CC BY
23В.Н. Ивановский, д.т.н., профессор, С.А. Карелина, инжинер-программист, e-mail: karelina2007@yandex.ru Н.Н. Соколов, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
повышение эффективности работы уэцн за счет уточнения рабочих частей характеристик центробежных насосов
Значительные колебания стоимости нефти и одновременное повышение себестоимости нефти за счет роста цен на электроэнергию и подземный ремонт скважин приводит к необходимости использовать насосные установки с максимальным КПД. При этом коэффициент полезного действия ступени и насосной установки в целом должен быть максимальным не на воде, а на той пластовой жидкости, для откачки которой эта насосная установка предназначена.
То же самое можно сказать и о других рабочих показателях (напор, мощность, осевое усилие на рабочее колесо ступени и т.д.) - их величины должны обеспечивать максимальные наработки до отказа.
Выбор насосной установки производится по нескольким критериям: со-
ответствие исходным промысловым данным (подача, требуемый напор, конструктивное исполнение соответствующего уровня:коррозионностой-кое, износостойкое и т.д.); минимальное энергопотребление; максимальная надежность; ценовые показатели. При этом недопустимо подбирать насосную
установку по так называемой «номинальной подаче» насоса. Этот термин существует во многих областях машиностроения (например, номинальная грузоподъемность, номинальная масса и т.д). Но в этом случае указанная номинальная величина является действительной величиной, которая определя-
ТИП НАСОСА ПОДАЧА НОМИНАЛЬНАЯ РАБОЧАЯ ЧАСТЬ ХАР-КИ ПОДАЧА ОПТИМАЛЬНАЯ кпд ПРИ НОМ. ПОДАЧЕ КПД МАКС РАЗНОСТЬ ПОДАЧ (Qh -Qo) / ОТНОСИТЕЛЬНОЕ НЕСООТВЕТСТВИЕ, % РАЗНОСТЬ КПД (Пн -По) / ОТНОСИТЕЛЬНОЕ НЕСООТВЕТСТВИЕ, %
ЭЦН4-20 20 15 - 30 30 26 30 -10 / 50 -4 / 15,4
ВНН5-500 500 350-600 550 65 67 -50 / 10 -2 / 3
ВНН5А-35 35 20-60 47 39 46 -12 / 34 -7 / 18
ВНН7-2000 2000 1400-2600 2200 68 71 -200 / 10 -3 / 4,4
ЭЦН5А-340 340 240-410 300 64 68 +40 / 11,8 -4 / 6,25
ЭЦНД5-80 80 50-105 97 52 55 -17/ 21,25 -3 / 5,77
ЭЦНД5-30 30 15-50 65 31 45 -35 / 117 -6 / 19,3
ЭЦНА5-25 25 15-45 40 23 28 -15 / 60 -5 / 21,7
ЭЦНА5-18 18 12 - 30 26 27 29 -8 / 44,4 - 2 / 7,4
ЭЦНМ5-50 50 25-70 65 42 45 -15 /30 -3 / 7
ЭЦНМ5-80 80 60-115 93 50 54 -13 / 16 -4 / 8
ЭЦНМ6-250 250 200-340 300 62 65 -50 / 20 -3 / 1
ЭЦНМ4-50 50 30-70 70 43 50 -20 / 40 -7 / 16
ЭЦНА5-30 30 20-40 38 35 37 -8 / 27 -2 / 7
2ЭЦНМ4-50 50 30-70 65 43 47 -15 / 30 -4 / 8
(Л)ЭЦНМ5-30 30 12-50 45 30 35 -15 / 50 -5 /17
ЭЦНМ5-20. 20 12-35 27 27 30 -7 / 35 -3 / 11
Таблица 1. Анализ характеристик ЭЦН при работе на воде
64 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № 9 \\ сентябрь \ 2003
Таблица 2. Анализ характеристик ЭЦН при работе на модельной жидкости
тип НАСОСА ПОДАЧА НОМИНАЛЬНАЯ РАБОЧАЯ ЧАСТЬ ХАР-КИ ПОДАЧА ОПТИМАЛЬНАЯ КПД ПРИ НОМ. ПОДАЧЕ КПД МАКС РАЗНОСТЬ ПОДАЧ (О, / ОТНОСИТЕЛЬНОЕ НЕСООТВЕТСТВИЕ,0/» РАЗНОСТЬ КПД (Пн -По) / ОТНОСИТЕЛЬНОЕ НЕСООТВЕТСТВИЕ, %
ВНН5-500 500 350-600 550 65 67 -50 / 10 -2 / 3
ВНН5А-35 30 15-52 42 33 37 -12 / 40 -4 / 12
ЭЦНД5-80 75 47-100 93 42 45 -19/ 25,3 -3 / 7
ЭЦНД5-30 27 12-44 58 24 34 -31 / 115 -10 / 42
ЭЦНА5-18 15 10 - 25 22 19 22 -7 / 47 - 3 / 15,8
ЭЦНМ5-50 46 23-64 55 33 35 -9 /20 -2 / 6
ЭЦНМ5-80 75 56-108 90 41 44 -15 / 20 -3/ 7
ЭЦНП4-50 50 30-70 70 43 50 -20 / 40 -7 / 16
ЭЦНА5-30 27 18-36 31 26 27 -4 / 15 -1 / 4
ЭЦНМ5-30 27 13-48 49 27 36 -22 / 81 -9 /33
ЭЦНМ5-20. 17 10-26 29 20 27 -12 / 71 -7 / 35
ет фактическую возможность той или иной машины. Когда же говорят о «номинальной подаче ЭЦН», то речь идет не об оптимальной или максимальной величине подачи, а о какой-то величине, которую фирмы-производители записали в технический паспорт(или иную техническую документацию) и которая хорошо согласуется с существующими типоразмерными рядами,
принятыми в нефтяной промышленности. Примеров тому масса. Например, насос ЭЦН5А-35 имеет номинальную подачу в 35 м3/сут. Но при этой подаче КПД составляет всего 65% от максимального КПД этого насоса, а сама номинальная подача составляет всего 40% от максимальной величины.Возникает вопрос: можно ли этот насос использовать в скважинах с подачей
в 35 м3/сут? Скорее всего, нет. Ведь в этом случае насос будет работать в левой части характеристики, а значит, его осевые опоры будут работать при повышенных нагрузках, что приведет к быстрому выходу из строя. Следовательно, запись в техническом паспорте будет дезинформировать потребителя в вопросе об областях применения этого вида оборудования. Правда,
Таблица 3. Области применения УЭЦН по дебитам
НАСОС НОМИНАЛЬНАЯ ПОДА-ЧА/ОПТИМАЛЬНАЯ ПОДАЧА РЧХ ПО УСЛОВИЯМ ФИРМЫ-ИЗГОТОВИТЕЛЯ, М3/С РЧХ ПО УСЛОВИЯМ РАСЧЕТА РАЗНОСТЬ ПОДАЧ ^ А) /ОТНОСИТЕЛЬНОЕ НЕСООТВЕТСТВИЕ, % РАЗНОСТЬ ПОДАЧ ^ пргр. расч. Q пр.гр.пасп.) /ОТНОСИТЕЛЬНОЕ НЕСООТВЕТСТВИЕ, % РАЗНОСТЬ ПОДАЧ (Q лев.гр.расч.-Q лев.гр.пасп.) / ОТНОСИТЕЛЬНОЕ НЕСООТВЕТ-СТВИЕ,% СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ V /V расч пасп.
ВНН5-500-2500 500/600 344-605 340-593 100/20% -12 -4/1,2% 1,57/0,3
ВНН5А-35-2350 35/44 20-60 18-54 9/25,7% -6/11% -2/11% 0,75/0,06
ЭЦНД5-80-2500 80/100 50-105 47-99 20/25% -6/6% -3/6% 0,21/0,08
ЭЦНД5-30-2500 30/65 15-51 13-44 35/117% -7/16% -2/15% 0,06/0,12
ЭЦНА5-18-2570 18/25 12-30 10-25 7/39% -5/20% -2/20% 0,04/0,08
ЭЦНМ5-50-2400 50/70 25-70 46-65 20/40% -5/7,6% -21/84% 0,21/0,06
ЭЦНМ5-80-2500 80/97 59-115 56-108 17/21% -7/6,5% -3/5% 0,26/0,3
ЭЦНП4-50-2450 50/70 30-84 26-64 20/40% -20/31% -4/15% 0,12/0,12
ЭЦНА5-30-2500 30/35 20-40 18-36 5/17% -4/11% -2/11% 0,08/0,12
ЭЦНМ5-30-2450 30/55 15-55 13-48 25/83% -7/14,5% -2/15,4% 0,06/0,08
Л1ЭЦНМ5-20-2550. 20/34 12-30 10-26 14/70% -4/15,4% -2/20% 0,04/0,08
Обозначения: Qн - номинальная подача; Q0 - оптимальная подача;
Qnp.rp.pac4.- подача на правой границе РЧХ по расчету;
Qnp.rp.nacn. - подача на правой границе РЧХ по технической документации фирмы-изготовителя; Qлeв.rp.pacч.- подача на левой границе РЧХ по расчету;
Qлeв.rp.пacп. - подача на левой границе РЧХ по технической документации фирмы-изготовителя;
- возможность применения паспортной РЧХ.
- невозможность применения паспортной РЧХ.
проблема правильного определения и использования рабочей части характеристики УЭЦН.
Обычно границы рабочей части характеристики определяются:слева - минимальной скоростью охлаждающей жидкости, справа - возможностью всплытия рабочего колеса. Иногда речь может идти о перегрузке опорной шайбы на переднем (нижнем) диске рабочего колеса. Но исследования показывают, что современные приводные электродвигатели (особенно вентильные) позволяют значительно снизить скорость охлаждающей пластовой жидкости без снижения показателей их надежности. Кроме того, расчеты показывают, что указанные в технической документации (технических паспортах, каталогах) минимальные скорости охлаждающей жидкости были рассчитаны исходя из условия откачки чистой нефти (или жидкости с аналогичной величиной теплоемкости). Наличие в пластовой жидкости воды и свободного газа могут существенно изменить её теплоемкость и, соответственно, изменить возможность охлаждения электродвигателя.
при перекачке пластовой жидкости определенной вязкости характеристика насоса изменится и оптимальный режим может практически совпасть с указанной в паспорте величиной подачи, но в большинстве случаев такое совпадение не наблюдается.
В таблице 1 представлены некоторые типоразмеры погружных центробежных насосов, у которых величины номинальных и оптимальных подач различаются сильнее всего.
В непосредственной близости от указанной проблемы находится и другая -
Рис. 1. Характеристики ЭЦНМ5-30-2450 на воде и на нефти
66 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № 9 \\ сентябрь \ 2009
Выбор рациональных рабочих частей характеристик (РЧХ) различных насосов необходимо проводить после перестроения этих характеристик на реальную пластовую жидкость. После получения таких характеристик можно определить левые границы РЧХ исходя из минимальной скорости охлаждения соответствующих погружных электродвигателей. Для расчетов были взяты средние показатели состава и вязкости пластовой жидкости Самотлорского месторождения. Пересчет рабочих характеристик проводился по методике П.Д. Ляпкова [1], определение теплоемкости реальной пластовой жидкости - по методике С.М. Купцова [ 2 ]. Поскольку для многих типоразмеров ЭЦН неизвестна зависимость осевой нагрузки на рабочее колесо от подачи, выбор значения правой границы определялся не моментом «всплытия» рабочего колеса, а общепринятой величиной Qпр.гр. = 1,3 Q0, где Qпp.rp. - подача, соответствующая правой границы РЧХ, Q0 - подача в оптимальном режиме. Рекомендуемые фирмами-изготовителями и вновь полученные рабочие части характеристик для некоторых основных типоразмеров УЭЦН, которые приме-
няются в Западно-Сибирском регионе, представлены в таблице 2. Для дальнейшего рассмотрения выбраны насосы,у которых разность номинальной и оптимальной подачи превышает 5% (таблица 3). Результаты расчетов показывают, что значительная часть УЭЦН на месторождениях Западной Сибири работает за пределами РЧХ, что приводит к снижению их надежности, повышению затрат на подземный ремонт скважин, увеличению затрат электроэнергии, общему снижению эффективности применения этого вида оборудования. Видимо, этим можно объяснить тот факт, что более 30% УЭЦН 5 категории (самые дорогие, износо- и коррозионно стойкие установки) не вырабатывают свой гарантийный срок даже при эксплуатации их в достаточно простых геолого-технических условиях. Данные,приведенные в таблицах, проиллюстрированы рис. 1.
выводы
1. Рабочая часть характеристики и её граница зависят от вида жидкости, от применяемого двигателя (от минимальной скорости охлаждающей жидкости),
от возможности «всплытия» рабочих колес.
2. Паспортные характеристики и их рабочие части для значительной части УЭЦН не учитывают выводы по п. 1.
3. Для увеличения эффективности работы УЭЦН за счет уменьшения отказов погружных электродвигателей по перегреву и ЭЦН за счет износа заднего диска необходимо использовать УЭЦН только внутри РЧХ, границы которой определены для реальной пластовой жидкости.
Литература:
1. Ляпков П.Д. Подбор погружного центробежного электронасоса. Справочная книга по добыче нефти/Под ред. д.т.н. Ш.К.Гиматудинова. - М.: «Недра», 1974.
2. КупцовС.М. Теплофизические свойства пластовых жидкостей и горных пород нефтяных месторождений. М.: «Недра - Бизнесцентр», 2008. Ключевые слова: рабочая часть характеристики УЭЦН, погружные насосы, КПД, Напор, Подача, Оптимальный режим
