Решения для нефтяной промышленности

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».