Контрольная работа по дисциплине : «Электротехнические комплексы, системы и сети»

 

        Кабель с полиэтиленовой изоляцией для погружных ЭЦН, с гибкой ленточной броней, с разрывным усилием 156,8 кН, напряжением 2300 В при температуре окружающего воздуха от – 60 до + 45˚С и пластовой жидкости при температуре до + 85˚С, давлении 20 МПа, газовом факторе до 180 м³/т, местном перепаде давления до 4 МПа и спуско-подъемных операций не ниже – 50˚С. Минимальный радиус изгиба не менее 300 мм. ТУ 16.505.129-75.

Круглый кабель КПБК является основным и служит для  подвода элек-троэнергии трехфазного тока к погружному электродвигателю на участке от питающего трансформатора до нижней насосно-компрессорной трубы. На участке между электродвигателем и первыми насосными трубами применяет-ся плоский кабель – удлинитель, соединенный с основным кабелем неразъем-ной соединительной муфтой (сросткой). В качестве кабеля-удлинителя выби-раем плоский кабель марки КПБП с данными, приведенными в табл. №2.

 

Таблица №2

Число и сечение жил, мм2	Конструкция жилы	Толщина изоляции, мм	Диаметр изолированной жилы, мм	Размеры кабеля, мм	Масса, кг/км
3×10	1×3,52	1,3	6,15	11,8×30,2	909

 

 

Проверяем возможность  размещения погружного агрегата (кабель + центробежный насос) в скважине:

;         

Условия размещения выполняются. Проверяем выбранные  сечения по длительно допустимому  току I_дл.доп. Согласно ПУЭ допустимый длительный ток I_дл.р для кабелей с медными жилами, с резиновой или пластмассовой изоляцией, бронированных, трехжильных, находящихся в земле составляет 90 А для сечения токопроводящей жилы 10 мм². Этот ток принят для темпе-ратуры жилы + 65 ˚С и земли + 15 ˚С. Длительно допустимый ток при другой температуре окружающей среды можно определить с помощью поправочно-го коэффициента k(t) который, если считать коэффициент теплоотдачи неиз-менным, выражается формулой:

                                                              (2.7)

где t_дл.доп – длительно-допустимая температура для кабеля КРБК,

равная + 85˚С;

t_о.р – расчетная температура окружающей среды;

t_о.с – температура среды, окружающей кабель, которую условно можно принять равной температуре пластовой жидкости, окружающей кабельную линию в скважине.

Длительно допустимый ток погружного кабеля КРБП:

                                                                (2.8)

Выбранный кабель проходит по нагреву, т.к. соблюдается  условие:

 

Потери напряжения и мощности в кабельной линии.

Потери напряжения и мощности в кабельной линии  создаются соб-ственной распределенной индуктивностью L_A, L_B, L_C его фаз, сопротивлени-ями фаз R_A, R_B, R_C, собственной распределенной емкостью С_А, С_В, С_С отно-сительно экрана (приложение 5.2), а также межфазными взаимными индук-тивностями М_АВ, М_ВС, М_АС и взаимными емкостями С_АВ, С_ВС, С_АС. При длине кабельной линии не более 20 км можно воспользоваться для расчета потерь напряжения и мощности упрощенной Г – образной схемы замещения (рис. 2.2) с сосредоточенными параметрами.

 

U_A; U_ad – комплексные фазные напряжения питающей сети и двигателя;

I_В – комплексный ток проводимости кабельной линии;

G_l – активное сопротивление жилы кабеля;

R_л – активное сопротивление линии, определяемое по формуле:

                                                                                                           (2.9)

где l – длина кабеля в км;

R₀ – активное сопротивление кабеля, равное

                                                                             (2.10)

где λ – удельная проводимость при 20 ˚С, принимаемая для меди с учетом отбавки на скрутку и нагартовку жил, равной 51 МСм/мм²;

α – температурный коэфф. сопротивления для меди равный 0,004 град ^–1;

t_каб – температура жилы кабеля в ˚С.

В скважинах  кабели КПБК и КПБП работают в крайне сложных температурных условиях. Некоторая часть его длины, иногда значительная, погружена в жидкость с высокой температурой (до 60 – 80) ˚С, а часть кабеля находится в  скважине вне жидкости. При этом весь кабель касается насосно-компрессорных  труб, которые нагреваются потоком  восходящей жидкости. Часть кабеля может оказаться прижатой к обсадной колонне, температура которой соответствует  температуре почвы на данной глубине. Наконец часть кабеля находится  на поверхности земли при температуре  окружающего воз-духа. Вследствие изложенного условно принято считать, что температура жилы кабеля соответствует температуре жидкости в скважине.

Индуктивное сопротивление линии вычисляется  по формуле

                                                                                                        (2.11)

где Х₀ – индуктивное сопротивление на единицу длины кабельной линии.

Для определения  Х₀ воспользуемся известной из теоретических основ электротехники формулой

 

                           (2.12)

где – среднегеометрическое  

       расстояние между фазными проводниками  

       кабеля (рис. 2.3);

       r – приведенный (с учетом формы сечения

       и поверхностного эффекта) радиус  фазного  

       проводника.

Принимаем отношение  D_ср / r равным 2,42 с учетом наличия у кабеля резиновой изоляции.

 

 

 

Тогда

Потери напряжения ΔU_л в номинальном режиме работы установки ЭЦН равны

                                                                            (2.13)

и не должны превышать в нормальном режиме 10 % от номинального расчет-ного напряжения. В качестве последнего используем номинальное напряже-ние погружного электродвигателя. Это напряжение зависит от мощности, ди-аметральных размеров, рода изоляции и других условий и поэтому не бывает одинаковым у всех типов двигателей. Одинаковое напряжение для всех типо-размеров погружных электродвигателей нецелесообразно, т.к. это ухудшает их характеристики и усложняет их производство.

или в относительных  единицах

                                    %,                         (2.14)

что можно  считать допустимым (5,8 < 10 %), т.е. кабельная  линия проходит по потерям напряжения.

Величина  активных ΔР_л, реактивных ΔQ_л и полных ΔS_л потерь мощ-ности в кабельной линии зависит от активного R_л и реактивного Х_л сопротив-ления фаз токопроводящего кабеля. Приближенно нагрузочные потери мощ-ности в линии можно определить по номинальному напряжению погружного электродвигателя

                                (2.15)

                      (2.16)

                                  (2.17)

или в сравнении  с общими активными потерями мощности в установке ЭЦН

                                   %                           (2.18)

что можно  считать приемлемым, т.к. допустимые потери мощности в кабеле относительно общих потерь при условии правильного  подбора кабеля по параметрам установки  ЭЦН и скважины составляют 8 – 18 %.

Напряжение  в начале кабельной линии, которое  должен обеспечивать трансформатор  промысловой станции управления для получения номиналь-ного напряжения на погружном электродвигателе составляет:

 

 

 

                                               (2.19)

Емкостной ток  на зарядку-разрядку кабельной линии

                                                                                (2.20)

В_l – емкостная проводимость кабельной линии;

В₀ – емкостная проводимость кабельной линии на единицу длины.

                                          (2.21)

Реактивная  мощность, генерируемая кабельной линией

                                         (2.22)

Полная реактивная мощность установки ЭЦН с учетом зарада-разряда

                    (2.23)

Полная мощность на входе кабельной линии

          (2.24)

 

3. Выбор трансформатора

Трансформатор выбираем по напряжению U_н.к = 1482,59 В и полной мощности S_∑ = 65,52 кВА. Трансформатор марки ТМП-100/1160 с номиналь-ной мощностью 100кВА (S_ном > S_∑) и напряжением ХХ вторичной обмотки U_2хх=1270÷1610 В. Параметры трансформатора представлены в табл. №3.

Таблица №3

Номинальная мощность, кВА	Напряжение хх вторичной обмотки, В	Ступень регулирования, В	Потери хх, кВт	Потери КЗ, кВт	Ток хх, %	Напряжение кз, %
100	1270 – 1610	85	0,365	1,97	2,6	5,5

 

Величина  потерь активной мощности в трансформаторе

                                                                                     (2.25)

где k₃ – коэфф. загрузки трансформатора, который находится по формуле:

                                                            (2.26)

Величина  потерь реактивной мощности

                           (2.27)

                                               (2.28)

 

 

                                                (2.29)

где ΔQ_нам – потери реактивной мощности на намагничивание;

ΔQ_рас – потери реактивной мощности рассеяния в трансформаторе при номинальной нагрузке;

S_ном.тр – номинальная мощность трансформатора.

Параметры Г  – образной схемы замещения.

– приведенная  нагрузка;

– приведенные активные

     и индуктивные   сопротивления  

     обмоток;

В_тр – проводимость намагничива-

     ния;

G_тр – проводимость активных по-

     терь (потери в стали).

 

                          (2.30)

                                         (2.31)

Проводимость  активных потерь

                                               (2.32)

Проводимость  намагничивания

                    (2.33)

Потери напряжения в трансформаторе

                         (2.34)

Напряжение  хх вторичной обмотки трансформатора

                          (2.35)

Расчет ступени  регулирования в трансформаторе

                                                          (2.36)

Принимаем n = 3 (U_ст.ср – среднее значение ступени регулирования).

 

 

 

Фактическое значение напряжения на погружном электродвигателе

Отклонение  напряжения на погружном электродвигателе

                %          (2.37)

Отклонение  напряжения δU_дв не превышает предельно допустимое зна-чение 5 %. Следовательно, кабель и трансформатор выбраны верно.

 

 

4. Расчет ПЧ для ПЭД
1. Общие сведения о ПЧ

ПЧ в ЭП является силовым регулятором, вход которого подключен к питающей сети с нерегулируемыми значениями напряжения  U₁ и частоты f₁, а на выходе обеспечиваются регулируемые значения напряжения U₂ (или тока I₂) и частоты f₂ в зависимости от задания и управляющих сигналов U_у (рис. 2.5).

Применение  ПЧ в ЭП обеспечивает наиболее экономичные  способы регулиро-вания скорости и момента электродвигате-лей переменного тока. В зависимости от ти-па электропривода ПЧ может быть включен между питающей сетью и статорной обмот-кой двигателя (частотно-управляемый ЭП), как это показано на рис. 2.6, а, или между роторной  обмоткой и питающей сетью (например, в ЭП с машиной двойного питания (рис. 2.6, б)). Такое включение обычно позволяет уменьшить уста-новленную мощность ПЧ, но требует применения электродвигателя с фазным ротором.