20. Электропривод глубиннонасосных штанговых установок для добычи нефти (станков – качалок)

Область экономически целесообразного применения того или иного вида насосной установки определяется суточной производительностью скважины и глубиной подвески насоса. Для станков-качалок (СК) эта область характеризуется суточной производительностью от 5 до 50 м³/сут. при глубине подвески до 1600 м или производительностью 300 м³/сут. при меньшей глубине подвески. Плунжерный глубинный насос 1 станка-качалки подвешивается на колонне насосных труб 3 (рис. 20.1). Плунжеру 2 насоса сообщается возвратно-поступательное движение с передачей энергии от балансира (7) станка-качалки

при помощи колонны штанг 4. Станок-качалка имеет асинхронный электродвигатель 12 с короткозамкнутым ротором с повышенным пусковым моментом, обеспечиваемым за счет специальной конструкции обмотки ротора: двойной беличьей клетки или глубокопазной обмотки. Кроме ЭД станок-качалка имеет редуктор 10. Колонна штанг станка-качалки на устье скважины через шток соединена с головкой балансира 6. Балансир с помощью шатунов связан с кривошипами, вал которых через редуктор и клиноременную передачу 11 связан с ЭД. Изменяя расстояние от кривошипа до места присоединения шатунов к кривошипу, можно регулировать ход полированного штока и длину хода плунжера насоса. Балансирный 13 и кривошипный 14 противовесы служат для уравновешивания нагрузки подвижной системы станка-качалки и двигателя при ходе колонны штанг вниз и вверх.

Рис. 20.1 Конструктивная схема станка-качалки.

Частоту качаний балансира можно изменять путем установки шкивов различных диаметров у клиноременной передачи. Мощность ЭД для привода станков-качалок находится в диапазоне 1,7-45 кВт.

Режим работы ЭД станка-качалки характеризуется резко пульсирующей нагрузкой и непрерывными переходными процессами. Характер изменения нагрузки (момента сопротивления и мощности нагрузки) на валу ЭД определяется законом изменения скорости и усилия в точке подвеса штанг к балансиру. Этот закон близок к синусоидальному. Одна полуволна синусоиды соответствует движению головки балансира вверх, вторая полуволна – движению вниз (рис.20.2). За один цикл работы насоса или одно качание график нагрузки имеет два максимума и два минимума. Максимальное значение скорости соответствует средним, а минимальные – крайним положениям балансира. При ходе плунжера вверх к точке подвеса штанг приложена статическая нагрузка, создаваемая весом столба жидкости над плунжером, весом самих штанг и силами трения. Эта нагрузка постепенно возрастает в начальный период хода вверх, благодаря демпфирующему действию упругих деформаций штанг и труб. При ходе плунжера вниз статическая нагрузка в точке подвеса действует в направлении движения и разгружает двигатель, она определяется весом штанг за вычетом веса занимаемого ими объема жидкости и сил трения.

Результирующий момент сопротивления, приведенный к валу двигателя, зависит от положения кривошипа. Амплитудные значения момента сопротивления и мощности нагрузки на валу ЭД значительно отличаются друг от друга при ходе плунжера вверх и вниз. Такой режим работы невыгоден для ЭД станка-качалки и для питающей его сети. Для ЭД он не выгоден потому, что при преодолении пиков нагрузки при движении плунжера вверх двигатель перегружается, а при снижении его мощности во время движения плунжера вниз двигатель оказывается недогруженным и работает с пониженным значением коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента мощности cos. Для того чтобы при преодолении пиков нагрузки двигатель не перегревался выше допустимой температуры, приходится завышать мощность ЭД, тогда при движении плунжера вниз недогрузка ЭД становится еще больше. Для питающей сети такой режим невыгоден, потому что пики нагрузки приводят к колебаниям тока в сети и колебаниям напряжения. Поэтому станок-качалка должен быть уравновешен, при этом выравнивают нагрузку электродвигателя при ходе плунжера вверх и вниз.

Рис.20.2. Графики изменения мощности нагрузки на валу двигателя:

а) неуравновешенный станок-качалка;

б) уравновешенный станок-качалка.

Уравновешивание осуществляется специальными противовесами, которые устанавливают либо на плече балансира, противоположном точке подвеса штанг, либо на кривошипах. В первом случае уравновешивание называют балансирным, а во втором случае – кривошипным, применяют и комбинированное уравновешивание. Противовесы создают дополнительные моменты относительно оси вращения кривошипа. Эти моменты являются движущими при ходе плунжера вверх и тормозящими при ходе плунжера вниз. В первую половину цикла при ходе плунжера вверх ЭД разгружается за счет дополнительных моментов, создаваемых противовесами, а во вторую половину цикла он догружается. Величины противовесов выбирают так, чтобы обеспечивалось равенство моментов сопротивления или мощностей нагрузки ЭД за оба полуцикла. В последние годы в практику нефтедобывающих предприятий начинают внедряться методы контроля балансировки по сигналам с датчиков тока или датчиков мощности, устанавливаемых в цепи питания электропривода станка-качалки. В этом случае показания амперметра во времени будут изменяться, достигая максимальных значений при средних положениях балансира. При идеальном уравновешивании должно соблюдаться условие:

I_в.max=I_н.max,

где I_в.max – пиковое значение тока статора при движении плунжера вверх; I_н.max – пиковое значение тока статора при движении плунжера вниз.

Степень неуравновешенности  станка-качалки определяется формулой

Cчитается, что станок-качалку следует доуравновешивать, если .

Электродвигатели для станков-качалок

Используемые в электроприводе станка-качалки асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором серии 4А, 5А, АИР и др. имеют повышенный пусковой момент , который обеспечивается за счет специальной конструкции обмотки ротора (это может быть или глубокопазная обмотка при соотношении размеров сечения 10:1 или двойная беличья клетка), причем внутренняя клетка выполнена из меди, а наружная из латуни, имеющей большее удельное сопротивление, чем медь. Для повышения пускового момента используется эффект вытеснения тока на поверхность при пуске электродвигателя. Двухскоростные асинхронные двигатели серии 5А, используемые для малодебитных скважин, имеют синхронные частоты вращения 500 и 1000 об/мин и мощности на валу от 11 до 25 кВ.

В момент пуска двигателя, когда скольжение S=1, а частота тока f₂ в роторе равна частоте тока f₁ сети (f₂ = f₁) и имеет наибольшее значение, индуктивное сопротивление нижней части каждого стержня глубокопазной обмотки ротора (рис.20.3,а) значительно больше верхней. Объясняется это тем, что нижняя часть стержня сцеплена с большим числом магнитных силовых линий поля рассеяния. Различие индуктивных сопротивлений различных частей стержня приводит к тому, что ток вытесняется в наружный слой паза. При этом почти весь ток ротора проходит по верхней части стержня, поперечное сечение которой намного меньше сечения всего стержня. Это равноценно увеличению активного сопротивления стержня ротора, что способствует росту пускового момента двигателя и ограни­чению пускового тока. По мере нарастания скорости вращения ротора при разгоне скольжение S уменьшается, а частота тока в роторе убывает (f₂ = Sf₁). В связи с этим уменьшается индук­тивное сопротивление обмотки ротора x₂ ≡ f₂. Распределение плотности тока по высоте стержня обмотки ротора в этом случае становится более равномерным, что ведет к уменьшению активного сопротивления ротора. При работе двигателя с номинальной частотой вращения, когда f₂ =1-2 Гц << f₁, процесс «вытеснения» тока практически прекраща­ется и двигатель работает как обычный короткозамкнутый. Номинальный момент асинхронного двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения сети U_c:

M_{ном.двиг.} U .

Эффект вытеснения тока хорошо проявляется при пазах рото­ра бутылочной формы. В этом случае «вытесне­ние» тока происходит в верхнюю часть паза, имеющую меньшее сечение, а следовательно, большее активное со­противление. Применение пазов бутылочной формы позволяет сократить высоту пазов ротора, а следовательно, уменьшить диаметр ротора по сравнению с глубокопазным ротором.

Еще лучшими пусковыми свойствами обладают асинхронные двигатели с двумя короткозамкнутыми клетками на роторе (рис.20. 3, б): рабочей клеткой 2, стержни которой расположены в ниж­нем слое, и пусковой клеткой 1, стержни которой расположены в верхнем слое, ближе к воздушному зазору.

Рис.20.3 Сечение стержней обмоток ротора с

улучшенными пусковыми характеристиками

Стержни пусковой клетки обычно выполняют из латуни или бронзы – материалов, обладающих более высоким, чем у ме­ди, активным сопротивлением. Индуктивное сопротивление рас­сеяния пусковой клетки 1 невелико, так как ее стержни расположе­ны вблизи воздушного зазора и к тому же с двух сторон имеют воздушные щели (рис.20.3, б). Стержни рабочей клетки выполня­ют из меди, и по сравнению со стержнями пусковой клетки они имеют большее сечение. Это обеспечивает рабочей клетке малое активное сопротивление. Но зато индуктивное сопротивление ра­бочей клетки больше, чем у пусковой, особенно в начальный период пуска, когда частота тока в роторе f₂ =50 Герц.

В момент пуска двигателя ток ротора проходит в основном по верхней (пусковой) клетке, обладающей малым индуктивным со­противлением. При этом плотность тока в стержнях пусковой клетки намного больше плотности тока в стержнях рабочей клетки 2. Повышенное активное сопротивление этой клетки обеспечивает двигателю значитель­ный пусковой момент при пони­женном пусковом токе. По мере увеличения частоты вращения ро­тора уменьшается частота тока в роторе, при этом индуктивное со­противление рабочей клетки уменьшается, и распределение плотности тока в стержнях пусковой и рабо­чей клеток становится почти оди­наковым. В итоге происходит пере­распределение вращающего момента между клетками: если в начальный период пуска момент создается главным образом токами пусковой клетки, то по окончании периода пуска вращающий момент создается в основном токами рабочей клетки. Так как активные сопротивления клеток ротора неодинаковы, то зависимость момента двигателя от скольжения M = f(s) этих клеток изображается разными кривыми (рис.20.4). Максимальное значение момента пусковой клетки вследствие ее повышенного активного сопротивления смещено в сторону скольжений, близких к единице (пуск двигателя). Вращающие моменты от обеих клеток направлены в одну сторону, поэтому результирующий момент двигателя равен сумме моментов пусковой М_п.к и рабочей М_р.к клеток

М = М_п.к + М_р.к.

Рис.20.4. Механическая характеристика двухклеточного

асинхронного двигателя

Кроме асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором на станках-качалках могут быть установлены синхронные двигатели, которые позволят регулировать коэффициент мощности сети cos при эксплуатации в режиме перевозбуждения, что будет способствовать снижению энергозатрат.

Выбор мощности ЭД станков-качалок

При выборе мощности ЭД возможны две задачи.

Первая задача возникает при уточнении мощности ЭД станка-качалки. Такой случай возможен при отклонении дебита скважины от запланированного, а также при изменении режима работы скважины. В этом случае подбор ЭД целесообразно производить по нагрузочной диаграмме мощности или момента. Режим работы ЭД длительный с циклически изменяющейся нагрузкой. Для выбора мощности ЭД достаточно рассмотреть один цикл работы (одно качание) и привести переменную нагрузку к неизменной стандартной. При этом используется один из методов: метод эквивалентного момента, эквивалентной мощности или эквивалентного тока.

График нагрузки одного цикла, например график изменения мощности, разбивается на несколько временных интервалов длительностью t₁, t₂ и т.д. В каждом временном интервале определяется среднее значение мощности P.

Эквивалентную или эффективную мощность Р_э электродвигателя определяют по формуле

где t₁, t₂ – время интервалов;

Р₁, Р₂ – средние значения мощности в интервале.

Требуемая номинальная мощность электродвигателя Р_{ном.двиг.} определяется по условию

Р_{ном.двиг.} Р_э .

График нагрузки на валу двигателя может быть получен по показаниям ваттметра, установленного в одной из фаз статора двигателя.

Вторая задача возникает при расчете мощности ЭД для вновь вводимой скважины. В этом случае для определения эффективной мощности нагрузки обычно используют эмпирические формулы с учетом величины подачи насоса, глубины подвески насоса и технических параметров станка-качалки.

Выбранный по условиям нагрева двигатель не во всех случаях будет удовлетворять требованиям работы в приводе станка-качалки. Он должен удовлетворять условиям пуска станка-качалки и обеспечивать преодоление пиков нагрузочного момента при работе установки. При пуске станка-качалки ЭД должен развивать момент, обеспечивающий преодоление статического момента сопротивления и момента необходимого для разгона до установившейся скорости. Статический момент сопротивления при пуске превышает момент при установившемся режиме за счет увеличенных сил трения, обусловленных заеданием движущихся частей двигателя, выжиманием смазки, а также возможным наличием песчаных пробок.

Протекание пускового процесса, обычно не превышающего 10 с, зависит от начального положения кривошипа и от того, как изменяется нагрузка после пуска.

Для нормальной работы СК (при хорошем уравновешивании) кратность максимального момента λ=M_max/М_ном должна находиться в пределах 1,8-1,9. Обычно значение λ у АД станков-качалок составляет 2,1-2,8, что обеспечивает надежную работу электропривода с перегрузками и при снижении напряжения в сети.