Частотно-регулируемый электропривод центробежных насосных установок добычи нефти

Abstract

Актуальность работы обусловлена необходимостью снижения аварийности частотно-регулируемых асинхронных электроприводов центробежных насосных установок добычи нефти вследствие перегрева асинхронных двигателей. Цель: исследовать частотно-регулируемые электроприводы центробежных насосных установок добычи нефти, работающих при скорости выше номинальной. Методы исследования основаны на использовании теории автоматического управления и имитационного моделирования в программной среде MatLab-Simulink. Результаты. Составлена схема имитационного моделирования скалярного частотно-регулируемого асинхронного электропривода центробежных насосных установок добычи нефти, учитывающая основные особенности реального электропривода. Расcчитаны механические характеристики электропривода насосной установки. Определены возможные диапазоны регулирования скорости электропривода насосной установки исходя из допустимых потерь мощности в установившихся и переходных режимах. Выводы. Несмотря на то, что статическая механическая характеристика электропривода с частотой напряжения преобразователя 30 Гц является минимально возможной для добычи нефти с помощью погружных насосов, диапазон регулирования скорости в асинхронном электроприводе погружного насоса необходимо расширить до D=1:10 для плавного пуска электропривода. Установлено, что для уменьшения ударных моментов при пуске асинхронного частотно регулируемого электропривода темп роста частоты на выходе задатчика интенсивности должен составлять несколько десятков секунд даже при пуске на минимальную рабочую скорость электропривода. Неизбежное завышение по мощности асинхронного двигателя для погружного центробежного насоса при его выборе как ближайшего большего из ряда номинальных значений позволяет электроприводу насоса с частотным регулированием скорости работать без перегрева на статических характеристиках выше номинальной. Установлено, что в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе центробежного насоса возможное повышение скорости на 10-12 % от номинальной позволяет увеличить объем добычи нефти без замены оборудования.

Relevance of the work is caused by the need to create reliable frequency-controlled variable speed asynchronous induction motor drives of centrifugal pumping units for oil lifting. The main aim of the research is to study the frequency-controlled electric drives of centrifugal pumping units for oil lifting that operate at a speed higher than the nominal (rated) one. Methods of the research are based on the use of the automatic control theory and simulation in the MatLab - Simulink software environment. Results. The authors have made up the block scheme for simulation of a scalar frequency-controlled asynchronous induction motor drive of centrifugal pumping units for oil lifting. The scheme takes into account the main features of the real electric drive. The authors calculated mechanical characteristics of the electric drive of the pumping unit and determined the accessible ranges for controlling the speed of the electric drive of the pump unit based on the allowable power losses in steady-state and transient modes. Findings. Despite the fact that the static mechanical characteristic of an electric drive with ac converter frequency of 30 Hz is the minimum possible for oil lifting using submersible pumps, the range of speed control in an asynchronous induction motor drive of a submersible pump must be expanded to D=1:10 for a soft starting of the electric drive. It was found that in order to reduce high torque when starting an asynchronous frequency-controlled induction motor drive the frequency ramp-up rate at the output of the ramp generator should be several tens of seconds even for starting at the minimum operating speed of the electric drive. It was established that the inevitable power overrating of the induction motor for a submersible centrifugal pump, when it is selected as the closest higher one from a series of nominal values, allows the electric drive of the pump with frequency speed control to work without overheating on static characteristics above the nominal (rated) one. It was found that in frequency-controlled asynchronous induction motor drives the increase in the pump electric drive speed as a rule does not exceed 10-12 % of the nominal (rated) one, which allows increasing oil lifting output without upgrading the electric drive equipment.