ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К АДАПТИВНО – СЕЛЕКТИВНОЙ СБОРКЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НЕФТЕГАЗОДОБЫЧИ

Ковалев В.З.¹, Архипова О.В.², Архипов А.В.³, Черкасова А.В.⁴

¹ORCID: 0000-0002-4512-6868, Доктор технических наук, профессор, ²ORCID: 0000-0002-8773-8846, ст. преподаватель, ^3,4магистрант, Югорский государственный университет

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К АДАПТИВНО – СЕЛЕКТИВНОЙ СБОРКЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НЕФТЕГАЗОДОБЫЧИ 

Аннотация

В статье рассматривается разработанный энергетический подход к адаптивно-селективной сборке электротехнических комплексов нефтегазодобычи как интегральное развитие теории селективной сборки, теории надежности и теории преобразования энергии электротехническими комплексами и системами.

Показана необходимость применения математического моделирования электротехнических комплексов и систем, как совокупности взаимодействующих и взаимно влияющих элементарных систем различной физической природы. Рассматриваемая задача, основана на предварительном анализе процессов преобразования энергии протекающих в подсистемах электротехнических комплексов нефтегазодобычи.

Ключевые слова: погружной электродвигатель, моделирование, энергоэффективность, установки электроцентробежных насосов.

Kovalev V.Z.¹, Arkhipova O.V.², Arkhipov A.V.³, Cherkasova A.V.⁴

¹ORCID: 0000-0002-4512-6868, PhD in Engineering, professor, Yugra State University, ²ORCID: 0000-0002-8773-8846, Senior Lecturer, Yugra State University, ^3,4Master’s Degree Student, Yugra State University

ENERGY APPROACH TO THE ADAPTIVE AND SELECTIVE ASSEMBLY OF ELECTRO-TECHNICAL COMPLEXES OF OIL AND GAS PRODUCTION

Abstract

The article deals with the developed energy approach to the adaptive selective assembly of electro-technical oil and gas production complexes as an integral development of the theory of selective assembly, reliability theory and the theory of energy conversion by electrical complexes and systems.

The necessity of application of mathematical modeling of electro-technical complexes and systems as a set of interacting and mutually influencing elementary systems of different physical nature is shown. The problem under consideration is based on the preliminary analysis of the energy conversion processes in the electrical systems of oil and gas production in the subsystems.

Keywords: submerged electric motor, modeling, energy efficiency, installation of electric centrifugal pumps.

Затраты электроэнергии являются одной из важнейших составляющих материальных ресурсов, необходимых для обеспечения эффективной работы добывающих предприятий топливно – энергетического комплекса. В настоящее время нестабильная ситуация на мировом нефтяном рынке сделала вопросы снижения себестоимости продукции добывающих предприятий топливно-энергетического комплекса, особо актуальными. Отметим, что значительные резервы заложены в снижении расходов за счет снижения энергозатрат.

Предварительные расчеты показывают, что основываясь на том что, удельные затраты электроэнергии на производство единицы продукции составляют от 30 до 50 % от общей суммы затрат, снижение электропотребления при нефтедобыче всего на два процента, только в масштабах одного Ханты – Мансийского автономного округа – Югры, где насчитывается около 150000 скважин, позволит сэкономить более одного миллиарда кВт час в год. Данными обстоятельствами обусловлена актуальность задачи повышения надежности и энергетических характеристик электротехнических комплексов и систем нефтегазодобычи, как реализующих (производство, транспортировка, потребление) основной объем производимой электрической энергии.

В российской и зарубежной практике, как правило, принципы селективной сборки строятся для физически однородных параметров [1], [2]. В электроэнергетической области проблема усугубляется тем, что ключевые параметры изделия или технологического процесса в целом (коэффициент полезного действия, коэффициент мощности, коэффициент искажения, коэффициент извлечения нефти,…) являются производными взаимодействующих факторов имеющих разную физическую природу [3, С. 56-67]. Например, электротехнический комплекс (ЭТК) установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) содержит несколько электрических подсистем, магнитные подсистемы трансформатора и погружного электродвигателя, гидравлические подсистемы центробежного насоса и насосно-компрессорной трубы, механические подсистемы насоса, тепловые подсистемы и другие [4, С. 39-43], [5].

Дополнительные трудности, при построении технологии селективной сборки устройств рассматриваемого класса, привносит наличие трудноизмеримых параметров (например, электромагнитное поле воздушного зазора электрической машины), или наличие абстрактных величин в математических моделях реальных объектов (например, распространенная Т-образная схема замещения асинхронной электрической машины содержит абстрактный контур намагничивания). Усугубляет ситуацию отсутствие серийных аппаратов и приборов способных измерить параметры реального устройства соответствующие принятой математической модели с требуемой достоверностью.

Один из путей разрешения указанного противоречия – развитие идей адаптивно-селективной сборки (АСС) с широким применением математического моделирования [6].

Математическое моделирование таких объектов как электротехнические комплексы нефтегазодобычи (ЭТК НГД) требует одновременного учета «медленных» процессов гидравлических и механических с одной стороны и «быстрых» – электрических и магнитных с другой. Данное обстоятельство порождает следующую вычислительную проблему – так называемую жесткость или жесткую колебательность математической модели.

Требование к  высокому уровню адекватности моделирования приводит к канонической исходной форме математической модели ЭТК НГД. Характерная структурная особенность этого класса моделей – принципиальная несводимость к нормальной форме Коши [7] (частные случаи требуют введения значительных упрощающих модель допущений). Что исключает возможность применения значительной части арсенала современных методов численного решения [4]. Учет указанных выше особенностей возможен через построение проблемно-ориентированного численного метода соответствующего структуре рассматриваемого класса математических моделей и их вычислительным особенностям. Как удалось показать в работах [6], [8] такой подход позволяет получать многократное преимущество по критерию «время счета – точность счета». Малое время счета модели, позволяет перейти к высоко формализованной постановке задач оптимального управления процессом АСС многокомпонентных узлов, по моделям в исходной форме, в реальном масштабе времени, что является принципиально новым при решении задач селективной сборки с гарантированной надежностью и энергоэффективностью всего ЭТК.

Соответственно проблема подлежащая решению – математическое моделирование ЭТК НГД, как интегральное развитие теории АСС, теории надежности и теории преобразования энергии ЭТК и системами. Средство решения сформулированной выше проблемы – энергетический подход к построению, как математических моделей собственно объектов исследования, так и к созданию специализированного численного аппарата, соответствующего вычислительной структуре анализируемой модели. Отличительная особенность такого подхода заключена в представлении исходного объекта совокупностью взаимодействующих и взаимно влияющих элементарных систем различной физической [9].

Рассматриваемая задача управления построением энергоэффективного и отвечающего принятым критериям надежности ЭТК НГД, основана на предварительном анализе процессов преобразования энергии протекающих в его подсистемах и анализа их физической природы.

Как следствие, возникает необходимость построения методики декомпозиции объекта исследования (в рассматриваемом случае ЭТК НГД) в указанном направлении. Декомпозиция в данном случае осуществляется через анализ возникающих потоков энергии, анализ их физической природы, анализ превращений энергии одних видов в другие. Одновременно требуется сопоставить понятийный аппарат различных теоретических подходов и построить единый математический аппарат, применимый одновременно для извлечения информации из всей синтезированной математической модели объекта.

В данном направлении ранее предложен аппарат энергетических структурных моделей (ЭСМ), вытекающий из закона сохранения и превращения энергии в формулировке сохранения баланса энергий при их взаимных превращениях для замкнутой системы в любой момент времени [10, С. 259-261].  Это определение приводит к выделению базовых (не сводимых друг к другу) структурных элементов: сумматор, независимый источник энергии, приемник (или потребитель) энергии, преобразователь энергии. Дополнительно рассматривается еще один элемент структурного энергетического моделирования, соответствующий передаче энергии одной физической природы без изменения ее количественных характеристик – силовой канал. Вводится в рассмотрение понятие «элементарная физически однородная система», применительно к рассматриваемому объекту. Построенная на указанных выше принципах, энергетическая структурная модель электротехнического комплекса, представляет собой совокупность физически однородных элементарных систем, находящихся во взаимодействии и оказывающих взаимное влияние на протекающие в них процессы. Введение понятия «элементарная физически однородная система», позволит детализировать процессы энергопреобразования в рассматриваемом элементе. Условные границы физически однородных элементарных систем, могут не совпадать с физическими границами деталей и узлов составляющих анализируемую систему. Структурирование исследуемых систем на основании предложенного подхода позволяет перейти от качественных характеристик к набору количественных, однозначно описывающих виды, взаимодействия и взаимное влияние энергий [9].

Разработанные выше положения, применены для элементов УЭЦН. Эксперимент, проведенный в лабораторных условиях на учебном стенде тестирования погружного электродвигателя федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Югорский государственный университет», показал правомерность предложенного подхода.

Сформулированные положения и задачи в совокупности составляют основу энергетического подхода к АСС ЭТК НГД, гарантирующей заданные характеристики надежности и энергоэффективности.

Список литературы / References

1. Бонч-Осмоловский М. А. Селективная сборка / М. А. Бонч-Осмоловский. – М.: Машиностроение, 1974. – 144 с.
2. Волоховская О. А. Об одном подходе к снижению уровня вибраций погружных центробежных насосов для нефтедобычи / О. А. Волоховская // Вестник ННГУ. – 2011. №4–2. – С. 82–84.
3. Ковалев В. З. Моделирование электротехнических комплексов и систем как совокупности взаимодействующих подсистем различной физической природы : дис. … д-ра тех. наук : 05.09.03 : защищена : 30.06.2000 : утв. 08.12.2000 / Ковалев Владимир Захарович. – Омск : ОмГТУ, 2000. – 370 с.
4. Ковалев В. З. Математическое моделирование электротехнических комплексов нефтегазодобычи в задачах энергосбережения : монография / В. З. Ковалев, Г. В. Мальгин, О. В. Архипова ; ГОУ ВПО «ЮГУ». – Ханты-Мансийск : Полиграфист, 2008. – 222 с.
5. Ковалев В. З. Моделирование электротехнических комплексов / В. З. Ковалев, О. А. Петухова, О. В. Архипова и др. // Вестник Югорского государственного университета. – 2014. – № 2 (33). – С. 83–86.
6. Ковалев В. З. Моделирование ЭТК численными методами с двусторонней оценкой глобальной погрешности / ОмГТУ. – Омск, 1999. – 6 с. – Деп. в ВИНИТИ РАН 03.02.1999, № 353-В1999.
7. Hairer E., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations II: Stiff and Differential-Algebraic Problems / E. Hairer, G. Wanner // Springer Series in Computational Mathematics. – 1996. – V. 14. – 614 p.
8. Ковалев В. З. Оценка погрешности численного моделирования динамики ЭТК / ОмГТУ. – Омск, 1999. – 6 с. – Деп. в ВИНИТИ 03.02.1999, № 357-В1999.
9. Ковалев В. З. Методика управления энергоэффективностью и надежностью электротехнического комплекса УЭЦН / В. З. Ковалев, О. В. Архипова // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. URL: http://www.science-education.ru/120-16219 (дата обращения: 10.07.2017).
10. Ковалев В.З. Моделирование процессов управления в электротехнических комплексах и системах / В. З. Ковалев // Системы управления и информационные технологии. – 2009. – Т. 35 – № 1.2. – С. 259–263.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bonch-Osmolovskij M. A. Selektivnaja sborka [Selective assembly] / M. A. Bonch-Osmolovskij. – M.: Mashinostroenie, 1974. – 144 p. [in Russian]
2. Volohovskaja O. A. Ob odnom podhode k snizheniju urovnja vibracij pogruzhnyh centrobezhnyh nasosov dlja neftedobychi [About the approach to reducing the vibration level of submersible centrifugal pumps for oil production] / O. A. Volohovskaja // Vestnik NNGU [Bulletin of NNGU]. – 2011. № 4–2. – P. 82–84. [in Russian]
3. Kovalev V. Z. Modelirovanie jelektrotehnicheskih kompleksov i sistem kak sovokupnosti vzaimodejstvujushhih podsistem razlichnoj fizicheskoj prirody [Modeling of electrotechnical complexes and systems, as summation of interacting subsystems with different physical nature] : dis. … PhD in Engineering : 05.09.03 : defense of the thesis: 30.06.2000 : approved 08.12.2000 / Kovalev Vladimir Zakharovich. – Omsk : OmGTU, 2000. – 370 p. [in Russian]
4. Kovalev V. Z. Matematicheskoe modelirovanie jelektrotehnicheskih kompleksov neftegazodobychi v zadachah jenergosberezhenija : monografija [Mathematical modeling of electrotechnical oil production complexes, for energy-saving aims: monograph] / V. Z. Kovalev, G. V. Malgin, O. V. Arkhipova ; GOU VPO «JuGU». – Khanty-Mansijsk : Poligrafist, 2008. – 222 p [in Russian]
5. Kovalev V. Z. Modelirovanie jelektrotehnicheskih kompleksov [Modeling of ETC] / V. Z. Kovalev, O. A. Petuhova, O. V. Arkhipova and others // Vestnik Jugorskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Yugra State Univ.]. – 2014. – № 2 (33). – P. 83–86. [in Russian]
6. Kovalev V. Z. Modelirovanie JeTK chislennymi metodami s dvustoronnej ocenkoj global'noj pogreshnosti [Modeling of ETC by numerical methods with two-sided estimation of global error] / OmSTU. – Omsk, 1999. – 6 p. – Dep. in VINITI RAN 03.02.1999, № 353-V1999. [in Russian]
7. Hairer E., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations II: Stiff and Differential-Algebraic Problems / E. Hairer, G. Wanner // Springer Series in Computational Mathematics. – 1996. – V. 14. – 614 p.
8. Kovalev V. Z. Ocenka pogreshnosti chislennogo modelirovanija dinamiki JeTK [Estimation of the error in the numerical simulation of the dynamics of the electrical technical complex] / OmSTU. – Omsk, 1999. – 6 p. – Deposit in VINITI RAN 03.02.1999, № 357-V1999. [in Russian]
9. Kovalev V. Z. Metodika upravlenija jenergojeffektivnost'ju i nadezhnost'ju jelektrotehnicheskogo kompleksa UJeCN [Management technique of energy efficiency and reliability of ESP units] / V. Z. Kovalev, O. V. Arkhipova // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija [Modern problems of science and education]. – 2014. – № 6. URL: http://www.science-education.ru/120-16219 (Accessed: 10.07.2017). [in Russian]
10. Kovalev V.Z. Modelirovanie processov upravlenija v jelektrotehnicheskih kompleksah i sistemah [Process control simulation of electrotechnical complexes and systems] / V. Z. Kovalev // Sistemy upravlenija i informacionnye tehnologii [Control systems and information technologies]. – 2009. – V. 35 – № 1.2. – P. 259–263. [in Russian]