы разработки системы векторного управления электроприводом переменного тока штанговой скважинной насосной установки. Приведены технические характеристики станка-качалки и электропривода. Рассчитаны контуры регулирования тока, потокосцепления, момента, скорости электропривода и расхода пластовой жидкости.

Ключевые слова: штанговая скважинная насосная установка, электропривод, система векторного управления.

In this article, the questions of engineering of vector control system by an alternating current electrical drive of well pump object are considered. The technical characteristics of the well pump object and the electrical drive are resulted. Contours of regulation of current, flow, moment, speed of the electric drive and the charge stratum liquids are calculated.

Key words: well pump object, the electrical drive, vector control system.

Размещено на Allbest.ru