ЭЦН с частотно- регулируемым приводом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

НАСОСЫ I

УДК 622.276.054

Ю.А. Донской, ассистент; С.С. Пекин, к.т.н., доцент РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина

ЭЦН с ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ приводом

В настоящее время у нас и за рубежом растет интерес к УЭЦН, оснащенных вентильными двигателями, позволяющими изменять частоту вращения ротора установки. Это связано с рядом перспективных преимуществ, которые могут быть реализованы. Сюда относится в первую очередь: возможность изменения подачи УЭЦН; сокращение габаритов и повышение КПД погружного электродвигателя (ПЭД). Возможность регулирования подачи за счет изменения частоты вращения позволяет создать управляемую систему «пласт - скважина - УЭЦН» с обратной связью и при использовании достаточного числа установок и отработке соответствующей программы получать синегрический эффект в повышении эффективности добычи нефти на месторождении. Реализуемый диапазон частот вращения находится в пределах от 0 до 10000-12000 об/мин.

По данным наблюдений за эксплуатацией УЭЦН на месторождении Западной Сибири за два года, построены диаграммы, представленные на рис. 1 и 2. На рис.1 показана диаграмма распределения УЭЦН по частотам вращения вала ПЭД и на рис.2 - диаграмма распределения наработок на отказ этих же установок.

Наблюдения велись за установками, оснащенными асинхронными ПЭД. Снижение наработки на отказ при скоро-

стях вращения меньших номинальной происходит в основном (90% отказов) из-за перегрева электродвигателя и/ или кабеля-удлинителя, реже - из-за засорения мехпримесями или из-за отложения солей. Засорение происходит из-за недостаточной скорости течения жидкости, что приводит к их оседанию в зазорах ступени насоса. Отложение солей связано с нагревом жидкости электродвигателем и насосом. Использование вентильных дви-

гателей частично может решить проблему перегрева. Из диаграммы на рис.2 видно, что повышение скорости вращения приводит к существенному снижению наработки на отказ. Анализ состояния погружной части УЭЦН, работавшего при повышенных скоростях вращения [1,2,3], показывает, что сильно изношены радиальные подшипники вала, втулки колёс и аппаратов. Это происходит из-за того, что вследствие несбалансированности ротора УЭЦН

Рис. 1. Распределение количества УЭЦН в зависимости от частоты вращения вала ПЭД

Рис. 2. Распределение наработки на отказ в зависимости от частоты вращения вала ПЭД (минимальные и максимальные значения)

68 \\ ТЕРРИТОРИЯ нефтегаз \\

\\ № 3 \\ март \ 2010

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

№ 3 \\ март \ 2010

Рис. 3- Рабочие области одной ступени типоразмеров 5-15, 5-25, 5-30, 5-59, 5-125 производства ОАО «Новомет» при изменении скорости вращения от 2400 до 4800 об/мин.

возрастает вибрация, возможна потеря устойчивости вала ЭЦН, что и приводит к износу. Стендовые испытания ЭЦН подтверждают эту причину. Опытные установки ЦУНАР (АКМ ЭЦН) эксплуатируются при частотах вращения 1000014000 об/мин. Установка ЦУНАР проектировалась под указанную частоту и потребовала применения специальных материалов и изменений в конструкции с целью снижения вибрации. Поэтому стоимость такой установки выше, чем традиционных, даже с учетом существующих модернизаций. Кроме того, пока данная установка не станет серийной, существенного снижения цены не произойдет. Анализ существующих и опытных конструкций УЭЦН, а также достижений ведущих отечественных производителей,который проводится на кафедре Машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности, показал, что существует возможность модернизации современных УЭЦН для их эксплуатации на повышенных частотах вращения. По паспортным характеристикам современные ПЭД могут эксплуатироваться с частотой вращения 4000-4200 об/мин. По информации ЗАО "Новомет - Пермь», этой фирмой освоена технология, позволяющая более чем на 30% снизить уровень вибрации в ПЭД.

Применение нормального закона управления частотой электрического напряжения (закона Костенко) приводит к линейному росту выделяемой электродвигателем мощности, в то время как мощность, потребляемая насосом, возрастает в кубической зависимости. То есть существует предел увеличения частоты вращения ротора установки, при котором мощности ПЭД уже не хватает для нормальной работы насоса. Обычно это происходит при скорости 4300-4800 об/мин. Применение других законов

регулирования [4] требует квадратичного увеличения напряжения, которое ограничено напряжением пробоя изоляции проводников, что ведет к существенному удорожанию электрической части установки.

Испытания новых и модернизированных ступеней ЭЦН, проводившиеся на кафедре [5], показали возможность использования для изготовления рабочих колес и направляющих аппаратов новых материалов, снижающих вибрацию. К этим материалам относятся алюминиевые сплавы, нержавеющие стали и некоторые пластмассы. Кроме того, анализ эксплуатации УЭЦН в различных осложненных условиях показал перспективность использования пакетной схемы компоновки ЭЦН, что позволит увеличить скорости вращения ротора установки без увеличения.

На скоростях вращения 4000-4200 об/мин., как показывают расчеты, увеличение осевой силы и момента

трения происходит приблизительно в 2 раза по сравнению с 6-8 для скоростей 6000-10000 об/мин. Поэтому для 4000-4200 об/мин. могут быть использованы уже применяющиеся материалы и конструкции. Существующий типоразмерный ряд УЭЦН и модульная компоновка позволяют охватывать в пределах рабочей области широкий диапазон подач и напоров (рис.3). При этом подача установки в рабочей области возрастает практически до следующего типоразмера. Такой диапазон регулирования вполне достаточен для работ по созданию системы «пласт - скважина - УЭЦН». Модернизация УЭЦН для работы с частотами вращения до 4000-4200 об/мин. незначительно увеличит ее стоимость и позволит на практике определить влияние осложняющих факторов на новое оборудование. Это позволит, в свою очередь, создать высоконадежные УЭЦН для работы в глубоких скважинах и на шельфе.

Литература:

1. Пономарев Р.Н. Ишмурзина Н.М. Аварийные отказы в зависимости от наработки установок погружных центробежных насосов // Нефтегазовое дело. 2006. №1. Т. 4, С. 221-224.

2. Ольга Григорьева. Проблемы работы УЭЦН на месторождениях Компании обсуждали в Нижневартовске// Новатор 2007. № 18. С. 23-27

3. F.J.S. Alhanati, S.C. Solanski, T.A. Zahacy "ESP failures: can we talk the same language?" SPE.

4. G. Novillo, J. F. Lea «High Volume Applications - Tutorial» ESP Workshop, 2004.

5. Ивановский В.Н. Основные направления развития оборудования для подъема нефти из скважины. Доклад. VIII Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 80-летию РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина. «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса». Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина. М., 2010.

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ насосы \\ 69