CC BY
24НАСОСЫ
Ю.А. донской, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
Один из критериев определения верхнего предела частоты вращения ротора эцн
Сокращение эксплуатационных затрат является одной из важных задач для любой отрасли промышленности. Затраты на электроэнергию при добыче нефти являются одними из самых высоких. Поэтому задача сокращения потребления электроэнергии является актуальной.
Известно, что коэффициент полезного действия быстроходных центробежных колес выше, чем тихоходных [1]. Это связано, в частности, с уменьшением диаметра быстроходного колеса, а следовательно, и площади трения. Трение колёс о жидкость растет пропорционально квадрату диаметра колеса(пропорционально площади колеса). Таким образом, необходимо стремиться делать меньший диаметр, т. е. применять более высокое число оборотов, так как быстроходные колеса имеют меньшие потери на трение, чем тихоходные. Таким образом, использование насосов с быстроходными колёсами позволит сократить потребление электроэнергии. Однако подача быстроходных колёс достигает достаточно больших значений, поэтому использование насосов с такими колёсами для скважин с низкими и средними дебитами возможно только с применением некоторых методов регулирования. Основными способами регулирования напора любого центробежного насоса и объёма перекачиваемой им жидкости являются:
• изменение сопротивления гидравлической системы;
• перелив части жидкости в скважину;
• изменение геометрических размеров колес;,
• периодическая эксплуатация скважины;
• изменение частоты вращения вала насоса.
Наиболее перспективным способом регулирования расходно-напорной характеристики УЭЦН является изменение частоты вращения ротора за счёт изменения частоты питающего тока. Этот способ позволяет сократить потребление электроэнергии, а также получить дополнительные возможности регулирования.
Основными преимуществами этого способа являются:
• управление широким классом погружных электродвигателей мощностью до 600 кВт;
• устранение негативного влияния большого пускового тока и ударных механических нагрузок;
• оперативное управление производительностью насоса в зависимости от дебита скважины, заданиями на добычу, другими параметрами;
• возможность увязывания в единую автоматизированную технологическую цепочку всего процесса добычи нефти;
• обеспечение временного выведения
скважины из эксплуатации без опасности ее парафинизации;
• плавный вывод скважины на режим и «раскачка» скважины с целью повышения коэффициента продуктивности;
• возможность как снижения, так и увеличения подачи насоса.
Однако для малодебитных скважин, эксплуатируемых при помощи УЭЦН, периодическая эксплуатация оказывается более целесообразной. Основные рабочие характеристики насоса при изменении частоты изменяются по следующим зависимостям [2]:
• подача насоса
п'
Q' = Q----(1)
п
где Q, п - подача и число оборотов вала насоса при номинальном режиме (частота тока 50Гц), Q', п' - подача и число оборотов вала насоса при необходимом режиме,
• напор насоса
I п'
Н' = Н . (-)2 (2)
п
где Н, п - напор и число оборотов вала насоса при номинальном режиме (частота тока 50Гц), Н', п' - напор и число оборотов вала насоса при необходимом режиме.
• мощность насоса
68 \\ ТЕРРИТОРИЯ нефтегаз \\
\\ № В \\ август \ 2007
осные системы
ВЫ ДЕРЖИТЕ СВОЕ СЛОВО. МЫ - ВАШЕ!
ООО «АКВА СЕРВИС»
г. Москва, ул. Академика Варги, д. 1 Тел.: (495) 424-37-22, Факс: (495) 424-30-44 E-mail: [email protected]
www.promnasos.ru
ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИЛЕР GRUNDFOS
www.grundfos.com/ru
НАСОСЫ
N'4 = Nн • (-)3 (3)
п
где п - мощность и число оборотов вала насоса при номинальном режиме (частота тока 50Гц), ^н, п' - мощность и число оборотов вала насоса при необходимом режиме. Существует несколько законов управления частотным преобразователем: М.П. Костенко, номинальный, постоянного полного потока, постоянного рабочего потока, постоянного абсолютного скольжения, управления частотой при номинальном напряжении.
Чаще всего используется закон Ко-стенко, однако при управлении частотой тока по этому закону рост выделяемой мощности на валу электродвигателя происходит по линейной зависимости, а рост мощности, потребляемой центробежным насосом, происходит по кубической зависимости (см. уравнение 3). Также необходимо учитывать рост радиальных сил за счёт дисбаланса ротора насоса. Эти нагрузки изменяются по квадратичной зависимости Р= %2). Поэтому существует верхний предел частоты вращения ро-
тора ЭЦН.
Одно из основных условий при определении как минимального, так и максимального значения допускаемой частоты вращения ротора насосной установки заключается в том, чтобы температура погружного оборудования во время работы не превышала допускаемого значения. Кроме этого, существует ряд факторов, которые также необходимо учитывать при установлении границ диапазона регулирования, например, такие, как кавитация, гидравлический КПД, уплотнение вращаю-
70 \\ ТЕРРИТОРИЯ нефтегаз \\
\\ № 8 \\ август \ 2007
\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
№ 8 \\ август \ 2007
щихся деталей, и т.д. Таким образом, определение допускаемых частот вращения роторов УЭЦН является комплексной задачей, в которой необходимо принимать во внимание одновременное влияние нескольких параметров.
Рассмотрим влияние гидравлических параметров насоса на возможность изменения скорости вращения вала насоса. С точки зрения гидравлических пределов регулирования частоты вращения ротора УЭЦН особое значение имеет верхний, т. к. он связан с возникновением кавитации в насосе, которая в итоге приводит к разрушению. Нижний предел связан с напором, развиваемым насосом.
Кавитацией называется процесс образования в жидкости полостей, заполненных газом или паром. Для УЭЦН кавитация чаще всего означает выделение из пластовой жидкости газа. Опасность кавитации заключается в том, что выделившийся газ полностью занимает межлопаточное пространство, блокируя подачу насоса, а также возникают достаточно большие крутильные колебания, которые могут привести к поломке вала. Еще одним следствием кавитации может быть питтинговый износ рабочих лопастей ступени. Рассмотрим причины возникновения кавитации.
За лопастями центробежного колеса находятся зоны пониженного давления жидкости (рис.1), поэтому при работе насоса выделение газа начинается именно там. Постепенно газовый пузырь расширяется, занимая межлопаточное пространство. При увеличении частоты вращения ко-
леса увеличивается подача насоса. Это значит, что подача колеса будет превышать номинальную расчётную. Соответственно изменятся направления и значения скоростей жидкости на входе в колесо и на выходе (рис. 2). Поэтому зона выделения газа возникнет не только за лопаткой, но и перед ней вследствие изменения направления потока жидкости. На рис. 3 показана область питтинга (связан с кавитацией) лопатки центробежного насоса. Известна зависимость [3] между параметрами потока жидкости и началом появления кавитации. Примем следующие обозначения: На — напор, соответствующий абсолютному давлению, действующему на поверхность уровня жидкости, поступающей в насос;
— гидростатический напор жидкости в сосуде, из которого производится откачивание, по отношению к оси насоса;
— давление пара при данной температуре воды в метрах столба жидкости; И — потеря напора в подводящей трубе и во входном патрубке;
с1 — средняя абсолютная скорость потока жидкости на входе в колесо;
1Ш(2
--местное падение давления по
2д
отношению к среднему значению в месте возникновения кавитации; здесь Ш[ — средняя относительная скорость потока жидкости на входе, а 1 — опытный коэффициент. Это местное падение давления вызвано разностью давлений, действующих на переднюю и заднюю стороны лопатки. Очевидно, что кавитация начинается, когда
С[2 1Ш[2
На + « | + + -+ - (4)
2д 2д
Преобразуем это уравнение для УЭЦН:
Рзатр С[2 1Ш[2 - + Нпогр < I + 1|и + — + -(5)
Рср_затрд 2д 2д
где
Рзатр - затрубное давление,
рср_затр - средняя плотность жидкости в
затрубном пространстве,
Нпогр - глубина погружения насоса под
уровень жидкости,
- будет означать давление разгази-рования жидкости или давление начала испарения одной из фракций, выраженное в метрах. Таким образом, при работе УЭЦН в режиме поддержания постоянного динамического уровня жидкости, т.е. когда значения затрубного давления и глубина погружения насоса под уровень жидкости остаются постоянными давление начала кавитации остаётся неизменным. Поэтому при увеличении числа оборотов ротора УЭЦН, а соответственно и смещении рабочей области в сторону более высоких подач она (рабочая область) будет приближаться к критическому значению подачи насоса, при которой наступает кавитация.
Поэтому одним из параметров, ограничивающих диапазон изменения частоты вращения ротора УЭЦН сверху является давление начала кавитации, который необходимо учитывать.
ЛИТЕРАТУРА
К. Пфлейдерер, Лопаточные машины для жидкостей и газов, перевод с немецкого, 4 издание. - М., 1960 В.Н. Ивановский, Перспективы создания и применения скважинных насосов. -М.: Территория нефтегаз, №3, 2005 А.И. Степанов, Центробежные и осевые насосы. - М., 1960.
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ насосы \\ 71
