книги / Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике

граммы форм тока (напряжения) и соответствующие им спектры гармоник тока для дуговых сталеплавильных печей малой емкости прямого и косвенного нагрева. Отмечено, что для достижения эффективного режима работы установки необходимо регулировать форму и амплитуду питающего напряжения.

Повышение энергетической эффективности работы установок, работающих на свойствах электрического разряда, является актуальным по настоящее время. Доказано, что и улучшение качества изделий, и увеличение сроков службы зависят в том числе и от электрических режимов и процессов в газоразрядном промежутке [1–8]. В работе [8] отмечено, что для контроля технологических параметров в газоразрядных ЭТУ требуется длительная временная реализация многочисленных плавок с отбором проб металла и проведением дорогостоящих анализов качества выплавляемых металлов. Существует проблема ограничения инвестиций на подобные исследования на машиностроительных и металлургических предприятиях России и Казахстана. Исследования процессов в газоразрядных излучателях являются привлекательными по причине возможности одновременного контроля различных электрических режимов и физических, и технологических параметров установки по значениям мощности, потребляемой из сети, коэффициенту мощности, интенсивности линий в спектре излучения и интегральным характеристикам: освещенности, световому потоку, числу фотонов, параметрам цветовой диаграммы и цветовой температуре излучателя.

В работе [8] изложены результаты исследований электрических параметров, спектров излучения и интегральных характеристик установок, работающих на явлении электрического разряда, на примере газоразрядных излучателей

низкого давления (НД) мощностью 20 Вт в обычном режиме при питании излучателя переменным током частотой 50 Гц

инового при питании ТСФ без постоянной составляющей.

Цель работы – экспериментальное исследование влияния параметров трех электрических режимов (обычного с питанием синусоидальным током частотой 50 Гц, с питанием выпрямленным током

инового c питанием ТСФ с постоянной составляющей) на процессы в электрическом разряде и определение энергетической эффективности ЭТУ.

Используемые приборы. В исследо-

ваниях применяли следующие измерительные приборы: высокочувствитель-

AvaSpec-ULS 2048-USB2, в комплекте которого предусмотрено программное обеспечение AvaSoft-ALL; для измерения электрических параметров установки использован анализатор качества электрической энергии типа ANALYST 2060. В экспериментах определяли среднеквадратичные значения токов, напряжений, активной, реактивной, полной мощности, значение коэффициента мощности установки [1–8].

Экспериментальные исследования

электрических параметров, спектров излучения, цветовых диаграмм и интегральных характеристик электрического разряда выполнены для газоразрядного излучателя НД мощностью 20 Вт. Результаты опытов представлены в сравнении трех электрических режимов: обычного с питанием переменным током частотой 50 Гц, нового с питанием выпрямленным током и нового с питанием ТСФ с постоянной составляющей (таблица). В обычном режиме газоразрядный излучатель НД подключали к сети напряжением 220 В частотой 50 Гц через ЛАТР типа SUNTEK с цифровым дисплеем мощно-

231

лирование спектра частот питающего напряжения увеличивает подвижность заряженных частиц (увеличивает число фотонов), т.е. за счет изменения электромагнитной составляющей при снижении цветовой температуры изменяются физические, технологические и энергетические параметры установки с газоразрядными излучателями НД.

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

Экспериментально подтверждено, что форма тока (напряжения) влияет на значения технологических и энергетических параметров установок, работающих на явлении электрического разряда в газах и парах металла. Однако на постоянном токе не разработаны принципы оптимизации режимов электропотребления при изменении технологического процесса. Для ТСФ такие рекомендации разработаны и изложены в работах [1–8]. Следовательно, использование ТСФ позволяет повысить эффективность газоразрядных установок с учетом изменяющихся технологических параметров.

Список литературы

1. Электротехнологические промышленные установки: учебник для вузов / И.П. Евтюкова [и др.]; под ред. А.Д. Свенчанского. – М.: Энергоиздат, 1982. – 400 с.

2.Птицына Е.В., Кувалдин А.Б. Работа дуговых печей небольшой емкости при питании током сложной формы // Электрометаллургия. – 2006. – № 6. –

С. 26–36.

3.Птицына Е.В. Электролизные и газоразрядные электротехнологические установки с питанием током сложной формы: монография / под ред. А.Б. Кувалдина. – Павлодар: ЭКО, 2007. – 420 с.

4.Птицына Е.В., Птицын Д.В. Анализ процессов в электротехнологических установках как основа разработки алго-

ритмов управления // Электротехнология в первом десятилетии XXI века: сб. докл. науч.-техн. семинара, посвященного 100-летию профессора М.Я. Смелян-

ского. – М., 2013. – С. 242–257.

5.Официальный сайт фирмы

Avantes. – URL: http://www.avantes.ru.

6.Птицына Е.В., Птицын Д.В., Кувалдин А.Б. Экспериментальное определение влияния формы тока на характеристики излучателей // Энерго- и ресурсосбережение XXI век: сб. материалов IX Междунар. науч.-практ. интернетконф. Март–июнь. – Орел, 2011. –

С. 163–165.

7.Птицына Е.В., Птицын Д.В., Ку-

валдин А.Б. Исследование процессов в инфракрасных излучателях при изменении значения и формы питающего напряжения // Энерго- и ресурсосбережение XXI век: сб. материалов XIII Междунар. науч.-практ. интернет-конф.

Март–июнь. – Орел, 2015. – С. 61–66.

8. Птицына Е.В., Птицын Д.В., Кувалдин А.Б. К вопросу о повышении эффективности газоразрядных излучателей низкого давления с питанием током сложной формы // Омск. науч. вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. – 2016. – № 2(146). – С. 48–53.

235

Введение

Нефтедобывающая промышленность является быстро развивающейся отраслью, изменения в которой характеризуются следующими тенденциями:

–всё более массовым применением технологий интенсификации нефтедобычи путем проведения гидроразрывов пластов, увеличением депрессии на пласт и др.;

–увеличением доли скважин, оборудованных установками электроцентробежных насосов (УЭЦН);

–увеличением средней глубины разбуриваемых скважин и доли скважин,

находящихся на заключительных стадиях разработки.

В целом это приводит к тому, что УЭЦН, как правило, эксплуатируются в условиях добычи, осложненных выпадением солей, наличием в добываемой жидкости газа, частиц породы и пропанта, повышенной температурой жидкости. Это увеличивает вероятность отказа УЭЦН.

При решении проблемы отказов главные усилия были направлены на увеличение ресурса электроцентробежных насосов (ЭЦН) – как путем их модернизации, так и за счет разработки эффективных предвключенных уст-

ройств: газосепараторов, диспергаторов, мультифазных насосов, сепараторов и фильтров механических частиц, устройств дозирования ингибиторов солеотложений и некоторых других. Также велись работы по совершенствованию технологий применения этого оборудования. В связи с этим средняя продолжительность безотказной работы УЭЦН монотонно возрастала. Однако проведенный нами анализ причин отказов на материалах компании «Новомет-Сервис» (за период 2011–2013 гг., более 5500 скважин) показал, что изменилась структура отказов. Теперь существенная их доля, до 20 %, приходится на погружные электродвигатели (ПЭД). Причиной отказа был пробойэлектроизоляции ПЭД (R = 0). Наиболее вероятная причина отказа – нагрев выше критической температуры.

Следует также обратить внимание на отказы из-за клина насоса (~16 % случаев), так как в этом случае ПЭД хотя бы часть времени также эксплуатировался в условиях перегрева электроизоляции (из-за увеличения нагрузки и снижения скорости охлаждающей жидкости), что хотя и не привело к R = 0, но могло уменьшить ресурс ПЭД.

Таким образом, можно считать, что в настоящее время режим эксплуатации ПЭД с чрезмерным перегревом электроизоляции является достаточно распространенным, поэтому целью данной работы стало:

–повышение эффективной теплопроводности статора ПЭД и оценка величины ее максимального значения;

–интенсификация теплоотвода от ПЭД к скважинной жидкости путем изменения конструкции ПЭД;

–уменьшение тепловых потерь в ПЭД за счет повышения КПД;

–разработка методики прогнозирования безопасных условий эксплуатации ПЭД.

Интенсификация теплоотвода от асинхронных ПЭД

Задача рационального подбора изоляционных материалов решалась в два этапа:

–на первом был проведен теоретический анализ возможности увеличения эффективного коэффициента теплопроводности материала статора ПЭД и получена оценка предельной его величины;

–на втором был выбран электроизоляционный материал статора и определен эффект от его применения.

Эффективный коэффициент теплопроводности материала статора определяется коэффициентами теплопроводно-

сти электротехнической стали λMe и электроизоляции λD (диэлектрика) и может быть оценен в модели концентрических цилиндрических слоев (рис. 1) такой зависимостью:

где R1, R2, ∆ – внутренний и внешний радиусы статора и толщина электроизоляции. Видно, что основной способ увеличения λэф состоит в увеличении λD.

Однако теплопроводность диэлектриков ограничена механизмом переноса тепла (передается исключительно колебаниями решетки). В металлах тепло переносится как свободными электронами (98–99 %), так и решеткой (1–2 %), поэтому всегда λMe >> λD и есть только один способ увеличить теплопроводность электроизоляции – сделать ее из композита, матрица которого пластичный диэлектрик (традиционный электроизоляционный материал), а включения хрупкий диэлектрик с повышенной энергией связи кристаллической решетки, например оксиды металлов. Теплопроводность оксидов примерно на порядок выше, чем у тра-

237

а

б

Рис. 2. Зависимость нагрева обмотки статора от нагрузки при различных системах теплоотвода: а – u = 0,3 м; 1 – без дополнительной системы теплоотвода; 2 – с прокачкой масла и тепловыми сифонами; б – u = 0,05 м; 1 – без системы теплоотвода; 2 – с прокачкой масла; 3 – с прокачкой

масла и тепловыми сифонами

хронную конструкцию ПЭД на вентильную. Важным преимуществом вентильной конструкции является возможность иметь увеличенный зазор ротор – статор (без потери напряженности магнитного поля путем увеличения массы постоянных магнитов). Это позволяет снизить потери на вязкое трение и уменьшить реактивный момент на валу.

Обычно при анализе потерь на вязкое трение используют эмпирические зависимости, которые устанавливают путем стендовых испытаний образцов электродвигателей. Ясно, что при проектировании новых изделий требуется другой подход, позволяющий прогнозировать тепловые потери исходя из предполагаемой конструкции. Поэтому была разработана методика таких расчетов. Считали, что зазор образован коаксиальными цилиндрами: внешний неподвижен, внутренний вращается. Радиус внутреннего цилиндра выбрали таким же, как у ротора ВПЭД 117-го габарита. Ширину зазора δ варьировали от 0,5 до 1,5 мм. Частоту вращения – от 3000 до 10 000 об/мин, что соответствует интервалу чисел Рейнольдса от ~900 до ~3000

при δ = 0,5 мм (рабочая жидкость масло с ν = 5·10–6 м2/с).

Снижение тепловых потерь в ПЭД

Погружные асинхронные ПЭД применяются и модернизируются уже несколько десятилетий. Накопленный опыт указывает на возможность увеличения их КПД на 4–5 % ценой потери технологичности производства. Однако по крайней мере вдвое большее увеличение КПД можно получить, заменив асин-

Рис. 3. Крепление блока тепловых сифонов снизу ПЭД

239

Поскольку критическое число Рейнольдса для ламинарно-турбулентного перехода в этом течении равно 1500, то в части расчетов течение было ламинарным, и тогда использовали уравнения Навье–Стокса. При расчете турбулентных течений использовали уравнения Рейнольдса и k–ε-модель турбулентности.

Ламинарный режим был интересен тем, что соответствовал области устойчивости тороидального течения Тейлора (рис. 4). Для тестирования модели было вычислено критическое число Рейнольдса Rec, соответствующее переходу от аксиально симметричного течения к тороидальному (рис. 5). Расчеты проводили для цилиндров разной длины. Из рис. 7 видно, что краевые эффекты (в расчетах было наложено условие прилипания на торцах) влияют на величину Rec и только при увеличении длины цилиндров до 200 мм вычисленное нами значение Rec совпало с теоретическим, равным 127,3.

Для тестирования модели турбулентного течения была вычислена зависимость момента сил трения T от Re. Аппроксимация этой зависимости привела к выражению T ~ Re0,667 , что практически совпало с литературными экспериментальными данными (King G.P., Li Y., Swinney H.L., Marcus P.S. J. Fluid.

Mech. 1984. Vol. 141 и Barsilon A., Brindley J. J. Fluid. Mech. 1984. Vol. 143).

Рис. 4. Схема линий тока в течении Тейлора

Рис. 5. Зависимость критического числа Рейнольдса Rec от длины цилиндров

Для ВПЭД 117-63 была вычислена зависимость потери мощности ∆N и КПД ∆η от частоты вращения и ширины зазора ротор – статор (табл. 1). Видно, что от частоты вращения зависимость сильная: КПД уменьшается на 0,3–5,3 %. От ширины зазора– болееслабая: ∆η~ 0,1…1,0 %.

Таблица 1