Нефть и газ остаются основными энергоносителями современных мировых цивилизаций в ближайшие десятилетия. Технологическое перевооружение нефтяной и газовой промышленности призвано повысить эффективность использования электрической энергии и существующего оборудования при минимальных финансовых затратах, предотвращать многие экологические аварии, связанные с использованием, добычей, транспортировкой и переработкой природных энергоносителей, а так же повысить продуктивность существующих скважин с 22 % до 80 %, а в идеале до 100 %.

В процессе извлечения нефти из продуктивного слоя возникает необходимость снизить сопротивление облитерационных действий пористой породы, через которую отбирается нефть.  Иначе выход нефти и воды может быть заперт электроосмотическими взаимодействиями между поверхностью пор и флюидами. Причем чем выше скорость флюидов в порах, тем вероятнее закупорка их на очень длительное время. По этой причине, как известно,  добывается не более 22 % нефти, а 78 % остаются запертыми в нефтеносных породах.

Управлять этим процессом можно путем регулирования объема извлекаемой жидкости в широком диапазоне из продуктивного слоя. Это позволит продлить "жизнь" месторождениям с 35 - 40 лет до 70 - 80 лет и более лет. При определенном  регулируемом режиме откачки воды из скважины - скважина "оживает" и затем многие годы может давать нефть в объеме не меньше новой скважины.  Такие эксперименты, как нам стало известно, успешно проведены на Оренбургском месторождении нефти.

Другой пример, магистральные нефтепроводы в результате аварийных разрывов разливают десятки, и даже сотни тысяч тонн нефти ежегодно, загрязняя окружающую среду и принося финансовые убытки, исчисляемые миллионами долларов. Такие аварии часто происходят по причине гидравлических ударов, возникающих в процессе пуска мощных насосов в нефтяных магистралях. Устройство плавного пуска частично решает эту проблему, но не решает главного - оптимизации процесса транспортировки.

Еще один пример, это бурение скважин с помощью электробура с оптимальной скоростью. Отсутствие надежного, мощного и одновременно короткого, с высоким пусковым моментом регулируемого электродвигателя, способного длительное время работать в режиме «с заторможенным ротором», ограничивает эффективное и экономичное бурение, осуществляемое электробурами. По этой причине доля электробуров составляет всего пять процентов, хотя их  КПД в несколько раз выше, чем при роторном или турбинном бурении и без электробуров не возможно добиться экономичного бурения. О бурении смотрите раздел "Продукция" - АПЭЯ.

Высокие технологии в нефтегазовой промышленности предусматривают, прежде всего, управляемые технологические процессы. Управляемость, как известно, это свойство агрегата или звена в технологической цепи иметь однозначную зависимость между управляющим воздействием и реакцией управляемого объекта, а так же точное воспроизведение этой зависимости в пределах заданной дисперсии на заданном интервале времени.

В идеале - управляемость всех технологических операций связанных с добычей, транспортировкой и переработкой нефти. Поэтому, именно регулируемые электроприводы являются основой высоких технологий. Сегодня это понимают многие специалисты. Почему же тогда доля регулируемых электроприводов так мала? Даже в очень богатой и научно развитой стране – США,  регулируемые электроприводы составляют 6 % - 8 % от общего числа электроприводов.

Попытки сделать управляемыми технологические операции в нефтедобывающей промышленности предпринимались давно. Эта идея не новая, но подходящего решения до сих пор не найдено. По этой причине, применяют и асинхронные электродвигатели, и синхронные, и двигатели постоянного тока.

Электродвигатели используются в составе буровых установок, механизмов для непосредственной добычи нефти, объектах сбора и внутри промысловой перекачки нефти, объектах подготовки нефти, газокомпрессорных станциях, компримирующих попутный нефтяной газ, объектах поддержания пластового давления, водораспределительных блоках, водозаборах, установках по очистке сточных вод, объектах вспомогательного назначения. Остановимся на выборе того или иного типа электродвигателя, чуть подробнее.

Известно, что выбор типа электродвигателя зависит от характера нагрузки и длительности работы. ГОСТ 183-74 предусматривает восемь режимов работы. Электродвигатели, работающие на объектах нефтяной промышленности, характеризуются четырьмя режимами: S1 (Продолжительный), S2 (Кратковременный), S3 (Повторно-кратковременный) и S4 (Перемежающийся). ГОСТ 2479-79 разделяет формы исполнения электродвигателей на восемь групп по способу крепления и конструкции подшипниковых узлов, по способу монтажа, по степени защиты, по способу охлаждения, по направлению воздушного потока.

В самом простом случае, когда механизм не требует регулирования частоты вращения вала и нагрузка длительная и постоянная, до 100 кВт, рекомендуют применять асинхронные электродвигатели, а для больших мощностей синхронные электродвигатели. В некоторых учебниках или справочниках к этому случаю принято относить нагнетатели, вентиляторы и центробежные насосы.

Но, как показывает практика, их регулирование очень даже желательно. Не регулируют не потому, что это не надо, а потому, что не могут, так как у насоса, нагнетателя и вентилятора при не номинальной частоте вращения, все характеристики ухудшаются.

При длительной переменной нагрузке нужен асинхронный электродвигатель с фазным ротором или синхронный двигатель. В этом режиме работают поршневые насосы, поршневые компрессоры, станки-качалки и т.д. Все эти механизмы для оптимизации технологических процессов требуют регулирования частоты вращения вала электродвигателя.

При повторно-кратковременной нагрузке нужен асинхронный электродвигатель с фазным ротором (или с повышенным скольжением) или синхронный электродвигатель с электромагнитными муфтами. В этом режиме работают почти все подъемно-транспортные механизмы, буровые лебедки и т.д. И эти механизмы требуют регулирования частоты вращения вала электродвигателя.

Наиболее массовое применение в нефтяной промышленности нашли асинхронные электродвигатели. Остановимся чуть подробнее на методах регулирования частоты вращения ротора АД.

Первый метод регулирование частоты вращения вала АД путем изменением скольжения. Такое регулирование, как известно,  возможно осуществить тремя способами: изменением подводимого к обмотке статора напряжения, нарушением симметрии этого напряжения и изменением активного сопротивления обмотки ротора.

Регулирование частоты вращения вала, путем изменением подводимого напряжения. Асинхронные трехфазные двигатели могут регулироваться по напряжению, но только в очень узком диапазоне, порядка 3 % - 4 %. Этот способ позволяет регулировать скорость вращения в диапазоне от 0 до критического скольжения s_k. Понижая напряжение сети U₁ можно менять вид характеристики АД. Позволю себе напомнить уважаемому читателю:

, а  

При уменьшении напряжения механическая характеристика из естественной своей формы переходит на частичную. Плохая форма естественной механической характеристики АД, еще больше ухудшается и в случае частичных характеристик. Значение критического скольжения не меняется, а максимальный момент уменьшается пропорционально квадрату напряжения U₁.

С повышением напряжения возникает реальная опасность перегрева двигателя вызванная резким увеличением электрических и магнитных потерь. С уменьшением напряжения, двигатель теряет перегрузочную способность, опрокидывается даже при номинальной нагрузке и горит. Таким образом, существуют два серьезных недостатка этого метода: узкий диапазон регулирования и крайне низкая экономичность.

В небольшом диапазоне, порядка 1:12, частоту вращения вала АД регулируют за счет изменения частоты тока (и напряжения) питающей сети. Источник питания с регулируемой частотой (специальный генератор с регулированием частоты и напряжения) существенно удорожает установку, а в сложных геолого климатических условиях значительно снижает надежность и удорожает эксплуатационные расходы. 

Попытки заменить привод постоянного тока асинхронным приводом с частотным регулированием, предпринятые в робототехнике в восьмидесятые годы, оказались неудачными. Стоимость таких приводов превышала 1000 американских долларов на 1 кВт мощности асинхронного двигателя. Американские экономисты подсчитали, что использование роботов целесообразно только тогда, когда его стоимость не превышает трех годовых зарплат рабочего высокой квалификации. Этот метод, по экономическим соображениям, был признан несостоятельным.

Опыт использования американских погружных асинхронных двигателей, регулируемых по частоте тока, в условиях приполярья, в наши дни, показал крайне низкую надежность привода и высокие эксплуатационные издержки. Это оказалось дорого и ненадежно.

Можно регулировать частоту вращения вала АД, изменением числа пар полюсов обмотки статора. При таком способе теряется основное преимущество АД перед двигателями постоянного тока. Такой АД имеет большие габариты, высокую стоимость, сложнее в изготовлении и ремонте. Такой способ позволяет переключать обмотки в отношении 1:2, реже 1:1,5.  

При большем числе пар полюсов, например четырех, намагничивающая сила обмоток содержит значительные высшие гармоники, что приводит к ухудшению энергетических показателей двигателя. Существенным недостатком этого метода является ступенчатое переключение скорости и уменьшение мощности при тех же размерах, а также повышенная стоимость и необходимость применения сложной коммутационной аппаратуры.

Применение АД с фазным ротором плюс управляемая муфта скольжения плюс каскадные схемы, говорят сами за себя. И в этом случае теряются преимущества АД. Диапазон регулирования мал. Уменьшение частоты вращения сопровождается значительным ростом электрических потерь, снижением коэффициента мощности и КПД.

Снижается надежность двигателя, происходит сильный нагрев. Еще один существенный недостаток такого способа - это то, что участок механической характеристики, соответствующий устойчивой работе двигателя, при введении в цепь ротора добавочного сопротивления становится более пологим и колебания нагрузочного момента на валу двигателями сопровождается значительными изменениями частоты вращения ротора. Регулирование частоты вращения вала АД в широком диапазоне представляет собою крайне сложную задачу.

В качестве привода центробежных насосов можно встретить "параметрические" асинхронные электродвигатели, типа КПЭ, разработанные научно исследовательским институтом «ВНИИЭлектропривод» и Московским опытным заводом «Агрегат». Улучшение механической характеристики у КПЭ, достигнуто "классическим методом" - за счет увеличения сопротивления ротора.

КПЭ-5,5-1350-IP44УХЛЗ, полезной мощностью 5,5 кВт, изготовлены на базе металлоконструкции традиционного АД, мощностью 55 кВт. Ротор выполнен в виде каленой трубы с повышенным омическим сопротивлением или шихтованным с шинами с высоким омическим сопротивлением. Потери в роторе огромные. Для его охлаждения, разработчики предусмотрительно монтируют в задней части этого двигателя, дополнительно еще один АД, мощностью 250 Вт для принудительного охлаждения. КПД КПЭ в процессе регулирования составляет 8 %, ток холостого хода 24 А, при пуске 168 А. Кроме интенсивного нагрева наблюдалась вибрация и повышенный уровень шума. По нашему мнению, это дискредитация параметрических электродвигателей.

Конструктивно синхронные двигатели сложнее асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, требуют источник постоянного тока и сложные пусковые устройства, снижающие надежность, повышающие стоимость и эксплуатационные расходы. Синхронные двигатели используют в основном, в насосных и компрессорных станциях и иногда для станков-качалок, например, серии СДБ. Ротор синхронного двигателя имеет пусковую асинхронную обмотку в виде беличьей клетки, полюсные наконечники и торцевые короткозамкнутые кольца.

На объектах нефтяной промышленности применяют и другие синхронные двигатели, например, серий СДБО, СДЗ, СТДП, СДКП и СВН. Пуск прямой с глухоподключенным возбудителем. Двигатели СББО-99/49-8Л2 имеют бесщеточную систему возбуждения и приспособлены к работе в условиях холодного климата.

Синхронные двигатели допускают пуск от полного напряжения сети, конечно при условии, что маховый момент механизма не превышает номинальных значений. А это значит, что в реальных условиях эксплуатации, требуется брать двигатель завышенной в 1,5 - 2 раза установочной мощностью.  И все равно, пуск производят только при разгруженном механизме. Большим недостатком синхронного электродвигателя является то, что его пусковой момент равен нулю.

Пробуют применять так называемые вентильные двигатели. По-видимому, не многие нефтяники знакомы с неудачной попыткой заменить двигатели постоянного тока вентильными двигателями, предпринятой в робототехнике 25 лет назад.

Вентильные двигатели, как известно, это соединение тиристорной схемы управления и синхронного электродвигателя. Достоинством этих двигателей является то, что их коэффициент мощности может быть равен единице. Благодаря способности синхронных двигателей вызывать в сети опережающий ток и служить генератором реактивной мощности, повышающей коэффициент мощности сети, их используют в качестве синхронных компенсаторов.

Минимизировать габариты электронасосного оборудования за счет увеличения частоты вращения вала электродвигателя. Теоретически все очень просто: полезная мощность электронасосного агрегата пропорциональна частоте вращения вала двигателя и соответственно насоса. Увеличили в 2 раза скорость - можно уменьшить в 2 раза габариты.

Это тупиковое направление потому, что, во-первых, гидравлические потери растут в квадратичной зависимости от угловой скорости, а во-вторых, больших скоростей не выдерживает механика. "Тяжелый пуск", например, погружного насосного оборудования требует большого пускового момента на валу.

Существующая технология производства нефтедобывающего оборудования, точности изготовления  деталей и узлов особенно  при серийном производстве не позволяют перейти на более высокие скорости. Прежде чем воспользоваться этим методом, необходимо кардинально переделать технологию производства погружного электронасосного оборудования. При существующей технологии, это гибельный для оборудования метод. Вот почему, перспектива использования вентильных двигателей в качестве тяговых, вызывает сомнение.

Известны десятки других проектов. Использование для привода штангового насоса станка-качалки, гидравлического цилиндра с проходным штоком, использовние линейных электродвигателей, электродвигателей с постоянными магнитами  и т.д.

 Электродвигатели постоянного тока в нефтяной промышленности используются в основном, в качестве источника постоянного тока в синхронных машинах (возбудители при электромашинной системе возбуждения). Применяют их и в электроприводе буровых установок: - регуляторы подачи долота, регулируемый привод ротора, электропривод главных механизмов буровых установок глубокого бурения и морских буровых установок. Существенным недостатком машин постоянного тока, во-первых, является их значительно более сложная конструкция, чем машин переменного тока, во-вторых, высокая стоимость, причем не только изготовления, но и обслуживания, в-третьих, наличие щеточно-коллекторного узла.

Щеточно-коллекторный узел существенно снижает надежность и межремонтный срок службы. При повышенной температуре щетки набухают, а при низкой температуре крошатся. Процесс коммутации часто сопровождается искрением на коллекторе. Сильное искрение может перейти в круговой огонь. Искрение может быть вызвано вибрацией, изменением геометрической формы коллектора (эллипсностью), плохой стяжкой пластин, шероховатостью его поверхности и выступания слюдяных изолирующих прокладок над пластинами. Искрение и круговой огонь может возникнуть даже при неправильном подборе щеток, их неправильной расстановки или слишком слабого нажатия на коллектор.

Пробовали, менять не только длину хода штанги насоса станка качалки, менять размеры шкивов на валу, но и регулировать частоту вращения вала исполнительного двигателя с фазным ротором  двигателем постоянного тока с независимым возбуждением. Не буду останавливаться на других, совсем уж экзотических методах. Это представляет интерес только для любителей истории электропривода.

Сделанный нами краткий анализ применяемых в нефтегазовой промышленности электродвигателей и приводов на их основе подтверждает факт, что приемлемого решения пока не найдено. Поиск экономичных методов регулирования продолжается.

Неудачные попытки использовать тот или иной исполнительный электродвигатель в регулируемом приводе объясняются тем, что их выбор делался без учета пяти основных критериев, предъявляемых к тяговому исполнительному электродвигателю, три из которых были сформулированы еще в начале прошлого века Аурелем Стодоллой:

1. Пусковой момент должен быть максимальным и больше номинального в 2 – 3 и более раз.

2. Мощность пуска должна быть равной номинальной мощности (в идеале).

3. Энергетический КПД привода во время регулирования (в идеале) не должен изменяться отношению своего номинального значения. 

4. Надежно работать в сложных геолого-климатических условиях.

5. Система управления должна иметь низкую стоимость и эксплуатационные расходы.

Оказывается есть!  Одним из главных  достоинств разработанных нами энергосберегающих двигателей типа РПЭДЯ и РППЭДЯ, является возможность их регулирования по амплитуде напряжения в широком диапазоне без изменения частоты тока и высокая экономичность этого метода. В этом принципиальная разница между асинхронными и параметрическими электродвигателями. Подробнее о возможностях нового изобретения читайте в разделе Продукция: РПЭДЯ и РППЭДЯ.

В нашей электротехнической лаборатории мы демонстрируем потенциальным заказчикам, регулирование скорости линейного электродвигателя РПЛЭ от 0 м/сек, когда груз бесконтактно повисает в магнитном поле,  далее плавно регулируем скорость во всем диапазоне, вплоть до синхронной скорости. РПЭДЯ вращательного типа регулируются даже в режиме "холостого хода" от 10 об/мин до синхронной частоты вращения вала обычным трехфазным автотрансформатором.

Происходит это по причине того, что линейно-фазная схема Яловеги, позволила кардинально изменить форму механической характеристики. Она стала иметь благоприятную форму, без зон неустойчивой работы и с большим пусковым моментом. Такого понятия, как критический момент или критическое скольжение, у РПЭДЯ и РППЭДЯ -  вообще не существует.

Подробнее читайте в разделе "Продукция" - РПЭДЯ, РППЭДЯ и АПЭЯ. Свойства параметрических электродвигателей РПЭДЯ и погружных электродвигателей РППЭДЯ полностью соответствуют этим критериям.

Модернизацию асинхронных электродвигателей всех типов по схеме энергосберегающих РПЭДЯ  можно  освоить "на месте" на участках по ремонту электродвигателей. Модернизацию погружных двигателей типа ПЭД по схеме РППЭДЯ не сложно освоить на базах по ремонту и обслуживанию погружных электроустановок.