Устойчивость регулируемого привода штанговой насосной установки в рабочих режимах и при провалах напряжения в сети

Введение

Для повышения технологической и энергетической эффективности штанговые насосные установки (ШНУ), широко используемые для добычи нефти, оснащают частотно-регулируемым электроприводом (ЧРП), но его применение сдерживается неустойчивостью при работе в условиях недостаточной уравновешенности станков-качалок и в условиях частых возмущений в электрических сетях нефтепромыслов.

Практика применения ЧРП ШНУ показала, что основными причинами снижения устойчивости привода являются кратковременные провалы напряжения в электрических сетях нефтепромыслов, а также присутствие в цикле качания периода работы в генераторном режиме, который возникает по причине неравномерности нагрузки, из-за действия инерционных и вибрационных нагрузок, обусловленных характером движения колонны штанг. Кратковременный генераторный режим при качании может возникать даже во время работы хорошо уравновешенных установок с небольшой глубиной спуска насоса и, как следствие, малым усилием в точке подвеса штанг, создаваемым весом столба жидкости, когда разница максимальной и минимальной нагрузок за цикл невелика. При переходе в генераторный режим энергия, поступающая от двигателя через инвертор, не может быть рекуперирована в сеть через неуправляемый выпрямитель преобразователя частоты (ПЧ), при этом напряжение звена постоянного тока увеличивается, что приводит к последующему отключению ПЧ встроенной защитой от перенапряжения [1].

Для повышения устойчивости и исключения нежелательных аварийных отключений ЧРП ШНУ при генераторном режиме можно использовать ПЧ с возможностью рекуперации энергии, установить тормозной резистор или использовать специальную программную настройку. Применение рекуперативного ПЧ связано с существенным увеличением капитальных вложений по причине использования активного выпрямителя. Установка тормозного резистора связана с непроизводительным расходом рекуперируемой энергии, она рассеивается в виде тепла. Программная настройка частоты – функция предотвращения рекуперации (ФПР) сопровождается увеличением скорости двигателя, что может вызывать нежелательные динамические усилия в частях ШНУ. Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки, таким образом, существует неоднозначность решения проблемы негативного влияния генераторного режима на работу ПЧ.

Также особенностью ЧРП является повышенная чувствительность к нарушениям электроснабжения, в частности, к провалам питающего напряжения [2]. При значительном снижении напряжения в звене постоянного тока произойдет отключение ПЧ от сети по причине срабатывания защиты минимального напряжения, что необходимо для предотвращения броска тока при заряде конденсатора после восстановления напряжения [3]. Повышение надежности работы ШНУ при провалах напряжения возможно обеспечить при помощи системы бесперебойного питания (СБП), подключаемой к звену постоянного тока.

В соответствии с обозначенными проблемами и их возможными решениями выполнено моделирование и рассмотрены способы устранения перенапряжения в звене постоянного тока, возникающего во время работы ЧРП ШНУ, применение СБП для поддержания работы при провалах питающего напряжения с целью определения влияния данных решений на устойчивость системы.

Методы

Для исследования способов устранения влияния генераторного режима и провалов питающего напряжения на работу ПЧ выполнено моделирование электротехнического комплекса штанговой насосной установки в среде Matlab, Simulink (библиотека Sim Power Systems). Разработана модель, основными элементами которой являются: участок электрической сети, преобразователь частоты, асинхронный короткозамкнутый электродвигатель, четырехзвенный механизм станка-качалки, скважина, а также двунаправленный преобразователь постоянного тока (DC/DC преобразователь) и свинцово-кислотная аккумуляторная батарея (АКБ).

Электротехническая система включает источник мощностью короткого замыкания S_кз = 100 МВА; воздушную линию (ВЛ – 6 кВ) длиной 6 км, сечением алюминиевого провода 16 мм²; трансформатор 6/0,4 кВ мощностью 40 кВА; кабельную линию от трансформатора до преобразователя частоты длиной 20 м с алюминиевыми жилами сечением 10 мм²; преобразователь частоты на базе нерегулируемого выпрямителя и трехфазного инвертора, управляемого по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ); асинхронный короткозамкнутый электродвигатель с двумя парами полюсов, параметры которого включают: номинальная мощность P_ном = 30 кВт; номинальная скорость n_ном = 1485 об/мин; номинальный КПД η = 0,91; cos φ = 0,86; номинальный ток I_ном = 60 А; кратность пускового тока i_п = 7,7; кратность пускового момента m_п = 2,7; кратность максимального момента m_макс = 3,2 и момент инерции J = 0,1326 кг∙м²  Управление преобразователем частоты в данной модели выполняется по скалярному закону с поддержанием заданной скорости электродвигателя.

Математическая модель асинхронного короткозамкнутого двигателя, представленная системой уравнений (1), которая построена для связанной с ротором (dq-оси) двухфазной ортогональной системы координат. Механическая часть привода представлена уравнением (2). Расчет параметров схемы замещения, используемой в модели, выполнен по формулам, представленным в [4].

Моделирование штанговой насосной установки выполнено для станка-качалки аксиального типа, кинематическая схема которого представлена на рис. 1 [5, 6]. На рис. 1 используются следующие обозначения: R – кривошип; P – шатун; C – заднее плечо балансира; A – переднее плечо балансира, также представлены вспомогательные длины и углы, которые были использованы для моделирования.

Переменные в уравнениях (1) и (2) имеют следующие обозначения: U_ds, i_ds – проекции напряжения и тока статора на ось d; U_qs, i_qs – проекции напряжения и тока статора на ось q; ,  – проекции напряжения и тока ротора на ось d; , – проекции напряжения и тока ротора на ось q; ψ_ds, ψ_qs – проекции потокосцепления статора на оси d, q; ,  – проекции потокосцепления ротора на оси d, q; R_s,  – активные сопротивления статорной и роторной обмоток; T_e, T_m – электромагнитный момент двигателя и момент сопротивления механизма, приведенный к валу двигателя; ω, ω_m и ω_r – угловая скорость системы координат, механическая угловая скорость вала двигателя и электрическая угловая скорость ротора двигателя; J, F – момент инерции и коэффициент вязкого трения ротора и нагрузки.

Рис. 1. Аксиальная кинематическая схема станка-качалки

Работа ШНУ осуществляется циклически, пример динамограммы нормальной работы представлен на рис. 2, а, на ней обозначены следующие периоды [7]:

A–B – начало движения колонны штанг вверх, происходит передача нагрузки (веса колонны жидкости) от колонны труб колонне штанг, длина труб уменьшается, а штанг увеличивается, клапаны насоса закрыты;

B–C – движение колонны штанг вверх после завершения процесса передачи нагрузки, приемный клапан открыт, жидкость поступает в цилиндр насоса;

C–D – приемный клапан закрывается в крайнем верхнем положении колонны штанг, начало движения колонны штанг вниз, происходит передача нагрузки от колонны штанг колонне труб, длина труб увеличивается, а штанг уменьшается, клапаны насоса закрыты;

D–A – движение колонны штанг вниз после завершения процесса передачи нагрузки, нагнетательный клапан открыт. Крайнее нижнее положение – завершение цикла.

На рис. 2, б представлена диаграмма зависимости периодов качания от угла поворота вала кривошипа с разделением цикла на 4 квадранта, такое представление более удобно при настройке регулирования установки.

Рис. 2. Периоды цикла качания: а – на устьевой и скважинной динамограммах; б – на диаграмме положения полированного штока относительно угла поворота кривошипа

Как известно, работа даже хорошо уравновешенного станка-качалки может сопровождаться переходом двигателя в кратковременный генераторный режим на I и III периодах цикла качания, показанных на рис. 2. Длительность данного режима может увеличиваться при изменении параметров ШНУ в процессе работы при износе оборудования [1].

В модели штанговой насосной установки, которая включает в себя редуктор, четырехзвенный механизм станка-качалки и скважинную часть, учтены цикличность нагрузки, давление на приеме, плотность и динамический уровень жидкости в скважине, вес колонны штанг в жидкости, вес столба жидкости, степень уравновешенности станка-качалки, а также потеря хода точки подвеса штанг, которая связана с упругими удлинениями при передаче нагрузки от колонны труб штанге [8, 9].

Используемые в математической модели уравнения и зависимости позволяют отслеживать положение, скорость и ускорение точки подвеса колонны штанг на основе информации о геометрических размерах механизма станка-качалки, а также позволяют определить коэффициент для вычисления момента сопротивления на валу кривошипа на основе информации о нагрузке в точке подвеса [10, 11].

Таким образом, созданная модель позволяет оценить режимы работы ШНУ с различной нагрузкой и степенью уравновешенности станка-качалки, определить потребляемую из сети энергию и энергию, рассеиваемую на тормозном резисторе в цепи постоянного тока ПЧ при работе асинхронного электродвигателя в генераторном режиме, возникающем при движении колонны штанг вниз под собственным весом.

Модель дополнена СБП, существует большое количество схем ее реализации. В моделировании рассмотрена система, которая представляет собой DC/DC преобразователь, подключенный к звену постоянного тока преобразователя частоты ШНУ. DC/DC преобразователь аналогичен инвертору преобразователя частоты, отличие заключается в системе управления, законе формирования сигналов управления работой IGBT [12]. К выходу DC/DC подключены дроссели и аккумуляторные батареи (АКБ), количество и схема соединения которых зависит от длительности резервирования. Система управления должна формировать сигналы открытия силовых ключей таким образом, чтобы поддерживать требуемый уровень напряжения в звене постоянного тока, а также регулировать ток и напряжения заряда и разряда аккумуляторных батарей. Она состоит из внутреннего контура с обратной связью по току DC/DC на стороне АКБ и внешнего контура с обратными связями по напряжению в звене постоянного тока ПЧ при разряде и по напряжению АКБ при заряде [13].

Существуют несколько видов моделей АКБ, они могут выполняться на основе только данных экспериментов, на основе математического описания химических процессов и на основе электрических эквивалентных схем замещения. При моделировании использовался третий вид, такая модель представлена в стандартной библиотеке Simulink. Параметры, требуемые для данной модели, возможно определить на основе технических данных и разрядных характеристик, предоставляемых производителем [14], но наиболее точной настройки можно добиться, проведя реальные испытания интересующей АКБ.

В системе управления задан диапазон напряжений на стороне АКБ: 310–435 В, а также диапазон напряжений на стороне звена постоянного тока ПЧ: 495–550 В. Максимальная погрешность модели АКБ стандартной библиотеки Simulink составляет 5 % для диапазона уровня заряда от 10 до 100 % и токов от 0 до удвоенного значения емкости при заряде, и токов от 0 до пятикратного значения емкости при разряде. Допущения рассматриваемой модели АКБ:

• внутреннее сопротивление не изменяется с амплитудой тока и постоянно в течение циклов заряда и разряда;
• разрядные и зарядные характеристики одинаковы;
• емкость батареи не изменяется с амплитудой тока, эффект Пейкерта [15] отсутствует;
• саморазряд АКБ не реализован в данной модели, но его можно реализовать, добавив параллельно клеммам аккумулятора большое сопротивление;
• АКБ не обладает эффектом памяти.

Параметры системы АКБ из 32 штук подобраны из расчета поддержания работы нагрузки мощностью 30 кВт в течение 5 мин с поддержанием на каждой батарее напряжения 10,8 В. Для этого требуется, чтобы при разряде постоянной мощностью на каждый АКБ в системе приходилось, Вт/эл:

В каталожных данных разных производителей указано, что для рассматриваемого случая система из 32 АКБ номинальной емкостью 33 А ч каждый способна обеспечить разряд постоянной мощностью 1020 Вт/эл, в модели заданы параметры, аналогичные такой системе из 32 АКБ.

Результаты моделирования ШНУ

Выполнено моделирование работы штанговой насосной установки с периодом генераторного режима. На рис. 3 представлены графики для станка-качалки со значительным небалансом ≈ 50 %, степень небаланса определена при помощи коэффициента неуравновешенности по току [16, 17]. При помощи нижнего графика на рис. 3 можно определить начало генераторного режима – 8,2 с, когда момент нагрузки на валу принимает отрицательное значение. На верхнем графике кривая под номером 1 – мощность, рассеиваемая на тормозном резисторе, кривая под номером 2 – напряжение звена постоянного тока, для которого задано ограничение в 757 В, при достижении данного значения выполняется включение цепи с тормозным резистором и рассеивание избытка энергии.

Рис. 3. Кривые напряжения звена постоянного тока и мощности, рассеиваемой на тормозном сопротивлении (верхний график), кривая крутящего момента на валу кривошипа с учетом действия противовесов (нижний график) при небалансе ≈ 50%

Для разного уровня небаланса на рис. 4 и 5 на верхних графиках приведены кривые напряжения в звене постоянного тока: под номером 1 – при постоянной скорости (без ФПР), под номером 2 – при активной ФПР. Для более наглядного обозначения периода действия ФПР в нижней части данных рисунков приведены графики скорости, которые обозначены номером 3. Также номером 1 обозначены графики мощности, рассеиваемой на тормозном резисторе без ФПР, а номером 2 – при активной ФПР.

Рис. 4. Кривые напряжения звена постоянного тока (верхний график), кривые скорости и рассеиваемой на тормозном сопротивлении мощности (нижний график) при отключенной и при активной ФПР и небалансе ≈ 50 %

Рис. 5. Кривые напряжения звена постоянного тока (верхний график), кривые скорости и рассеиваемой на тормозном сопротивлении мощности (нижний график) при отключенной и при активной ФПР и небалансе ≈ 5 %

Результаты моделирования провалов напряжения и работы DC/DC преобразователя

Возмущения в электрической сети связаны с короткими замыканиями: близкими, начиная от воздушной линии электропередачи, и удаленными – в сетях 35 кВ и выше. Моделирование близких КЗ осуществлялось в узле, к которому подключена воздушная линия электропередачи напряжением 6 кВ. Установлено, что при однофазных КЗ в сети 6 кВ работа привода может быть продолжена. Трех- и двухфазные КЗ в сети 6 кВ приводят к отключениям, ЧРП ШНУ теряет питание. В случае неотключения двухфазного КЗ в звене постоянного тока возникают большие колебания напряжения, как это показано на рис. 6, а, и большие колебания тока на входе ПЧ, как это показано на рис. 6, б, что с большой вероятностью приведет к выходу оборудования из строя. Отметим, что при соединении обмоток трансформатора 6/0,4 кВ по схеме ∆/Y₀–11 значение среднего напряжения в звене постоянного тока ПЧ выше, чем при соединении обмоток трансформатора по схеме Y/Y₀–12. В случае неотключения питания РЗиА сети при аварийных режимах должна срабатывать индивидуальная защита привода. Рекомендуется использовать и автоматический выключатель, и быстродействующий плавкий предохранитель, соответствующие номинальным параметрам привода, для обеспечения полноценной защиты.

Рис. 6. Двухфазное КЗ на участке питающей сети 6 кВ: а – напряжение в звене постоянного тока ПЧ; б – ток на входе ПЧ

Удаленные КЗ проявляются в узлах нагрузки 6 кВ и на вводах ПЧ в виде провалов напряжения. Для сохранения в работе ЧРП с центробежными рабочими механизмами эффективным средством повышения устойчивости является опция «кинетический резерв» [18], по сути являющаяся функцией, обратной предотвращению рекуперации, о которой было сказано выше. Опция «кинетический резерв» за счет снижения задающей частоты на выходе ПЧ вызывает ускоренное снижение скорости двигателя, при этом избыточная энергия двигателя затрачивается на поддержание напряжения в звене постоянного тока.

В приводе ШНУ применение опции «кинетический резерв» будет неэффективно в связи с тем, что момент сопротивления механизма зависит не пропорционально от квадрата скорости, как в центробежных механизмах, а по более сложному закону, зависимому от положения точки подвеса, и реализация данной опции возможна лишь на малом периоде цикла. В связи с этим исследована возможность подключения к звену постоянного тока ПЧ системы бесперебойного питания (СБП) на базе DC/DC преобразователя и АКБ.

Обычно ПЧ имеет встроенную защиту от провалов напряжения в звене постоянного тока – защита минимального напряжения (ЗМН), которая по умолчанию находится в пределах от 64–76 до 85–90 % от значения номинального напряжения [3]. Уровень напряжения обусловлен допустимым значением тока диодов выпрямителя при восстановлении питания и броске зарядного тока конденсатора звена постоянного тока, для предотвращения которого выполняется подключение звена заряда конденсатора. Также уровень напряжения связан с минимально допустимым напряжением, которое необходимо для поддержания нормального рабочего режима установки.

Выполнено моделирование работы со снижением напряжения звена постоянного тока до 0,7 от номинального. На рис. 7, а представлены напряжения для двух режимов, а на рис. 7, б – соответствующие скорости двигателя.

Рис. 7. Для двух режимов работы: 1 – при номинальном напряжении и 2 – при снижении напряжения до 0,7 от номинального значения, представлены кривые: а – напряжения звена постоянного тока; б – скорости двигателя

На рис. 8 представлены результаты моделирования длительного провала напряжения в звене постоянного тока (U_пч = 0,7U_пчном ), но с подключенной к звену постоянного тока СБП – кривая под номером 2. Созданная модель с СБП способна поддерживать напряжение в звене постоянного тока при провалах напряжения без возникновения негативных колебаний на валу двигателя.

На рис. 9 представлены напряжение в звене постоянного тока и напряжение АКБ для опыта, при котором использовались следующие периоды провалов напряжения до значения U_пч = 0,3U_пчном: 2–3 с; 4,1–5,1 с; 6,8–7,1 с.

Рис. 8. Напряжение звена постоянного тока в нормальном режиме – кривая 1, и в режиме со снижением входного напряжения до 0,7 от номинального значения при подключенной СБП – кривая 2

Рис. 9. Напряжение звена постоянного тока и АКБ в режиме с кратковременными провалами входного напряжения в трех фазах до 0,3 от номинального значения при подключенной СБП

Обсуждение результатов

На основании выполненных опытов можно заключить: функция подавления рекуперации позволяет полностью устранить генераторный режим только при необходимости рассеивания малой величины мощности, что показано на рис. 5; настройка уровня разгона при использовании функции подавления перенапряжения и ограничения скорости и момента должны проводиться с учетом реальных характеристик скважины и оборудования, потому что в некоторых случаях увеличение скорости может привести к недопустимым механическим нагрузкам в частях установки. ФПР приводит к уменьшению длительности цикла качания, что должно учитываться при планировании режима работы установки.

Электромагнитный момент оказывает на ротор тормозящее действие в генераторном режиме, но при активной ФПР электромагнитный момент остается вращающим. При действии ФПР электромагнитный момент и момент сопротивления, который изменил знак и стал отрицательным при движении колонны штанг вниз, увеличивают скорость двигателя, и замедление колонны штанг в конце периода хода вниз происходит более интенсивно, быстро [1]. По результатам моделирования подтверждено, что чем больше длительность генераторного режима, тем большая мгновенная скорость ротора должна быть развита. Отсутствие ограничения по скорости при активной ФПР может привести к разгону до скорости, превышающей номинальную на 50–70 %, если это допустимо для двигателя. Большая динамика скорости в конце IV и в I периоде цикла качания приводит к дополнительным инерционным усилиям в элементах станка-качалки и динамическим ударам в конструкции станка-качалки, что увеличивает износ и приводит к выходу установки из строя. Таким образом, ФПР без дополнительного использования тормозных резисторов может быть успешно применена, если она не приведет к критическому увеличению нагрузки, то есть для ШНУ с малым по длительности периодом генераторного режима, для устранения которого не требуется значительное увеличение скорости вращения вала двигателя, или при работе двигателя на скорости значительно меньше номинальной, поддерживаемой ПЧ.

Следует отметить, что в случае отсутствия возможности передачи избыточной энергии в сеть рекомендуется применять тормозной резистор даже с активной функцией подавления рекуперации, если нет полной уверенности в том, что режим работы не изменится со временем и период генераторного режима не увеличится. Также следует учитывать, что превышение напряжения звена постоянного тока может быть вызвано не только переходом в генераторный режим, поэтому рекомендуется предпринять меры для снижения вероятности возникновения иных причин, таких как: высокое выходное напряжение, скачки напряжения на выходе ПЧ, неправильное подключение заземления, неисправность двигателя и др.

При снижении напряжения увеличиваются колебания момента, на рис. 7, б можно наблюдать увеличение колебаний и появление провалов скорости. В рассматриваемой модели не использовались ЗМН звена постоянного тока и защита от перегрузки ПЧ, которые могут сработать в данных условиях. Последующее снижение напряжения приводит к еще большему снижению стабильности работы установки и последующему останову двигателя, поэтому для поддержания работы при наличии значительных провалов напряжения или кратковременных прерываний можно рекомендовать СБП.

Результаты моделирования СБП, представленные на рис. 8 и 9, показали ее действенность как при длительных провалах напряжения в питающей сети, так и при кратковременных. Полученные результаты приближены к идеальным, проведение измерений на реальном объекте или выполнение физического моделирования СБП с нагрузкой такого характера позволят внести корректировки в данную модель при их необходимости.

Стоит заметить, что рассмотренные свинцово-кислотные АКБ имеют ряд ограничений и требований к глубине разряда, напряжению и току заряда при разных уровнях заряда батареи, параметрам при работе в буферном режиме, температурному диапазону и необходимости температурной компенсации зарядного напряжения. Требования указываются в инструкции на АКБ и должны учитываться системой управления зарядом и разрядом – системой управления DC/DC преобразователя для обеспечения максимально возможного срока службы. Альтернативным вариантом являются суперконденсаторы, которые в общем случае имеют больший срок службы, могут работать в более широком диапазоне температур и имеют меньше ограничений по допустимым уровням напряжения, тока и заряда. Подробные характеристики обычно указываются в паспортах и каталожных данных на то или иное оборудование.

Направление дальнейших исследований может быть связано с повышением точности данной модели и проверкой возможности применения динамического компенсатора искажения напряжения (ДКИН) с ЧРП ШНУ для компенсации отклонений и провалов напряжения.

Заключение

Для анализа устойчивости частотно-регулируемого привода штанговой насосной установки разработана модель, которая учитывает циклический неравномерный характер нагрузки, уравновешенность станка-качалки, процессы, связанные с возникновением генераторного режима, влияние провалов напряжения в сети. Рассмотрен такой способ устранения перенапряжения в звене постоянного тока, как функция подавления перенапряжения. Определено, что данная функция имеет ряд ограничений, которые в первую очередь связаны с длительностью генераторного режима (величиной небаланса) и периодом его появления в цикле качания. При значительном небалансе ФПР будет малоэффективна и потребуется использовать тормозной резистор, если же генераторный режим возникает в конце движения колонны штанг вверх или вниз, то увеличение скорости вращения приведет к нежелательным механическим усилиям, дополнительному износу или даже выходу оборудования из строя.

Другая задача работы заключалась в моделировании провалов напряжения в питающей сети и рассмотрении их влияния на устойчивость работы ШНУ. При малых провалах напряжения ЧРП способен оставаться в работе, в некоторых моделях ПЧ применяются специальные алгоритмы управления для поддержания стабильности работы. Как известно, при более значительных провалах напряжения сработает ЗМН. Одним из способов поддержания работы даже при исчезновении напряжения на короткий срок является СБП. Действие такой системы рассмотрено в ходе моделирования, результаты которого показали действенность данного способа повышения устойчивости работы. Модель, полученная в результате данной работы, может быть использована для выполнения общей оценки работоспособности подобной проектируемой системы и проверки правильности подбора конденсатора звена постоянного тока и дросселей на входе DC/DC преобразователя.