Разработка и настройка наблюдателя полного порядка для электротехнического комплекса «кабельная линия - асинхронный двигатель»

Abstract

Актуальность. В связи с тем, что запасы нефти, не требующие для своей добычи высоких энергозатрат, снижаются, количество фонтанирующих скважин становится меньше, а обводненность добываемого флюида увеличивается, перед специалистами нефтедобывающих компаний встает задача - максимально уменьшить все виды энергозатрат, обеспечив повышение рентабельности добычи нефти. Одним из методов снижения энергетических затрат при добыче нефти из низко- и среднедебитных скважин является перевод скважины, оборудованной установкой электроцентробежного насоса, с режима непрерывной эксплуатации на режим периодической эксплуатации скважины и в частности ее подтипа - циклической эксплуатации скважины, которая характеризуется чередованием кратковременных периодов извлечения (до 15 минут) и накопления (до 30 минут) нефти на забое скважины. При переводе скважины на циклическую эксплуатацию происходит снижение потребления электроэнергии погружным электродвигателем до 40 % и увеличение добычи нефти до 3 % за счет частичной гравитационной сепарации добываемого флюида на этапе накопления. В свою очередь, негативным эффектом от перевода скважины на циклическую эксплуатацию является уменьшение среднего срока наработки на отказ из-за увеличения бросков тока и момента при интенсивном разгоне вала погружного электродвигателя до номинальной скорости. Решением данных проблем будет переход от разомкнутой скалярной к векторной бездатчиковой системе управления. Для реализации векторной системы управления необходимо получить информацию о переменных состояния погружного электродвигателя. Учитывая основные достоинства и недостатки прямого измерения и косвенного оценивания переменных состояния, перспективным способом получения информации можно считать построение наблюдателя полного порядка на основе явных математических моделей. На основании вышеизложенного разработка наблюдателя полного порядка электротехнического комплекса «кабельная линия - асинхронный двигатель», а также методики его настройки является актуальной задачей, решение которой позволит создать предпосылки для реализации векторной системы управления погружным электродвигателем. Цель: разработать и экспериментально подтвердить работоспособность наблюдателя полного порядка для электротехнического комплекса «кабельная линия - асинхронный двигатель». Методы: анализ литературных источников, системный анализ, математическое моделирование, экспериментальное исследование. Результаты. Была проведена разработка и экспериментальное испытание наблюдателя полного порядка для электротехнического комплекса «кабельная линия - асинхронный двигатель». Результаты данного исследования подтверждают работоспособность наблюдателя и возможность его применения для реализации векторной системы управления погружным электродвигателем

The relevance. The task of oil production specialists is to minimize all types of energy consumption, ensuring an increase in oil production profitability because of the following reasons. First of all, availability of oil reserves with low energy consumption decreases, and the number of gushing wells reduces, along with increase in water content in the extracted liquid. One of the methods of reducing energy consumption in wells with low and moderate flow rate, equipped with electric submersible pumps, is a well transfer from continuous to periodic operation mode, namely cyclic well operation. This involves alternating short periods of oil production (up to 15 minutes) with liquid accumulation (up to 30 minutes) in the wellbore. Well switching to a cyclic operation mode leads to a 40 % reduction in electric power consumption by the submersible electric motor, as well as increase in oil production up to 3 %. This can be achieved by partial gravitational separation of the extracted liquid at the accumulation stage. However, a negative consequence of switching to a cyclic operation mode is a reduction in an average time between failures. This is due to increase in current surges and torque during rapid acceleration of the submersible electric motor to the rated speed. Transition from a scalar control system with an open loop to a vector control system without sensors can settle these problems. To implement a vector control system, it is necessary to obtain information about the state variables of a submersible electric motor. Construction of a full-order observer based on explicit mathematical models is considered as a promising method of obtaining information, taking into account the main advantages and disadvantages of direct measurement and indirect estimation of state variables. Based on the above, the urgent task is to develop a full-cycle observer for the electromechanical complex «cable line - induction motor» and a methodology for its configuration. The settlement of this issue will create prerequisites for implementation of a vector control system by a submersible electric motor. The main aim: to develop and experimentally validate the effectiveness of a full-order observer for the electrical complex «cable line - induction motor» using voltage and current measurements at a cable line input. Methods: literature analysis, system analysis, mathematical modeling, experimental research. Results. The authors have developed and tested a full-order observer for the «cable line - induction motor» electrical complex. The results of this study confirm the efficiency of the developed observer and its potential applicability for implementing a vector control system for electric submersible pumps. Ultimately, this will enable the transition of low- and medium-flow-rate oil wells to a cyclically operated mode without a significant reduction of the mean time between failures