Operating conditions optimization of electric drives of reservoir pressure maintenance systems pumps

Full Text

Основными потребителями электроэнергии систем поддержания пластового давления (ППД), предназначенных для повышения нефтеотдачи посредством закачки воды в пласт, являются асинхронные и синхронные двигатели насосных агрегатов. По технологическим требованиям система ППД должна обеспечивать поддержание текущих значений расхода Q(t) и напора H(t) на заданном уровне Qz(t) и напора Hz(t) с допустимой погрешностью ξ: ; . (1) На большинстве существующих установок управление режимами осуществляется включением необходимого числа k агрегатов из общего числа n. Поскольку добиться выполнения условий (1) при дискретном регулировании удается лишь в частных случаях, в качестве допустимых альтернативных вариантов решения технологической задачи рассматриваются варианты, соответствующие выполнению условий ; . (2) При этом для выполнения требований технологии используется дополнительное регулирование дросселированием, что приводит к непроизводительному расходу энергии. Каждому из допустимых в соответствии с (2) альтернативных вариантов включения насосных агрегатов на временном интервале (0,T) соответствуют без учета переходных процессов потери мощности ΔPj и электроэнергии , , (3) где m1 – число допустимых альтернативных вариантов, удовлетворяющих условию (2), из множества вариантов, определяемого суммой числа сочетаний включенных агрегатов ; . Задача оптимизации режимов работы электроприводов насосных агрегатов заключается в выборе из множества допустимых альтернатив варианта, обеспечивающего минимум функционала (3) при выполнении требований технологического задания (1). Остановимся на методике решения поставленной задачи. Как показывает практика, насосные станции систем ППД работают достаточно длительное время в одном режиме подачи жидкости и реальный суточный график требуемого расхода Qz(t) может быть с достаточной точностью заменен ступенчатым, состоящим из l интервалов длительностью Ti c постоянными значениями Qzi, (рис. 1). При этом i-му интервалу для j-го альтернативного варианта включения насосных агрегатов соответствуют потери мощности и потери электроэнергии , а потери электроэнергии за сутки определяются суммированием потерь на отдельных интервалах. Рис. 1. Суточный график требуемого расхода В результате задача оптимизации [1] сводится к выбору из множества допустимых альтернатив для каждого i-го временного интервала варианта включения насосных агрегатов, обеспечивающего минимум потерь мощности: . Для определения параметров режимов и потерь мощности используются рабочие характеристики Q-Н центробежных насосов и характеристика трубопровода (рис. 3). Характеристики Q-Н центробежных насосов в пределах рекомендуемых подач описываются уравнением квадратичной параболы [2] , (4) где Нf – фиктивный напор при нулевой подаче, м; Sf – гидравлическое фиктивное сопротивление насоса, м∙(с/л)2. Фиктивные параметры определяются [2] по каталожным данным насоса или по экспериментальным данным. Для этого находятся координаты двух точек рабочей части напорной характеристики насоса, которым соответствуют значения напоров Н1 и Н2, м, и подачи Q1 и Q2, л/с, и далее вычисляются: ; или Характеристика трубопровода описывается уравнением [2] где Нс – напор в начале трубопровода; S – гидравлическое сопротивление трубопровода; Нst – статический напор, обусловленный разностью геодезических отметок подачи и приема жидкости. Гидравлическое сопротивление трубопровода и статический напор определяются аналогично фиктивным параметрам насоса на основе экспериментальных данных или по проектным данным трубопровода. Параметры рабочего режима системы «насос – трубопровод» определяются точкой пересечения Q-Н характеристик насоса и трубопровода. В случае включения одного насоса по выражению (4) вычисляется напор, достигаемый данным насосом при необходимой подаче. При параллельной работе насосов для определения параметров рабочего режима решается система уравнений для их Q-Н характеристик при одинаковом напоре и рассчитывается эквивалентная характеристика насосов. В случае последовательного включения насосов система уравнений рассматривается для одинаковой подачи. Вычисленный для каждого альтернативного варианта включения насосов напор сравнивается с минимально необходимым для данного режима водоподачи в соответствии с характеристикой трубопровода: необходимый режим считается достигнутым, если выполняется условие (2). При работе насосной установки с подачей меньше расчетной (введение дросселя в напорную линию) возникает несоответствие между напором, развиваемым насосом, и напором, требуемым для подачи того или иного количества жидкости, – превышение напора насоса ∆Н. Сравнение характеристики центробежных насосов и трубопроводов показывает, что при уменьшении подачи требуемый напор также уменьшается, а развиваемый насосом напор увеличивается. Выражение для потерь мощности из-за превышения напора на i-м интервале для j-го альтернативного варианта может быть записано в виде , (5) где ρ – плотность жидкости, кг/м3; g – ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2; η – КПД насоса. КПД насоса вычисляется на основании экспериментальных данных: , где P – мощность, кВт, потребляемая насосным агрегатом; ηed – КПД электродвигателя. Для варианта включения группы насосов потери мощности из-за превышения напора для каждого насоса с учетом его КПД и подачи вычисляются отдельно по (5), затем суммируются с учетом снижающего коэффициента φ (для 2 работающих насосов φ = 0,75, для 3 – φ = 0,66 и т. д.). Поставленная задача статической оптимизации при большом числе альтернативных вариантов может быть решена с использованием аппарата целочисленного программирования [1]. Рассмотрим применение данной методики оценки повышения энергетической эффективности электропривода центробежных насосов на примере типовой насосной станции II водоподъема (рис. 2). Рис. 2. Технологическая схема насосной станции, суточный график нагрузки Рабочие характеристики насосов и трубопровода (рис. 3) построены по (1) и (4) на основании экспериментальных данных: энергопотребление насосными агрегатами, расход жидкости и напор в двух рабочих режимах. Результаты решения задачи оптимизации в соответствии с предложенной методикой для рассматриваемого примера представлены в таблице. Как следует из приведенных результатов, за счет оптимизации включения насосного оборудования непроизводительный расход электрической энергии на рассмотренном объекте возможно снизить до уровня 301,3 тыс. кВтч в год, что при тарифе 1,89 руб. за 1 кВтч составляет ∆Esum = 570 тыс. руб. в год. В случае использования частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) превышение напора, которое имеет место при дискретном регулировании, ликвидируется и энергопотребление насосов уменьшается до необходимого минимума, а снижение энергопотребления по абсолютному значению равно потерям, обусловленным превышением напоров [2, 3]. В ходе разработки и эксплуатации системы частотного регулирования режима работы насосной установки требуется определить частоту вращения насосных агрегатов, обеспечивающую нужный режим работы установки. Напорная характеристика центробежного насоса, работающего с переменной частотой вращения, описывается согласно [2] уравнением (6) где n и nnom – текущее и номинальное значения частоты вращения насоса соответственно. Рис. 3. Рабочие характеристики насосов и трубопровода Оптимальные варианты достижения требуемой производительности Режим Требуемый расход жидкости Q, м3/ч Минимально необходимый напор Н, м Оптимальный вариант Превышение напора ∆Н, м Годовые потери электроэнергии из-за превышения напора ∆W, тыс. кВт·ч №1 396 132 Совместная работа насосов №3 и №4 11,9 117,2 №2 611 179 Совместная работа насосов №2 и №4 6,2 60 №3 725 211 Совместная работа насосов №1 и №2 2,5 12,8 №4 520 157 Работа насоса №1 12,5 52,8 №5 700 204 Совместная работа насосов №1 и №2 11,8 58,5 Итого 301,3 Совместным решением уравнения напорной характеристики (6) и характеристики трубопровода (4) относительно частоты вращения получено выражение , где Qmax – наибольшая для данной системы подача насоса. При решении задачи повышения энергоэффективности насосных станций за счет использования ЧРП помимо снижения энергопотребления за счет ликвидации превышения напоров необходимо учитывать потери в устройствах, регулирующих частоту вращения насоса. Потери, обусловленные снижением КПД электродвигателя из-за несинусоидальности преобразованного тока, а также потери в частотных преобразователях равны [4, 5] , где Pmax – мощность, потребляемая насосом при максимальной подаче; кВт; T – время работы; ζ – коэффициент, учитывающий потери за счет несинусоидальности преобразованного тока, ζ = 0,03÷0,05; ηfc – КПД частотного преобразователя, ηfc = 0,9÷0,95. Применение ЧРП позволит избежать рассчитанных выше затрат, и для оценки целесообразности его внедрения необходимо рассчитать затраты на приобретение оборудования и строительно-монтажные и наладочные работы. Уровень капитальных затрат на внедрение ЧРЭП достаточно высок, поэтому для установки необходимо выбрать минимум насосов. Согласно таблице три режима из пяти достигаются раздельным и совместным включением насосов №1 и №2, остальные два режима также могут быть обеспечены включением насоса №1 на пониженную скорость. Таким образом, целесообразно внедрять ЧРЭП именно для этих агрегатов. Суммарные затраты на оборудование, строительно-монтажные и наладочные работы составят тыс. руб., где Сfc1, Сfc2 – стоимость преобразователей частоты для двигателей насосных агрегатов №1 и №2 соответственно; Сtr – стоимость согласующего трансформатора ТМ-400/6/0,4; Сw – стоимость строительно-монтажных и наладочных работ. Срок окупаемости затрат на внедрение ЧРЭП составит Таким образом, рассмотренный метод решения оптимизационной задачи выбора режимов работы электроприводов насосов систем поддержания пластового давления при дискретном регулировании позволяет для каждого временного интервала определить вариант включения насосных агрегатов, обеспечивающий минимум потерь мощности, что, в свою очередь, позволяет оценить повышение энергоэффективности при использовании частотно-регулируемого электропривода.

About the authors

Alexander M Abakumov

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Ivan S Mukhortov

Samara State Technical University

Postgraduate student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

References

Supplementary files