Improving sucker rod pump efficiency using frequency controlled induction motor

Abstract

Актуальность. В установках со штанговыми насосами стоимость электроэнергии, потребляемой приводным электродвигателем, составляет существенную долю затрат в общих эксплуатационных расходах на добычу нефти. Очевидно, что снижение энергопотребления электродвигателем приведёт к снижению эксплуатационных расходов. Поскольку штанговые насосы доминируют в нефтедобывающей отрасли, можно ожидать, что любые средства, обеспечивающие снижение потребления энергии, принесут значительную экономическую выгоду и позволят достичь целей и стандартов энергоэффективности. Анализ энергопотребления показывает, что из-за потерь в двигателе, наземной установке и колонне насосных штанг мощность, необходимая для подъема нефти на поверхность, ощутимо меньше мощности, потребляемой приводным двигателем. Асинхронные двигатели, широко используемые в штанговых насосных установках, работают с переменной нагрузкой, при этом среднецикловый КПД и коэффициент мощности значительно меньше номинального значения. Таким образом, спрос на повышение эффективности электропривода штанговых насосов очевиден. При использовании преобразователей частоты это требование может быть удовлетворено за счет уменьшения потерь в двигателе посредством коррекции закона частотного управления. Основной целью исследования является разработка максимально эффективной по энергозатратам стратегии управления асинхронным частотно-управляемым электродвигателем штангового насоса на цикле работы механизма с переменной нагрузкой. Объекты: частотно-регулируемый асинхронный электропривод, штанговый насос, нефтедобывающая скважина. Методы: имитационное моделирование комплекса, состоящего из преобразователя частоты, асинхронного двигателя (с учетом потерь в стали), штангового насоса; аналитическое формирование оптимизированной траектории намагничивающей составляющей тока статора на цикле работы агрегата в системе векторного управления двигателем. Результат. С использованием интегрированной имитационной модели сравнивались энергозатраты штанговой насосной установки при работе при номинальном потоке и при оптимизированной траектории намагничивающей составляющей тока статора. Результаты моделирования показывают, что около 1,6 % необходимой энергии может быть сэкономлено при работе штангового насоса на основе рассчитанной оптимальной траектории намагничивающего тока.

In sucker rod pump installations, the cost of the prime mover's power use has substantial effect on the overall operational cost. Reduction in power consumption can lead to reduction in operating cost. Hence, as the sucker rod pump is dominant in the oil industry, any means which reduces the energy consumption can produce considerable economic benefit and help to meet the energy efficiency targets and standards. Due to the losses in the prime mover, surface transmission, and sucker rod string the power required to lift oil to the surface is always less than the power input to the prime mover. Induction motors, which are widely used as prime movers in sucker rod pump installations, operate at significantly lower efficiency and at a load lower than their rated capacity. Therefore, the demand for efficiency improvement is readily seen. This demand can be achieved by controlling motor losses through AC-DC-AC converter. The main aim of the research is to develop control strategy that helps to operate the sucker rod pump drive at optimal efficiency. Objects: electrical drive, sucker rod pump, oil producing well. Method: integrated simulation model consisting of the models of AC-DC-AC converter, induction motor including iron loss, sucker rod pump; vector control; generation of optimal magnetizing current trajectory for one cycle of pump operation. Result. The energy consumption of sucker rod pump unit for operation at rated flux and the one based on optimal magnetizing current trajectory were compared using an integrated simulation model. The simulation results indicate that about 1,6 % of the required energy can be saved when the sucker rod pump is operated based on the calculated optimal magnetizing current trajectory.