В последние годы наметился интерес к следующему новшеству: замена обычного кабеля от повышающего трансформатора до двигателя ЭЦН на греющий кабель. Это связано с необходимостью подогрева канала транспорта нефти для повышения его пропускной способности. Компания «Звезда-Электроника» предлагает свое решение для автоматического управления погружным электродвигателем.
Электрооборудование скважины нефтедобычи в общем случае включает в себя:
- комплектная трансформаторная подстанция (КТП) 10/0,4 или 6/0,4 кВ;
- станция управления (СУ);
- повышающий трансформатор;
- кабельная линия от повышающего трансформатора до погружного электродвигателя;
- погружной электродвигатель (ПЭД)
Рисунок 1. Оборудование нефтяной скважины
В последние годы наметился интерес к следующему новшеству: замена обычного кабеля от повышающего трансформатора до двигателя ЭЦН на греющий кабель.
По-видимому, это связано с необходимостью подогрева канала транспорта нефти для повышения его пропускной способности.
Нагревательный кабель обладает следующим свойством: в холодном состоянии его сопротивление мало, затем по мере протекания по нему тока он нагревается и его сопротивление увеличивается. Из-за этого свойства после установки греющего кабеля взамен обычного возникает следующая проблема.
После подачи напряжения на повышающий трансформатор происходит запуск погружного электродвигателя. Далее, поскольку с течением времени сопротивление греющего кабеля увеличивается, то увеличивается и падение напряжения на нем; соответственно, напряжение, которое подается непосредственно к обмоткам двигателя начинает уменьшаться и в какой-то момент времени может стать меньше номинального напряжения двигателя. При этом электродвигатель начинает греться из-за чего снижается его ресурс, а в крайнем случае возможно что напряжения питания недостаточно для поддержания его вращения и он может просто остановиться.
Какие решения здесь возможны? Одно из них — это переключение отпаек трансформатора. Суть его в том, что первоначально для пуска в холодном состоянии с помощью отпайки выставляется номинальное напряжение питания электродвигателя, а затем по мере прогрева кабеля и увеличения падения напряжения на нем, переключают на другую отпайку, повышающее выходное напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Однако этот путь слишком неудобен для практического использования – требуется произведение переключений при помощи обслуживающего персонала, что затруднительно, учитывая большое количество и географическую удаленность скважин на реальном объекте нефтедобычи.
Компания «Звезда-Электроника» — российский производитель тиристорных регуляторов — готова предложить потенциальным заказчиком свое техническое решение этой проблемы – тиристорный регулятор со стабилизацией тока ТРМ-С. Этот регулятор способен по заранее введенным уставкам в автоматическом режиме непрерывно отслеживать ток электродвигателя и корректировать его напряжение питания таким образом, чтобы стабилизировать его ток, что обеспечивает работу двигателя при номинальном напряжении питания. Тиристорный регулятор включается на стороне 380 В перед повышающим трансформатором в разрыв фазных проводов:
Рисунок 2. Применение тиристорного регулятора ТРМ-С для стабилизации тока двигателя ЭЦН
Рассмотрим конкретный пример, смоделированный в лаборатории «Звезда-Электроника». Пусть требуется создать систему стабилизации тока для погружного электродвигателя.
Исходные данные для проектирования: номинальный ток двигателя Iн=26 А, номинальное напряжение питания двигателя с греющим габелем 1780 В, максимальное напряжение питания 1980 В.
Используемое оборудование: тиристорный регулятор ТРМ-3-С-160, номинальный ток 160 А (по стороне низкого напряжения).
Для моделирования процессов в качестве нагрузки используем активную нагрузку: 18 ламп накаливания по 100 Вт каждая, соединены в звезду по 6 штук в параллель в каждую фазу.
Такой подход допустим, поскольку процессы стабилизации тока и напряжения ничем не отличаются; при наличии индуктивной составляющей тока отличается лишь угол задержки отпирания тиристоров, но это не влияет на конечный результат.
| А) Приступаем к программированию Функция F21 задает номинальный ток двигателя: I=26 А |  |
| Б) Функция F32 задает номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора, равное 380 В: |  |
| В) Функция F33 задает напряжение вторичной обмотки трансформатора. Предположим, что питание со вторичной обмотки подается с отпайки 2090 В; зададим это значение. Задав уставки F32 и F33 мы тем самым задали коэффициент трансформации: Ктр = F33/F32 = 2090/380=5,51 (1) То есть регулятор будет измерять напряжение на стороне 380 В и умножать его на этот коэффициент |  |
| Г) Функция F34 задает номинальное напряжение питания двигателя Uном при холодном греющем кабеле |  |
| Д) Функция F35 задает максимальное напряжение питания двигателя при горячем греющем кабеле |  |
| Е) Функция F36 задает напряжение пуска — то есть какое напряжение необходимо выставить в начальный момент времени при пуске. Выберем значение «0 Uном» — значит в начальный момент будет выставлено напряжение 1780 В. |  |
| Ж)Сделаем следующее допущение. Сейчас реальный ток нагрузки — около 2 А. Чтобы ток соответствовал току двигателя, введем искусственно коэффициент усиления равный 13: 2*13 = 26 А. То есть регулятор будет «думать» что ток нагрузки 26 А и производить все вычисления исходя из этой величины. В реальном устройстве для расчета тока двигателя предлагаем использовать формулу: I дв = I380 / (Kтр * 1,05), (2), где I380 — ток измеренный на стороне низкого напряжения 380 В, Ктр — коэффициент трансформации, рассчитанный выше по формуле (1), коэффициент 1,05 учитывает потери мощности в трансформаторе (предполагаем потери около 5%). Произведем включение регулятор, при этом напряжение на нагрузке увеличивается от 0 до Uном в течение 0,5 сек. Установились следующие величины: I = 25,9 А, U=1760 В(реальные величины I=2 А, U=320 В). Режимы стабилизации пока отключены. |  |
| З) Теперь произведем моделирование ситуации увеличения сопротивления нагрузки. Для этого в каждой фазе выкрутим по одной 100 Вт лампе и вкрутим вместо нее лампы по 60 Вт. При этом ток немного уменьшится значит сопротивление увеличилось (моделируемый греющий кабель «прогрелся»): ток упал до 24,5 А, что меньше номинального, напряжение почти не изменилось 1774 В |  |
| И) Теперь выключим регулятор, включим режимы стабилизации тока и напряжения и включим вновь. Теперь регулятор «обнаружил», что при начально выставленном значении напряжения ток меньше номинального, увеличил выходное напряжение: I=26,0 А, U=1895 В |  ; |
| К) Теперь смоделируем ситуацию еще большего увеличения сопротивления нагрузки — выкрутим 60 Ватные лампы. Теперь осталось по 5 100 Ватных ламп в каждой фазе (вместо 6), это эквивалентно увеличению сопротивления нагрузки на 16% по сравнению с первоначаьным. Регулятор при этом еще больше увеличивает выходное напряжение до достижения требуемого значения тока 26 А (точность стабилизации плюс минус 0,5 А): |  |
| Л) Теперь вкрутим обратно лампы по 100 Вт и вкрутим еще дополнительно лампы по 60 Вт. Это будет эквивалентно уменьшению сопротивления цепи меньше номинального. При этом регулятор начинает уменьшать напряжение до номинального, дойдя до которого он останавливает этот процесс и поддерживает напряжение на уровне номинального напряжения питания – поскольку ток больше номинального. Такая ситуация возможна, например при пуске) |  |
| М) Теперь выкрутим снова лампы по 100 Вт (у нас стало 5 100 Ватных ламп и одна 60 ватная в каждой фазе), выключим регулятор и зададим значение функции F36 равное 1: | |
| Н) Теперь в начальный момент регулятор выставит напряжение 1990 В (пуск на «горячий» греющий кабель): |  |
| О) Но через несколько секунд войдя в режим стабилизации тока регулятор уменьшит напряжение — также как и в случае К) | |
Вывод: моделирование показывает, что задача стабилизации тока погружного электродвигателя ЭЦН решаема с помощью тиристорного регулятора ТРМ-3-С-160 производства ООО «Звезда-Электроника».
