CC BY
2
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 622.276.53
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-624-625
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ СИСТЕМЫ ППД
Г.И. Бикбулатова, А.С. Галеев, Ю.А. Болтнева, П.А. Ларин, С.Р. Гилязова
Решена оптимизационная задача по закачке центробежным секционным насосом жидкости в пласт по двум направлениям, дана оценка повышения энергоэффективности работы насоса по закачке регламентированных объемов жидкости по направлениям.
Ключевые слова: трубопровод, насос, напор, подача, расход.
При разработке месторождений для обеспечения требуемого уровня добычи углеводородного сырья из скважин и увеличения нефтеотдачи продуктивных пластов используются различные методы поддержания пластового давления. Среди которых своей универсальностью выделяется метод заводнения, применимый практически при всех геолого-физических и технико-технологических условиях, и позволяющий получить наибольший конечный коэффициент нефтеотдачи.
Разнообразные технологические схемы систем поддержания пластового давления (ППД) нефтегазодобывающих предприятий для нагнетания воды в пласты-коллекторы в преобладающем большинстве используют центробежные секционные насосы (ЦНС), в качестве привода которых выступают синхронные двигатели типа СТД или асинхронные типа АРМ мощностью до 5 МВт. При этом удельное потребление электроэнергии оборудованием кустовых насосных станций (КНС) достигает в некоторых случаях 80% от потребления всей технологической системы ППД [1-2]. Учитывая значительный процент обводненности скважинной продукции, высокую стоимость электроэнергии и тенденцию к ее увеличению, снижение энергозатрат является ключевой задачей в повышении эффективности систем ППД, определяет необходимость поиска направлений совершенствования основных энергопотребляющих процессов и установления оптимальных режимов работы насосного оборудования.
Критерием энергоэффективности системы служит удельный расход электроэнергии, показывающий энергоёмкость комплекса оборудования КНС на закачку жидкости при плановых показателях затрат. Известно, что на указанный параметр оказывают влияние КПД насосных агрегатов и характеристики трубопроводной сети [3-6].
Количество затрачиваемой энергии зависит так же от положений задвижек, установленных на линиях, поскольку это влияет на положение рабочей точки на напорной характеристике насоса, и соответственно на расход жидкости и коэффициент полезного действия насоса.
Наиболее широко применяемые варианты закачки:
насос одновременно работает на все направления заводнения, отключая трубопроводы задвижкой по мере выполнения плана;
закачка по направлениям осуществляется поочередно по каждому отдельному трубопроводу, т.е. в любой момент времени задействована только одна линия;
насос работает поочередно на одну из групп трубопроводов, которые разделены на множество направлений.
Восполнение и поддержание пластового давления через систему нагнетательных скважин обеспечивает приближение к добывающим скважинам зоны повышенного давления. Обычно кустовые насосные станции работают на несколько площадей, достаточно удаленных друг от друга, к каждой из которых ведет отдельная линия (направление). Количество перекачиваемой жидкости обычно регламентируется по каждому направлению, т.е. на любое из направлений указывается конкретный (плановый) объем необходимой закачки.
Будем считать, что характеристика направлений постоянна и не зависит от времени, как и напорная характеристика насоса. С целью упрощения задачи ограничимся рассмотрением всего двух направлений.
Через первый и второй трубопроводы требуется закачать объёмы V1 и V2 соответственно, затратив наименьшее количество энергии (рис. 1). Каждая линия оборудована задвижкой и расходомером, для регулирования и контроля объемов перекачиваемой жидкости.
Гидравлические характеристики насоса обычно задаются в виде зависимостей напора (h) и к.п.д. (q) от расхода (q). В этом исследовании удобнее работать с величинами, зависящими не от расхода, а от напора. Поэтому подачу и КПД насоса представим следующими функциями [7]
q = q(h), i]=i](h),
а потоки в трубопроводах - функциями
4i =q,i(h), q2 =q2(h).
Гидравлическая характеристика коллектора (qt) зависит от характеристики каждого направления и степени открытия задвижек
Чк(Ю =aq1(H) + bq2(H), 624
где а и Ь - коэффициенты, характеризующие степень открытости трубопроводов (или степень свободы потоков) в интервале от 0 (полное перекрытие трубопровода) до 1 (полное открытие трубопровода).
р>*=<>
=м=0 = =м=0= =м=0= и+=о=
- VI
±
гг
О-
рм=С= =н=0= = =и=0= =м=0= Ц«ю=
уг
и
- Насос ЦНС
О - Расходомер м - Зощм» уащхшса1в - Манометр
Рис. 1. Схема насосной станции
Рабочая точка системы насос - коллектор (2, Н) определяется уравнением
Ч(Ю = аЧ1(Ю + ЬЧ2(Ю. (1)
Процесс заполнения объёмов У и У изобразим линией, которую назовём линией заполнения (рис. 2). Точка М (х, у) изображает момент, когда через первый трубопровод поступил объём х через второй - объём у
Рис. 2. Линия заполнения
Возьмём произвольную линию заполнения ОК, описываемую уравнениями х = х(£), у = у(£), где ^ текущее время (рис.2). На линии ОК выделим элемент Лх, dy, отвечающий бесконечно малому отрезку времени Л. Объемы, прошедшие через трубопроводы, составят
йх = ац^Н)^, йу = Ьц2(Н)<И.
Тогда
Q(H)=x+y.
Формула (1) запишется в виде За время Л насос потребляет энергию
Поскольку Н и 2 зависят от х +у, то энергию можно выразить как некую функцию от х + у,
(2)
Тогда
йЕ = Р(х + у)Л, где Р{х+у) =рд—^(Н).
Е = $Т0Р{х + у)аг,
где Т - общее время заполнения двух объёмов, а функции х^), у (/) должны удовлетворять граничным условиям
х(0)=0, у(0)=0, х(Г) = У1, у{Т) = У2. (3)
Экстремаль определяется уравнениями Эйлера [8]
-У -Рх=0. -У, - К, = 0.
м х х м У У
Так как функция ^ не зависит от х и у получим
Р±±х = 0. %у = 0. Поскольку в общем случае ^ ф0, Руу ф0, то, во-первых,
х = 0, у = 0, х = =сопбИ, у = Q2 =сопб12 , (4)
во-вторых, искомая экстремаль не имеет изломов [8].
Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. Вып. 11
Из условия постоянства расходов (4) следует, что объемы должны заполниться одновременно. Иначе говоря, линией заполнения должен быть отрезок прямой OK.
Для снижения потребляемой энергии (2) необходимо вести закачку с минимальным значением величины H/nW). Эта величина для насосов ЦНС будет минимальной при наименьшем напоре H [3]. Управлять напором можно только путем регулирования потока задвижками, т. е. изменяя коэффициенты a, b. Из граничных условий (3) следует
bq2(H):aq1(H)=V2:V1. (5)
Рассмотрим случай, когда коэффициенты a и b одновременно меньше единицы.
Будем увеличивать коэффициенты a и b, так чтобы соотношение (5) не нарушалось, при этом напор будет падать. Одна из величин a и b первой достигнет максимального значения, равного 1. Напор H будет при этом минимальным, как и затраты энергии (2).
Соответственно, необходимо, чтобы в любой момент заполнения хотя бы один трубопровод был полностью открыт, т.е. среди коэффициентов a, b хотя бы один равен 1.
Таким образом, резюмируя все вышеизложенное можно сделать вывод, что с целью обеспечения наиболее экономичного режима работы центробежных насосов системы ППД необходимо отрегулировать потоки жидкости таким образом, чтобы закачка осуществлялась по обоим направлениям и завершилась одновременно. При этом, по крайней мере, один из трубопроводов должен быть полностью открыт, а закачка по второму направлению должна быть ограничена. Осуществить ограничение можно двумя способами: либо дросселированием при помощи задвижки, что может привести к ее ускоренному износу, либо ограничением числа открытых скважин в соответствующем направлении.
Список литературы
1. Инструкция по обследованию системы ППД с целью повышения эффективности её эксплуатации:РД 153-39.0-651-09: утв. ОАО «Татнефть»: ввод в действие с 01.01.09. Бугульма: ТатНИПИнефть, 2009. 137 с.
2. Багманов А.А. Насосы центробежные системы ППД нефтяных месторождений. Исследование. Проектирование. Эксплуатация. KG Gemany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. 2012. 108 c.
3. К проблеме повышения эффективности работы насосных агрегатов / Галеев А.С., Сулейманов Р.Н., Бикбулатова Г.И. // Технологии топливно-энергетического комплекса. 2005. № 2. С. 92-97.
4. Сулейманов Р.Н. Эффективность работы насосных агрегатов [Текст]: монография / Р.Н. Сулейманов, А.С. Галеев, Г.И. Бикбулатова. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. 100 с.
5. Ибрагимов Н.Г. Оценка энергетических потерь, возникающих при неконтролируемой закачке воды в пласт через систему поддержания пластового давления / Н.Г. Ибрагимов, В.Г. Фадеев, Г.А. Федотов, М.Ш. Каюмов, И.В. Владимиров // Нефтепромысловое дело. 2003. № 12. С. 28-31.
6. Колосов Б. Методика снижения энергоемкости процесса нагнетания в системе ППД и необходимое оборудование / Б. Колосов, Р. Сулейманов // Нефтесервис. 2006. № 3. С. 27-29.
7. Бикбулатова Г.И., Галеев А.С., Болтнева Ю.А., Ларин П.А., Сулейманов Р.Н., Филимонов О.В. Оптимизация процесса закачки фиксированных объемов жидкости в два направления. Инжиниринг георесурсов. // Известия Томского политехнического университета. Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2019. Т. 330. № 1. С. 134-144.
8. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М.: Наука, 1969. 425 с.
Бикбулатова Голия Ильдусовна, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Республика Татарстан, Альметьевск, Альметьевский государственный нефтяной институт,
Галеев Ахметсалим Сабирович, д-р техн. наук, профессор, Россия, Республика Татарстан, Альметьевск, Альметьевский государственный нефтяной институт,
Болтнева Юлия Анатольевна, старший преподаватель, [email protected]. Россия, Республика Татарстан, Альметьевск, Альметьевский государственный нефтяной институт,
Ларин Пётр Андреевич, старший преподаватель, [email protected], Россия, Республика Башкортостан, Уфимский государственный нефтяной техническмй университет в г. Октябрьском,
Гилязова Светлана Ришатовна, старший преподаватель, Россия, Республика Татарстан, Альметьевск, Альметьевский государственный нефтяной институт
INCREASING THE ENERGY EFFICIENCY OF PUMPING STATIONS OF THE MRP SYSTEM G.I. Bikbulatova, A.S.Galeev, Yu.A. Boltneva, P.A. Larin, S.R. Gilyazova
The optimization problem of pumping liquid into the formation by a centrifugal sectional pump in two directions has been solved, and an assessment has been made of increasing the energy efficiency of the pump for pumping regulated volumes of liquid in directions.
Key words: pipeline, pump, head, supply, flow
Bikbulatova Goliya Ildusovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Republic of Tatarstan, Almetyevsk, Almetyevsk State Petroleum Institute,
Galeev Akhmetsalim Sabirovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Republic of Tatarstan, Almetyevsk, Almetyevsk State Petroleum Institute,
Boltneva Yulia Anatolyevna, senior lecturer, [email protected]. Russia, Republic of Tatarstan, Almetyevsk, Almetyevsk State Petroleum Institute,
Larin Pyotr Andreevich, senior lecturer, [email protected], Russia, Republic of Bashkortostan, Ufa State Petroleum Technical University in Oktyabrsky,
Gilyazova Svetlana Rishatovna, senior lecturer, Russia, Republic of Tatarstan, Almetyevsk, Almetyevsk State Petroleum Institute
УДК 621.928.37
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-627-628
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ПИРИТНЫХ ОГАРКОВ
В ГИДРОЦИКЛОНАХ НАПОРНОГО ТИПА
С.Ю. Лозовая, Е.С. Бащева
В статье рассмотрена перспектива гидроклассификации материалов мелкой фракции (менее 60 мкм) в различных отраслях промышленности. Описана конструкция и принцип действия гидроциклонов напорного типа ГЦК-360-10 и модифицированного с разделительной областью в рабочей зоне, приведены их достоинства и недостатки. Представлена новая конструкция гидроциклона, позволяющая улавливать частицы подготовленных пи-ритных огарков размером менее 60 мкм. Описаны конструкция и принцип действия исследуемых устройств, созданы их цифровые модели для гидродинамического моделирования с использованием CAD/CAE - системы. Компьютерное моделирование актуально при разработке новых изделий, оно позволяет на ранних стадиях проектирования оценить функциональность и работоспособность будущего изделия, сравнить его эффективность с имеющимся оборудованием. Показано, что новая конструкция гидроциклона предоставляет возможность усовершенствования аппарата ГЦК-360-10, который используется на предприятиях различных отраслей промышленности. Установлено, что использование конструкции нового гидроциклона позволит сократить количество повторных подач в него, а также сократит количество повторных подач в мельницу для домола, что составит экономию электроэнергии в сотни млн. руб в год.
Ключевые слова: гидроклассификация, эффективность разделения частиц, проектирование, CAD/ CAE -система, энергоемкость.
Гидроциклоны [1,2] — это аппараты, которые широко используются в различных отраслях промышленности, например, в обогатительной, металлургической, цементной, химической промышленности и др. Они используются с целью классификации и обогащения в жидкой среде тонкоизмельченных материалов по скорости и направленности движения пульпы [3,4], для повышения качества и улучшения технических свойств готового продукта.
Гидроциклоны напорного типа имеют ряд преимуществ перед другими конструкциями [1, 5]: простота, компактность и дешевизна в изготовлении, надежность и удобство в эксплуатации, обладает высокой производительностью. Его можно применять как самостоятельный аппарат, либо объединенный в батареи в открытых или замкнутых циклах измельчения. Гидроциклоны напорного типа имеют существенный недостаток - отсутствие точной границы разделения частиц на фракции, что требует повторной подачи материала в гидроциклон для извлечения необходимой фракции готового продукта.
Обогащение при добыче полезных ископаемых очень энергоемкий и дорогостоящий процесс из-за больших потерь концентрата, добываемого минерала, при его извлечении из руды. Для снижения энергоемкости и повышения эффективности необходимо установить точную границу разделения частиц готового продукта. Предложено в используемых гидроциклонах напорного типа организовать разделительную область в тангенциальном притоке [6, 7], загружаемой пульпы, в которую будет подаваться вода, что даст возможность осадить крупный материал, при этом преобладающая часть мелких частиц останется в центральном потоке и будет выведена на верхний слив. Что предотвратит попадание частиц концентрата на нижний слив.
Высокую значимость при проектировании новых устройств имеет компьютерное моделирование, так как оно предоставляет возможность создать цифровые прототипы будущих изделий, провести анализ их функциональности, осуществить сравнительный анализ различных вариантов исполнения устройства, оценить их эффективность и надежность, что позволяет выбрать рациональное решение с учетом различных параметров. Компьютерное моделирование позволяет выявить потенциальные проблемы и дефекты в конструкции цифрового прототипа еще на ранних этапах проектирования, что позволяет существенно сократить затраты на доработки и исправления конструкции на последующих этапах разработки.
В качестве классифицируемого в гидроциклоне материала рассматривается пульпа, в состав которой входят измельченные пиритные огарки [6] - отходы производства серной кислоты. Они представляют собой мелкозернистый материал с влажностью около 20% с размером частиц менее 60 мкм для подготовки портландцементного клинкера [10 - 14].
В гидроциклон ГЦК-360-10 [1] пульпа подается через тангенциальный приток в цилиндрический сегмент, где под действием центробежной силы, частицы с размером менее 60 мкм остаются в центральном потоке и уходят на верхний слив, а частицы размером более 60 мкм уносятся к внутренним стенкам гидроциклона, и теряя скорость уходят на нижний слив через коническую часть. Недостатком гидроциклона ГЦК-360-10 [1, 5] является отсутствие точного разделения частиц на фракции, т. е. на верхний слив попадают частицы > 60 мкм, что требует дополнительной классификации, а на нижний уходит большое количество частиц < 60 мкм, которое вместе с крупными частицами уходит на домол [8, 9].
