Моделирование сопряженных энергетических процессов погружного электродвигателя при утяжеленных пусках в циклических режимах УЭЦН

Одной из перспективных технологий добычи нефти является циклический режим эксплуатации установок электроцентробежных погружных насосов (УЭЦН). Однако применение циклического режима при определенных параметрах УЭЦН, скважины и добываемой жидкости с высоким содержанием примесей, приводящих к заклиниванию насоса, может сопровождаться значительным сокращением наработки на отказ погружного электродвигателя (ПЭД). В связи с этим необходимо углубленное исследование сопряженных электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов для утяжеленных условий частых пусков ПЭД. Цель работы – комплексное моделирование сопряженных энергетических процессов асинхронного ПЭД, позволяющее выбрать рациональные средства и алгоритмы управления пуском двигателя, проверить эффективность решений по корректировке компоновки погружной части установки и повысить надежность работы УЭЦН в циклических режимах. Предметом исследования являются сопряженные энергетические процессы ПЭД в системе УЭЦН. Моделирование выполнено с учетом параметров элементов системы электроснабжения, возможностей системы управления регулируемым электроприводом, а также тепловых процессов асинхронного ПЭД с учетом условий пуска, работы и охлаждения двигателя в скважине. Разработана комплексная модель, учитывающая: процессы насыщения магнитопровода и вытеснения тока в обмотке ротора ПЭД; влияние различных степеней заклинивания насоса на его механическую характеристику; скалярную частотную систему управления с ограничением тока статора и динамическими воздействиями на ПЭД («толчок», «раскачивание», «встряхивание»); влияние пусковой муфты и ее параметров на процессы пуска; кондуктивный и конвективный теплообмен между элементами двигателя и теплоносителями (внутренним – маслом, внешним – флюидом) при нагреве ПЭД. Численное моделирование показало, что прямой и частотный пуски ПЭД могут быть успешными только при слабой степени заклинивания УЭЦН. Режимы «толчков», «встряхивания» и «раскачки» расширяют возможности расклинивания в ограниченном диапазоне средней заклинки. Применение обратной связи с ограничением тока статора позволяет реализовать пуски во всем диапазоне средней заклинки. Использование пусковой муфты с редуцированием передаточного отношения обеспечивает пуски при сильной заклинке. Установлено, что заклинивание насоса вызывает перегрев обмотки статора двигателя за время около 5 % постоянного времени нагрева. Работа ПЭД при успешных пусках в циклических режимах сопровождается снижением средней температуры нагрева двигателя по сравнению с длительными режимами, однако при повышенной продолжительности включения возможно накопление температуры – рост средней температуры обмотки.