Насос — наиболее распространенное оборудование на нефтяных месторождениях. Потребность такого агрегата в энергии превышает 40% от общего энергопотребления. Из-за периодических колебаний нагрузки на один насос общая нагрузка на всю системы составляет не более 30%. А это приводит к серьезным потерям электроэнергии.
Первоначальную мощность системы обеспечивает электродвигатель, который преобразует электрическую энергию в механическую. Поэтому такая характеристика как энергосбережения мотора напрямую влияет на энергоэффективность насосной системы. Разберем, как проанализировать принцип энергопотребления двигателя, чтобы разработать наиболее эффективный план работы агрегатов.
Анализ энергосбережения двигателя и энергопотребления
Для начала необходимо выяснить, двигатель какого типа применятся для запуска насосов. Это поможет выявить причины высокого энергопотребления.
Механизм энергопотребления двигателя
Все электромоторы можно разделить на две большие категории по источнику питания: двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока.
Двигатели постоянного тока отличаются плавной регулировкой скоростей, хорошими пусковыми характеристиками и экономичностью. В основном они используются в оборудовании с определенными требованиями к изменению скоростей и пневматике.
Двигатели переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные двигатели в зависимости от частоты подачи питания и числа оборотов.
В синхронных двигателях соотношение между частотой питания и скоростью мотора — это фиксированная величина, которая не меняет при изменении нагрузки. При этом в таких моторах можно регулировать коэффициент мощности, чтобы контролировать реактивную мощность в режиме холостого хода.
В асинхронных моторах скорость двигателя всегда меньше скорости вращения магнитного поля, которое генерируется источником питания. По разнице в количестве фаз обмотки статора асинхронные двигатели можно разделить на 1-, 2-, 3- или многофазные. однофазные и трехфазные асинхронные двигатели. Чем больше фаз, тем мощнее двигатель.
Потери энергии в двигателях в основном включают в себя:
- Постоянные — обусловлены различными конструктивными параметрами, включая скорость, конструкцию, производственный процесс и материалы и т.д.
- Потери в нагрузке — возникают при прохождении тока через обмотку ротора и статор. Это значение определяется сопротивлением обмотки и током нагрузки, на которые приходится от 20% до 70% общих потерь.
- Случайные потери — составляют примерно 10-15% от общих потерь и происходят в основном через сердечник и кабели из-за Это потеря металлических деталей, таких как сердечник и проволока, из-за высоких гармоник ротора и статора.
Анализ причин высокого потребления и низкой эффективности
Статистический анализ текущего состояния нефтепромысловых насосных агрегатов показывает, что основные причины высокого потребления электроэнергии и низкой эффективности — это:
- использование большого количества старых двигателей;
- их неправильное согласование в единой системе;
- нарушения требований по техпроцессам.
Сегодня многие нефтедобывающие предприятия используют двигатели, которые были установлены 20-30 лет назад. Технические характеристики таких агрегатов не соответствуют современным требованиям. Из-за этого снижается КПД электромотора по сравнению с новыми высокоэффективными и энергосберегающими двигателями.
Кроме того, ошибки возникают и при выборе нового электродвигателя. Например, по его типу, мощности, скорости и крутящему моменту. Все это приводит к скачкам нагрузки на насосный агрегат, разнице в крутящих моментах и снижению производительности.
Характеристики нагрузки на насосный агрегат
При работе насосного агрегата подъем нефтяного столба требует высокой мощности. Но на дне скважины из-за свободного падения жидкости мощность не требуется. Чтобы соблюсти баланс нагрузки на насос, в агрегате используют специальный балансировочный блок. Зависимость между вращением кривошипа и суммарным крутящим моментом формирует кривую нагрузки насосного агрегата. При этом кривая меняется в зависимости от типа нефтяных скважин и условий их эксплуатации.
Нагрузка на масляный насос колеблется с определенной периодичностью. Частота колебаний зависит от количества ходов поршня. При нормальных условиях частота хода масляного насоса составляет от 6 до 12 раз в минуту, а период колебаний составляет от 5 до 19 секунд.
Балансировочный крутящий момент имеет синусоидальную форму, но крутящий момент нагрузки неравномерен. Когда кривая суммарного крутящего момента нагрузки показывает отрицательную мощность, двигатель переходит в режим торможения при выработке энергии. В течение одного цикла кривой крутящего момента нагрузки среднее значение составляет 1/3 от максимального значения. При этом как в верхнем, так и в нижнем ходе имеется так называемая мертвая точка.
Ввиду специфики нагрузки насосного агрегата использование обычных асинхронных двигателей часто приводит к простоям. Насосный агрегат запускается с нагрузкой, близкой к мертвой точке, и имеет большой момент инерции. Чтобы обеспечить бесперебойный ход производства, в процессе выбора двигателя в качестве эталонного значения необходимо использовать максимальный крутящий момент.
Однако после перехода к нормальному режиму работы средний крутящий момент составляет всего 1/3 от максимального. Это приводит к тому, что двигатель всегда работает на треть номинальной мощности. Кроме того, из-за естественных загрязнений в скважине двигатель приходится часто менять, что он не перегорел в процессе запуска.
Коэффициент загрузки насосного агрегата обычно составляет около 20%, и его можно поддерживать на относительно высоком уровне в 30%. Слишком низкая производительность не позволяет повысить КПД двигателя и снизить коэффициент мощности. Из-за периодических колебаний нагрузки на насосный агрегат частота вращения двигателя также колеблется, увеличивая его потери.
Процесс энергосбережения и преобразования
Анализ асинхронных двигателей показывает, что при постоянной частоте крутящий момент нагрузки — фиксированная величина. Существует значение напряжения, которое его оптимизирует. Тем самым достигается максимальный КПД при минимальных потерях. Входная мощность и изменение напряжения распределены по обратной параболе. Ввиду периодических колебаний рабочей нагрузки насосного агрегата, для достижения оптимальной работы в каждой точке кривой входное напряжение двигателя должно изменяться с изменением крутящего момента.
