О бально-Рейтинговой системе в преподавании теоретических основ электротехники с.В. Чигвинцев

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г.Уфа)

Для стимуляции ритмичной работы в течение семестра (в соответствии с графиком изучения дисциплины) ведется рейтинговая 10-бальная система оценки текущей успеваемости (0, 1, 2, 2+=2.5, 3-=2.51, 3, 3+=3.5, 4-=3.51, 4, 4+=4.5, 5-=4.51, 5) и 5-бальная для итоговой оценки знаний ("неудовлетворительно", "удовлетворительно" "хорошо" и "отлично". Итоговая рейтинговая оценка рассчитывается как среднеарифметическая по каждому виду занятий: теоретический материал (коллоквиумы); решение задач на практических занятиях и дома; лабораторный практикум; выполнение расчетно-графических работ. При рейтинге 2.51...3.5 итоговой оценкой будет "3", 3.51...4.5 - "4" и 4.51 ... 5.00 - "5".

Оценка в журнале	Оценка в баллах	Оценка в (%)	Экзамен	Зачет	Баллы	Экзамен	Зачет
0	0.00	<10	Неуд.	Не зачтено	0-60	Неуд.	Не зачтено
1	1.00	11 - 20
2	2.00	21 - 40
2+	2.50	41 - 50
3-	2.51	51 - 59	Удовл.	Зачтено
3	3.00	60
3+	3.50	61 - 70			61-73	Удовл.	Зачтено
4-	3.51	71 - 79	Хор.
4	4.00	80			74-90	Хор.
4+	4.50	81 - 90
5-	4.51	91 - 99	Отл.		91-100	Отл.
5	5.00	100

При не сдаче текущей отчетности до наступления сессии по какому-либо виду занятий рейтинговая итоговая оценка за семестр не выставляется и студент должен придти на экзамен в установленном порядке после получения зачета по практическим занятиям, лабораторному практикуму и расчетно-графическим работам.

Студент также вправе не согласиться с итоговой рейтинговой оценкой и на экзамене показать свои знания. При этом итоговая рейтинговая оценка теряет силу и оценка, полученная студентом на экзамене, считается окончательной.

Лекционный теоретический материал дополняется самостоятельной проработкой студентами некоторых разделов. При изучении теоретического курса студенты сдают два коллоквиумов. При неявке на коллоквиум по неуважительной причине студенту выставляется "0" баллов. Оценки последующих пересдач суммируются с предыдущими и выставляется средеарифметическая по каждому коллоквиуму, а в целом за теоретический материал семестра выставляется средняя оценка из средних за каждый коллоквиум.

На каждом практическом занятии и дома каждый студент решает свою индивидуальную задачу, решение которой оценивается. При несвоевременной сдаче задачи работа оценивается в 3 балла (в журнале учета текущей успеваемости ставится знак "+"), а при не сдаче в установленный срок "-", который после выполнения заменяется на "+".

Лабораторные работы выполняются в бригадах по 2 студента. При сдаче отчета по лабораторной работе и ее защите в установленный срок оформляется один отчет на бригаду. В случае несвоевременного предоставления отчета каждый член бригады предоставляет отчет индивидуально. Также индивидуальный отчет по лабораторной работе предоставляет студент, не защитивший лабораторную работу в установленный срок. Оценивается индивидуальная защита каждой лабораторной работы. При пересдаче выставляется дополнительная оценка, и рейтинг по лабораторным работам подсчитывается как среднеарифметическая оценка по среднеарифметическим оценкам за каждую работу.

СЕКЦИЯ

«АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»

УДК 681.5:502:622.276

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

М.И. Хакимьянов, В.А. Шабанов

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа)

А.В. Лавринович

(НПО«Мир», г.Омск)

Практически все ведущие нефтегазодобывающие предприятия занимаются разработкой и внедрением энерго- и ресурсосберегающих мероприятий. Проводится энергоаудит всех технологических процессов с целью определения звеньев, где эффективность использования энергетических ресурсов недостаточно высока и имеется потенциал для оптимизации.

С этой целью на промышленных предприятиях стали широко внедряться автоматизированные системы коммерческого и технического учета электроэнергии (АСКУЭ и АСТУЭ), позволяющие вести непрерывный мониторинг эффективности потребления электроэнергии различным оборудованием.

Самым энергоемким технологическим процессом на всех нефтедобывающих предприятиях является механизированная добыча нефти скважинными насосами – 55…62% от общего потребления электроэнергии [1]. Среди нефтедобывающих скважин основным способом эксплуатации является использование электроцентробежных насосов (ЭЦН). Свыше 54% всего фонда скважин в РФ эксплуатируется ЭЦН, при этом из этих скважин извлекается около 75% всей добываемой нефти[2]. Поэтому оптимизация технологических процессов механизированной добычи нефти при помощи ЭЦН может дать значительный эффект энергосбережения для предприятия в целом.

Структура потерь электроэнергии в узлах установки ЭЦН приведена на рисунке 1. Как видно из рисунка 1, потребляемая установкой ЭЦН мощность складывается из потерь в станции управления P_СУ (обычно около 3%), в трансформаторе P_ТР(около 3%), в кабельной линии P_КЛи мощности, потребляемой погружным электродвигателем P_ПЭД.

Общая потребляемая мощность установки ЭЦН тогда может быть записана в виде суммы мощностей ее отдельных элементов:

. (1)

В приближенном расчете потери мощности в станции управления и в трансформаторе могут быть выражены через их коэффициенты полезного действия _ТРи _СУ. Тогда потребляемая из сети установкой ЭЦН мощность может быть записана в виде:

.

Потери мощности в станции управления P_СУ

Потери мощности в трансформатореP_ТР

Потери мощности в кабельной линии P_КЛ

Мощность, потребляемаяпогружным электродвигателем P_ПЭД

Рисунок 1 – Структура потерь мощности при подъеме скважинной жидкости

установкой ЭЦН

Мощность, потребляемая погружным электродвигателем P_ПЭД, в свою очередь, складывается из мощности, потребляемой насосом P_ЭЦН, блоком гидрозащиты P_Г и всевозможными предвключенными устройствами P_П, такими как газосепараторы, диспергаторы и мультифазные насосы, основное назначение которых – приготовить и передать в основной насос мелкодисперсную квазиоднородную эмульсию газ-вода-нефть[3].

Таким образом, потребляемая погружным электродвигателеммощностьP_ПЭДбудет определяться выражением:

,

где _ПЭД – коэффициент полезного действия двигателя, определяемый по его рабочей характеристике.

Мощности, потребляемые гидрозащитой и предвключенными устройствами берутся из документации на данное оборудование, однако при наличии регулирования частоты вращения должны приводиться к фактической частоте вращения.

Потребляемая насосом мощность определяется потребным давлением насоса P_Д.П., его секундной подачей Q_Cи коэффициентом полезного действия_ЭЦН:

.

Нахождение потребного давления P_Д.П. является довольно сложным гидравлическим расчетом и приводится в литературе [4].При этом учитываются такие параметры, как плотность жидкости,динамический уровень жидкости в скважине,буферное и затрубное давление, потери напора и давление работы газа в колонненасосно-компрессорных труб.

Целью данного расчета является определение нормативного удельного энергопотребеления установки ЭЦН и сравнение его с фактическим удельным энергопотребелением. По результатам сравнения можно сделать выводы об эффективности режима работы данной скважины и предложить способы ее повышения.

Для определения объемного удельного энергопотребеления установки ЭЦН следует энергию W, потребляемую из сети за время Т, разделить на объем добытой нефти за то же время:

, (2)

где W – энергия, потребляемая из сети, кВт∙ч;

Т – время, ч;

W_УД.ОБ. – объемный удельный расход электроэнергии, кВт∙ч/м³;

Q_Ч - часовая подача, м³/ч.

Следует отметить, что расчеты удобно выполнять по данным за один час. При постоянномзначении мощности, потребляемой из сети, суммарная потребляемая мощностьпо выражению (1) будет равна среднечасовой мощности.Так как энергия,потребляемая из сети за один час численно равна среднечасовой мощности,то W = Р_∑. С другой стороны, объем добытой нефти за один час равен часовойподаче. При этом формула (2) принимает вид

, (3)

где W_УД.ОБ. – объемный удельный расход электроэнергии, кВт∙ч/м³;

Р_∑ – среднечасовая мощность, потребляемая из сети, кВт.

Для определения массового удельного энергопотребеления установки ЭЦН следует среднечасовую мощность разделить на часовой массовый дебит по нефти Q’_Ч:

, (4)

где W_УД.М. – массовый удельный расход электроэнергии, кВт∙ч/т;

Q’_Ч - часовой массовый дебит по нефти, т/ч.

Часто удельный расход электроэнергии приводят еще к глубине скважин, то есть измеряют в кВт∙ч/(км∙м³) и кВт∙ч/(км∙т). В этом случае в знаменателе выражений (3) и (4) будет присутствовать еще глубина скважины:

,

,

где H_СКВ – глубина скважины, км.

Отметим, что средние значения удельного расхода электроэнергии в установках ЭЦН на отечественных промыслах составляют, как правило, 10…20 кВт∙ч/м³ скважинной жидкости при глубине спуска насосов 1,5-3,0 км.

Выводы:

1 Нормативное удельное энергопотреблениеудобно определять по потребляемой мощности и часовому дебиту скважин.

2 Нормативное удельное энергопотребеление может определяться по объему добываемой скважинной жидкости в кВт∙ч/м³, по массе добываемой нефти в кВт∙ч/т, а также по этим показателям, приведенным к глубине скважин: в кВт∙ч/(км∙м³) и кВт∙ч/(км∙т).

3 Определение нормативного удельного энергопотребеления установки ЭЦН и сравнение его с фактическим значением позволяет сделать выводы об эффективности режима работы данной скважины и предложить способы ее повышения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Ивановский В.Н. Энергетика добычи нефти: основные направления оптимизации энергопотребления // Инженерная практика, 2011.- №6.- С. 18-26.

2 Маркетинговое исследование рынка установок штанговых глубинных насосов (УШГН). Аналитический отчет. Research.Techart. 2010: [сайт]. URL: http://www.techart.ru/files/research/walking-beam-pumping-unit.pdf (дата обращения 11 октября 2012).

3 Пещеренко С.Н., Каплан А.Л., Пещеренко М.П., Ивашов А.А. Рабочие характеристики ЭЦН с предвключенным диспергатором при работе на газожидкостной смеси // Специализированный журнал Бурение & Нефть. 2011. №11.

4 Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти: Учебное пособие для вузов.- М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003.- 816 с.

УДК 621.317.08

Синтез фазовых преобразователей

по заданным техническим характеристикам

В.М. Сапельников

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа)

Ж.А.Сухинец, А.И.Гулин

(Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа)

Внедрение систем автоматизированного управления (САУ) требует решения задач, связанных с расчетом и проектированием сложных устройств. Это вызывает необходимость дальнейшего развития методов логического перехода от заданной характеристики устройства к самой электрической схеме. Совокупность таких методов составляет теорию синтеза, одним из важнейших разделов в котором является синтез устройств цепной трехполюсной структуры (ЦТС). Вопросы синтеза таких цепей имеют, кроме того, и большое прикладное значение, поскольку электрическая цепь может служить моделью и схемой замещения [1, 2] многих явлений и процессов. Имеется и ряд других причин, к числу которых, несомненно, относится резкое увеличение количества устройств САУ, составленных из большого числа каскадно соединенных элементов преобразователей. Использование в этих целях частотных датчиков, преобразующих измеряемую величину в пропорциональную ей частоту или фазу, совмещает простоту и универсальность, свойственную аналоговым устройствам, с точностью и помехоустойчивостью, характерными для датчиков с кодовым выходом.

В настоящее время разработаны частотные датчики, пригодные для измерения почти всех известных физических величин. Кроме того, с энергетической точки зрения самым сложным участком измерительного канала [3,4] является участок от выхода датчика до входа усилительно-преобразующей аппаратуры. Мощность же даже низкодобротных RC-датчиков с частотным выходом на три – четыре порядка превышает мощности реостатных, индуктивных, тензорезистивных, пьезоэлектрических амплитудных преобразователей.

Подобные схемы в виде искусственных RC или LC линий используются также для регулирования фазовых сдвигов в САУ и полярно-координатных компенсаторах [5,6] и позволяют регулировать фазовый сдвиг и частоту в широких пределах. Основное преимущество их применения – простота изготовления, использование лишь двух номиналов элементов, возможности интегрального исполнения и бесконтактных способов регулирования параметров.

При измерениях параметров сыпучих материалов (уровня, влажности, концентрации веществ и т.п.) применяют преобразователи с распределенными параметрами (ПРП) и длинные линии [7,8], схемы замещения которых представляют ЦТС. Таким образом, исследование и проектирование преобразователей с ЦТС в настоящее время актуально.

Искусственная линия, работающая как фазовращатель на π радиан, содержит конечное число п/2 RC- звеньев (рисунок 1), каждое из которых считается двуплечим. Изменение угла сдвига фаз в этом фазовращателе достигается с помощью, переключателя S.

Во многих работах, например [5], каждый из однородных параметров плеча Т (Rили С) предлагается определять из полного Т_п (R_п илиC_п), делением последнего на число звеньев n, что приводит к методической погрешности в значениях фазового сдвига, резко возрастающей с уменьшением числа звеньев.

.

Рассмотрим методику синтеза искусственной линии в качестве фазовращателя с устранением этой методической погрешности.

Предположим, необходимо получить фазовой сдвиг между напряжениями на входе U₀и выходе U_n, равным π радиан. Тогда функция преобразования (ФП) , согласно [8], будет равна

где β- постоянная сдвига фазы,

l- полная длина линии;

где ω- угловая частота;

R_oи C_o- первичные параметры линии.

Так как в данном случае

, (1)

то ФП искусственной линии равна K_n= - 11,6.

Знак минус показывает, что напряжение в конце линии U_n сдвинуто по отношению к напряжению на входе U_она 180°, а модуль его будет в 11,6 раз меньше модуля U_o.

Подставив в (1) значение β, получим выражение для угловой частоты ω₀ напряжения U₀, которое необходимо подать на вход, чтобы получить фазовый сдвиг напряжения U_n в конце линии, равный 180°.

(2)

где R_п=R₀lи С_п=C₀l- полные сопротивление и емкость линии соответственно.

На практике при изготовлении дискретного фазовращателя с конечным числом звеньев представляет интерес определение значений элементов R и С в плечах соответственно. Исследования в этом направлении позволили впервые получить следующую их взаимосвязь с полными параметрами

,

где коэффициента k_n,зависящий от числа плеч п, определяется из выражения [9]

(4)

где - сочетания из 2+4iэлементов по 0,5п+1+2iэлемента;

p= 0,25n- 1 - для четных 0,5n;

p= 0,25(n+ 2) - 1 - для нечетных 0,5n, зависящий от числа плеч п ЦТС.

Например, для десятиплечего (пятизвенного) фазовращателя уравнение (4) будет иметь вид

Уравнения высоких степеней решаются на ПЭВМ по стандартной программе. Из всех вещественных положительных значений корней уравнения (4) выбирают те, которые не больше , соответствующего шестиплечему (трехзвенному) фазовращателю, т. к. использование других значений удовлетворяющих (4), для определения значений Rи Спри изготовлении фазовращателя, приведет к сдвигу фаз на 2πрадиан и более.

Такой подход полностью исключает расхождение между расчетными и экспериментальными данными при построении дискретного фазовращателя с любым числом звеньев, не менее трех, что показано в работе [5].

Шаг дискретности отсчета фазы зависит от числа звеньев n/2 и на частоте ω₀ равен

Весьма удобным для построения дискретных фазовращателей является использование свойств ЦТС с распределенными Lи Спараметрами замкнутыми на волновое сопротивление Z_c, в которых устанавливаются бегущие волны [5], позволяющие получать

дискретные величины фазового сдвига от звена к звену (рисунок 2).

Пользуясь выражением для β [5] находим, что в нашем случае

Для всей линии в целом имеем L_п=L₀l и C_п=С₀l, тогда

(5)

Из (5) находим частоту ω₀, при которой напряжения на входе и выходе линии сдвинуты на 180°, т.е. βl=π

(6)

В [8] также впервыеустановлено, что частота, при которой происходит сдвиг фазы на πрадиан в п-плечей ЦТС с сосредоточенными Lи С параметрами, определяется из выражения

(7)

где - зависит от числа плеч nи определяется из выражения

(8)

где - число сочетаний из n-i-1 элементов по п -2i-1 элемента.

Так для трехзвенного (шестиплечего) фазовращателя уравнение (8) будет

откуда h_n=h₆ = 1.

Из всех значений h_пимеют физический смысл лишь те, которые не более , соответствующие двухзвенному (четырехплечему) фазовращателю. Другие значения h_пне удовлетворяют свойствам ЦТС, в которых устанавливаются бегущие волны (возникают затухания и φ≠ 180⁰). При построении точных многозвенных дискретных фазовращателей (п> 14) уравнения для определения h_пимеют высокие степени, решаемые на ПЭВМ по стандартной программе.

Приравняв выражения (6) и (7) находим взаимосвязь между распределенными параметрами ЦТС и сосредоточенными, используемыми в качестве дискретного фазовращателя на n/2 положений, т.е.

Такие фазовращатели дают возможность получать фазовый сдвиг на частоте ω₀ в пределах от 0 до 180° с шагом дискретности, определяемым числом звеньев n/2, т.е.

Сдвиг фазы на i-том звене равен

При подаче на вход произвольной частоты ωполучим фазовый сдвиг ψ ≠ π

(9)

Из выражений (6) и (9) находим влияние частоты переменного напряжения f, приложенного к входу фазовращателя, на пределы изменения сдвига фаз и шаг дискретности

(10)

Из выражения (10) легко определить необходимое изменение частоты входного напряжения, чтобы получить фазовращатель на требуемый диапазон действия, что особенно важно при построении преобразователей номинальной частоты в код для датчиков с частотным выходом.

Таким образом, результаты исследований впервые позволили полностью исключить методическую погрешность в значениях частоты или фазы при любом числе плеч как для , так и для –схем замещения ЦТС с распределенными параметрами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Веников В.А. Теория подобия и моделирование (применительно к задачам электроэнергетики). М.: Высшая школа, 1984. 439 с.

2. Гиллемин Э.А. Синтез пассивных цепей / пер. с англ. М.: Связь, 1970. 448 с.

3. Барсуков Ф.И., Русанов Ю.Б. Элементы и устройства радиотелеметрических систем. – М.: Энергия, 1973. 256 с.

4. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников В.С. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л.: Энергия. 1970. 424 с.

5. Асеев Б.П. Фазовые соотношения в радиотехнике. М.: Связьиздат, 1959. 280 с.

6. Сапельников В.М. К расчету RC-фазорегулятора для поярно-координатного компенсатора или фазометра. // Некоторые вопросы контроля, автоматизации и телемеханизации нефтедобывающей промышленности: Уфа. Башкнигоиздат, 1966. – С. 65 - 72.

7. Викторов В.А. Резонансный метод измерения уровня. М.: Энергия, 1969. 192 с

8. Гулин А.И., Сухинец Ж.А. Анализ и синтез цепных структур методом функций преобразования. ISBN: 978-3-8443-5353-2 Deutschland, Saarbrücken: LAPLAMBERTAcademicPublishing. 2011. 198 с.

УДК 621.771.016