2835.Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных и

Секция 7. Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом комплексе

двигателя Рэд, напряжение двигателя Uэд, частота вращения двигателя nэд, КПД двигателя ηэд; производительность (расход) насоса Qнас, напор насоса Ннас, КПД насоса ηнас. Сбор данных по насосным агрегатам, характеризующих их работу, а именно: объемы перекачиваемой жидкости, давления на приеме и выкиде насосов, плотность перекачиваемой жидкости, производился со стационарных узлов учета параллельно проведению инструментального обследования электродвигателя. Электрические параметры, подлежащие измерению: напряжение питающей сети, токи, активная и реактивная мощности, коэффициент мощности, частота. Данные, полученные в результате замеров, представлены в таблице:

Определены зоны работы насосных агрегатов системы ППД, а также фактическое потребление электроэнергии, ее удельный расход на 1 м3 перекачиваемой жидкости. На рис. 1 представлена зависимость энергоэффективности насосных агрегатов от зоны работы насоса. При смещении рабочей точки насоса влево относительно рабочей зоны удельный расход электроэнергии возрастает, так как происходит снижение КПД и увеличение потерь мощности в насосном агрегате.

551

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Рис. 1. Зоны работы насосных агрегатов и удельное потребление электроэнергии

По результатам расчетов определили также потенциальный удельный расход электроэнергии, УРЭ (при номинальных КПД насоса и двигателя) – рис. 2.

При анализе выявлены следующие причины повышения энергопотребления:

–несоответствие подобранного оборудования номинальным параметрам;

–смещение рабочей точки насоса (правая, левая зона);

–снижение КПД установки;

–неправильно выбран режим работы.

Рис. 2. Фактический и потенциальный УРЭ по технологическим установкам

552

Секция 7. Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом комплексе

Для приведения параметров насосных агрегатов в соответствие технологическому режиму работы предложены следующие мероприятия:

–подбор оборудования в соответствии с технологическим режимом (замена насоса, электродвигателя);

–установка частотно-регулируемого привода.

Основные направления энергосбережения в системах ППД – повышение КПД насосных агрегатов и обеспечение их работы в номинальных режимах при изменяющихся нагрузках, а также исключение дросселирования потоков на входах в нагнетательные скважины. Энергоэффективность связана с обеспечением поскважинного управления закачками с возможностью формирования систем воздействия на отдельные блоки, участки и месторождение в целом. В данном случае эффект заключается в увеличении коэффициента извлечения нефти, повышении интенсивности отборов, снижении обводненности скважин, т.е. в улучшении ключевых показателей процесса нефтедобычи.

Список литературы

1. Соколов С.М., Горбатиков В.А., Фрайштетер В.П. Проблемы энергосбережения в нефтедобыче Западной Сибири // Нефтяное хозяйство. – 2010. – № 3. –

С. 92–95.

2. Павлов Г.А., Горбатиков В.А. О проблемах энергосбережения и энергоэффективности в системах поддержания пластового давления // Нефтяное хозяй-

ство. – 2011. – № 7. – С. 118–119.

553

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

РАЗРАБОТКА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ ДЛЯ СЕТЕЙ 6–35 КВ

И.А. Костарев

Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент М.Л. Сапунков Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Изложены результаты разработки опытного образца устройства высокоэффективной защиты от замыканий на землю, основанной на контроле пульсирующей мощности.

Ключевые слова: сети среднего напряжения, защита от однофазных замыканий на землю, пульсирующая мощность, компенсированная нейтраль, опытный образец устройства.

На сегодняшний день, по мнению многих специалистов в области релейной защиты и автоматики, особо актуальной является разработка всережимной и высокоэффективной защиты от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) [1, 2].

Как показали результаты различных теоретических и экспериментальных исследований, в качестве такой высокоэффективной защиты может быть применена новая быстродействующая защита от ОЗЗ, основанная на новом принципе,

аименно – на контроле пульсирующей мощности [3–6].

Сцелью подтверждения работоспособности защиты в распределительных сетях 6–35 кВ был разработан опытный образец устройства на базе контроллера реального времени CRIO 9075, позволяющий контролировать до пяти отходящих присоединений. Согласно алгоритму работы защиты от ОЗЗ [7] для идентификации возникновения замыкания на землю необходимо контролировать приращение пульсирующей мощности каждой линии. Для этого необходимо измерять трехфазную систему линейных напряжений сети, напряжение нулевой последовательности и линейные токи всех фаз линий. Задачу измерения всех напряжений сети выполняет блок трансформаторов напряжения и модуль NI 9215, имеющий частоту дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 100 кГц на каждый канал (рисунок). Для измерения токов линий в устройство защиты был встроен блок преобразователей тока и модуль NI 9205 с частотой дискретизации 250 кГц на все каналы. Алгоритм принципа контроля пульсирующей мощности непосредственно выполняет CRIO 9075, которые содержит микропроцессор и ПЛИС.

Сигнал о наличии режима ОЗЗ на конкретной линии с помощью модуля NI 9476 выводится на соответствующую лампу HL 1–5, а также дублируется на клеммы цепей управления выключателями и специальную сенсорную панель.

Стоит отметить, что разработанный опытный образец устройства защиты от ОЗЗ на базе контроллера реального времени позволяет обеспечивать время срабатывания защиты порядка 0,15 мс.

Разработанное устройство защиты от ОЗЗ обеспечивает:

–селективность действия при всех видах ОЗЗ за счет применяемого алгоритма, основанного на контроле пульсирующей мощности;

554

Секция 7. Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом комплексе

Рис. Блок-схема устройства защиты, основанной на контроле пульсирующей мощности

555

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

–высокое быстродействие за счет применения контроллера реального времени, а также совместной работы микроконтроллера и ПЛИС;

–высокую чувствительность благодаря применению высокочувствительных модулей с частотой дискретизации, существенно превышающей частоту дискретизации, необходимую для учета всех электромагнитных процессов при ОЗЗ и учета высших гармоник [8];

–надежность функционирования, которая обеспечивается гальванической развязкой внутренних цепей устройства, а также встроенными защитами модулей АЦП от перенапряжений и других ненормальных режимов;

–непрерывность действия благодаря применяемому алгоритму;

–возможность создания SCADA-системы и диспетчерского контроля, а также управления выключателями через Ethernet или RS-232;

–возможность конфигурирования опытного образца защиты в виде как индивидуального, так и централизованного устройства защиты;

–возможность организации прямого управления цепями выключателей отходящих присоединений;

–самодиагностику, запоминание событий, запись осциллограмм электрических величин при ОЗЗ и др.

Разработанное устройство может быть использовано для проведения исследований на физической модели сети 6–35 кВ с целью подтверждения работоспособности защиты от ОЗЗ.

Список литературы

1.Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электриче-

ских сетях 6–10 кВ. – М., 2001. – 104 с.

2.Шалин А.И. Релейная защита от замыканий на землю в сетях с резистивным заземлением нейтрали // Ограничение перенапряжений: материалы 4-й Всерос. науч.-техн. конф. – Новосибирск, 2004.

3.Костарев И.А., Сапунков М.Л., Худяков А.А. Исследование и оценка возможности применения защиты от однофазных замыканий, основанной на контроле пульсирующей мощности, в компенсированных сетях горных предприятий // Горное оборудование и электромеханика. – 2012. – № 11. – С. 8–14.

4.Худяков А.А., Сапунков М.Л., Костарев И.А. Об эффективности защиты распределительных сетей 6–10 кВ от однофазных замыканий, основанной на контроле пульсирующей мощности // Горное оборудование и электромеханика. –

2012. – № 11. – С. 15–18.

5.Костарев И.А., Сапунков М.Л. Оценка влияния несинусоидальности тока компенсирующего реактора на устойчивость функционирования защиты от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ нефтеперерабатывающих предприятий // Нефтя-

ное хозяйство. – 2013. – № 6. – С. 126–128.

6.Костарев И.А., Сапунков М.Л., Худяков А.А. Исследование влияния переходного сопротивления на характеристики защиты от однофазных замыканий, основанной на контроле пульсирующей мощности // Вестник Пермского нацио-

556

Секция 7. Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом комплексе

нального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтега-

зовое и горное дело. – 2012. – № 4. – С. 111–117.

7.Пат. № 2352044 на изобретение. Способ защиты трехфазной сети от однофазных замыканий на землю / Сапунков М.Л.

8.Цифровая обработка сигналов на основе теоремы Уиттекера – Котельникова – Шеннона / М.А. Басараб, Е.Г. Зелкин, В.Ф. Кравченко, В.П. Яковлев. – М.: Радиотехника, 2004.

557

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ УСТАНОВИВШЕМСЯ ТЕЧЕНИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ТРУБОПРОВОДАХ

Н.С. Куделин, Р.Е. Терещенко

Научный руководитель – д-р физ.-мат. наук, профессор, академик РАЕН С.Н. Харламов Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Исследуется гидродинамика и теплообмен нефтепродуктов в трубопроводах в условиях как установившихся, так и нестационарных неньютоновских течений, отмечаются преимущества дифференциальной модели турбулентности для замыкания системы определяющих уравнений, характеризующей изменения турбулентных потоков импульса и тепла. Численное интегрирование выполнено с привлечением неявных конечно-разностных схем, схем расщепления по физическим процессам и пространственным переменным. Обсуждаются особенности изменений локальных параметров течения и теплообмена в условиях развивающихся процессов. Даны представления о перспективах моделирования сложных явлений в особых зонах течения.

Ключевые слова: численное моделирование, гидродинамика, теплообмен, ламинарные и турбулентные течения, нефтепродукты.

Многочисленные исследования показывают [1, 2], что особенность неньютоновских течений определяется специфическим пространственным характером изменения поля скорости, температуры по всей длине трубопровода. В случае если течение существенно неизотермично, для детального его описания требуются высокоэффективные методы числового моделирования [3–5].

Хорошо известно, что на природу турбулентного течения влияет множество факторов, поэтому неудивительно, что большинство исследований гидродинамики и теплообмена в рамках турбулентного режима течения выполняются с существенным упрощением физики процесса, взаимодействия между пульсационными и осредненными параметрами среды и стенкой трубопровода [1, 2, 4].

Полное представление о характеристиках турбулентных течений может быть получено при помощи методов численного моделирования и многопараметрических моделей в рамках RANS-подхода. Тестирование численного алгоритма решения самой математической модели требует детальной экспериментальной или эмпирической информации, которая зачастую отсутствует, в частности, о пространственном изменении реологических свойств, эволюции пульсационных параметров. С учетом этих обстоятельств, а также затрат на реализацию модели, перспективным представляется использование дифференциальной модели для замыкания систем определяющих уравнений гидродинамики и теплообмена.

В данной работе рассматриваются развивающиеся стационарные и нестационарные, ламинарные и турбулентные, изотермические и неизотермические прямоточные течения капельных вязких сред в трубопроводах постоянного поперечного сечения. Физическая постановка, характеризующая течение вязкой среды в отсутствие действия силы тяжести в трубопроводе с осевой симметрией, математически включает в себя систему определяющих уравнений, представляющих собой

558

Секция 7. Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом комплексе

законы сохранения: массы (уравнение неразрывности), импульса (уравнение движения), энергии [5, 6]:

Заметим, что составляющие девиатора тензора напряжений (Gτ)квазиньюто-

новской среды задается обобщенным реологическим уравнением

диссипативных процессов [4]:

В общем случае уравнение реологии представляется трехконстантным соотношением, отражающим характер процессов нелинейно-вязкопластической среды:

Численное интегрирование определяющих уравнений выполняется при следующих краевых условиях: на входе – заданные поля искомых величин, на стенках – условия прилипания для скорости, для тепловой части – граничные условия 1-го и 2-го рода, на оси – условие симметрии, на выходе – «мягкие» граничные условия. Как показано в [3], они охватывают практически весь круг задач, которые встречаются в инженерной практике исследования гидродинамики и теплообмена неньютоновских сред.

При моделировании турбулентных процессов тепла и импульса используется RANS-подход, опирающийся на современные статистические модели 2-го порядка

559

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

для напряжений и потоков. Детали численного решения достаточно полно представлены [4]. Общий вид записи уравнений в экономичной индексной форме для

напряжений Рейнольдса (ui′u′j ), удельных турбулентных потоков тепла (ui′t′), ,

кинетический энергии турбулентности (k ), времени пульсаций динамического поля (τ)в турбулентном течении [6] представлен ниже:

Численное решение такой задачи строится с использованием неявных конеч- но-разностных схем, схем расщепления по пространственным переменным с последующим применением метода прогонки. Аппроксимация производных осуществляется со 2-м порядком точности относительно шагов ∆x, ∆r. В определении поля давления используется обобщенный метод Л.М. Симуни [8]. В работе проведены систематические исследования закономерностей течения в диапазоне следующих определяющих параметров: x = 0…500D, D = 0,01…0,5 м, Re = 104…106,

Tu = 0,01…10 %, Tw/T0 = 1…2.

Результаты исследования гидродинамики и теплообмена в трубопроводах показывают, что структура течения достаточно сложна и весьма чувствительна к изменениям входных параметров (интенсивности турбулентности). Однако сформулированная модель турбулентности вполне успешно может предсказывать механизмы перераспределения энергии в зонах, изменения в тепловой и динамических структурах потока в низкорейнольдсовых областях. Об этом свидетельст-

560