Введение к работе
Актуальность темы. Требования создания надёжной топливно-сырьевой базы, удовлетворяющей потребности промышленности, при зодят к тому, что геологоразведочные работы по открытию новых месторождений полезных ископаемых должны проводиться во всё возрастающих объёмах. Важная роль в этих работах принадлежит сейсморазведке - основному геофизическому методу изучения строения недр, базирующемуся на искусственном возбуждении и регистрации сейсмических волн. Поэтому поиски путей повышения геофизической и экономической эффективности сейсмических методов разведки имеют высокую прикладную и научную значимость.
Важной частью разведочной геофизики является водная сейсморазведка. В настоящее время наблюдается рост её значения, связанный с необходимостью расширения зон поиска запасов нефти и развитием разведочных методов. Так,. например, в программе геолого-геофизических работ на акваториях только дальневосточных и северовосточных морей РФ на 1998-2007 гг. было запланировано исследование 54335 погонных километров или 41500 км2.
В отличие от разведки на шельфах морей и океанов, разведка на мелководье (реках, озёрах, водохранилищах) имеет значительно меньшее распространение. Сдерживающими факторами при этом являются:
- необходимость частой смены технологии возбуждения сигнали при
работе на местностях со множественными малыми водоёмами;
- невозможность эффективной адаптации средств возбуждения
сигналов глубоководной сейсморазведки к малой глубине водоёмов.
В результате при работе на континенте (например, на равнинах Западной и Восточной Сибири, в дельтах рек (например, Волги и Кубани), на мелководной части морей (например, Каспийского моря)) сейсмичгское профилирование выполняется с пропуском водных участков, что неизбежно ведёт к потере и искажению важного сейсмического материал и снижению производительности и эффективности проводимых работ.
Таким образом, экономическая и техническая эффективность водной сейсморазведки определяются, прежде всего, характеристиками средств возбуждения сигналов. Существующие водные сейсмоисточ ники принципиально отличаются от сейсмоисточников наземных и имеют существенные ограничения по применению, связанные с невозможностью работы на малой глубине (начиная примерно с 5 м), повышенным энергопотреблением (от 7 до 100 кВт на один источник), затруднение стью регулировки параметров воздействия и др.
Представляемая работа выполнена в области силовых электромагнитных импульсных систем (СЭМИС) для возбуждения сейсмических сигналов с поверхности водоёмов. Указанный тип систем в наземной сейсморазведке используется с 1990-х годов и получил широкое применение и развитие: найдены простые и надёжные конструктивные
решения и разработаны методики проектирования таких сейсмоисточников. В связи с особенностями водной нагрузки и условий эксплуатации возникает необходимость решения прикладных и научных задач по разработке новых вопросов, характерных только для работы на воде.
Целью работы является повышение эффективности и увеличение возможностей водной сейсморазведки за счёт совершенствования средств возбуждения сигнала применением линейного электромагнитного привода и поверхностным расположением водного сейсмоисточника.
Основными задачами исследования являются:
формулировка базовых свойств сейсмоисточника нового типа на основе СЭМИС;
анализ особенностей силового электропривода и разработка конструктивной схемы сейсмоисточника;
определение диапазонов значений параметров СЭМИС, обеспечивающих максимальную механическую энергию и КПД электромеханического преобразования;
4) формулировка технических требований и условий к системе
электропитания и её разработка;
разработка математической модели для анализа возможностей и ограничений режимов работы СЭМИС;
экспериментальное исследование опытного образца и определение перспективных направлений совершенствования водного сейсмоисточника.
Объект исследования - комплекс процессов, характеризующих преобразование потребляемой ... электрической энергии в энергию импульсного механического воздействия на водную среду.
Предметом исследования является силовая электромагнитная импульсная система - водный сейсмоисточник, включающий мощный емкостной накопитель энергии с системой заряда, импульсный электромагнитный привод с системой управления, специальную механическую систему для согласования с нагрузкой.
Методы и средства исследования. В диссертации использованы теоретические (проводимые аналитическими и численными методами) и экспериментальные, проводимые на действующем опытном образце сейсмоисточника, методы исследования. В частности, использован метод Рунге-Кутта, метод электромеханических аналогий, метод конечных элементов (в программном комплексе Elcut 5.1).
Научная новизна исследования:
1. Впервые разработана и исследована силовая электромагнитная
импульсная система для возбуждения сейсмического сигнала в водной
среде.
2. Предложены новые режимы работы электромеханической системы,
позволяющие повысить эффективность воздействия на среду. Отличие
новых режимов состоит в изменении процесса энергопреобразования и
излучения за счёт нелинейного отбора энергии от электромагнитного
привода.
3. Предложена методика получения составляющих энергетического
баланса электромеханического преобразования на осноеє
экспериментальных исследований.
4. Даны рекомендации по выбору параметров СЭМИС,
обеспечивающих: максимальный КПД электромеханического
преобразования и отдачу максимальной механической энергии;
эффективное преобразование, накопление, передачу и использование
электрической энергии системой электропитания.
5. Введено новое понятие "ключ заряда", развивающее метод
электромеханических аналогий. Понятие "ключ заряда" используется для
учёта состояния зазоров в электроприводе и его исполнительном органе при
составлении математической модели электромеханического
преобразователя.
Практическая значимость работы. Разработанный водный сейсмоисточник с импульсным электромагнитным приводом может применяться геофизическими организациями в сейсморазведке районов с различными водоёмами. Полученные результаты исследования и рекомендации, данные в работе, могут быть использованы и для наземных сейсмоисточников, а также при разработке сейсмоисточников-амфибий, способных работать на суше и воде.
В результате выполнения хоздоговорной темы НИР(ОКР) № 06204 был разработан, изготовлен и испытан в лабораторных и полевых условиях опытный образец импульсного водного сейсмоисточника "Аква" с электромагнитным приводом. Сейсмоисточник "Аква" был создан по техническому заданию, разработанному совместно с ОАО "Тюменнефте-геофизика" на параметры, приведённые в таблице.
Параметры опытного образца сейсмоисточника "Аква"
Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры "Промышленная электроника" и электротехнического факультета Тольяттинского государственного университета; на научно-технической конференции "Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологий" (Тольятти, 2004); на второй международной научно-технической конференции ELPIT - 2005
"Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов" (Тольятти,2005).
Некоторые результаты работы были использованы на кафедре "Промышленная электроника" Тольяттинского государственного университета в спецкурсе лекций по импульсным электромеханическим преобразователям энергии, а также в курсовом и дипломном проектировании.
Перечень положений, выносимых на защиту:
Предложенная в работе СЭМИС для возбуждения сейсмических волн в водной среде обладает рядом принципиальных, существенных преимуществ перед наиболее распространёнными в настоящее время типами водных сейсмоисточников. Так, например, становится возможной работа на мелководье (от 0,5 м), уменьшается энергопотребление (в десятки раз), повышается надёжность и др.
Короткоходовой электромагнит в качестве силового привода в составе СЭМИС способен обеспечить сочетание эффективного диапазона значений скорости и перемещения рабочего органа с высоким КПД (около 70 %) электромеханического преобразования.
Предусмотренная в опытной установке возможность широкого изменения режимов работы электромеханической системы (давление, удар):
подтвердила влияние типа режима, на такие показатели, как электромеханический КПД и развиваемое на нагрузке усилие;
позволяет задавать оптимальные параметры режима (значения зазора в электромагните, разбега ударника и др.) по указанным выше показателям;
расширяет представления о сложном электромеханическом преобразовании (с ударами, упругими элементами).
4. Предложенная методика экспериментального исследования
позволяет получить представление об энергетическом балансе в
электромеханической системе, что является основой для оптимизации
параметров и модернизации установки.
5. Анализ динамики импульсного сейсмоисточника для крайних
состояний нагрузки (т.н. режимов "короткого замыкания" и "холостого
хода") можно проводить по разработанной математической модели его
электромеханической системы. Такой анализ позволяет исследовать
влияние различных параметров на работу установки, а его результаты
использовать при проектировании водных сейсмоисточников.
Публикации. По результатам выполненных исследований было опубликовано 9 печатных работ, из них 3 патента на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 175 страниц, 104 рисунка, 13 таблиц. Список использованной литературы включает 91 наименование. В общее количество листов входят 5 приложений на 11 страницах.
Похожие диссертации на Силовая электромагнитная импульсная система для возбуждения сейсмических волн в водной среде
