CC BY
73НАСОСЫ I
УДК 536.242+ 622.276.054
с.М. Купцов, к.т.н., доцент РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина
температурное поле
погружного электродвигателя скважинных насосных установок
При добыче нефти с применением погружной установки электро приводного центробежного насоса (УЭЦН) одной из причин выхода из строя является перегрев электродвигателя (ПЭД).
График изменения температуры нефти по стволу скважины при эксплуатации УЭЦН (рис. 1) имеет характерный скачок (в отличие от фонтанной добычи) в области подвески подземного оборудования [3].
Вследствие выделения теплоты от электродвигателя и центробежного насоса происходит более интенсивное выделение газа из нефти, что приводит к ухудшению способности отвода теплоты от оборудования. С увеличением температуры добываемой нефти происходит повышение темпера-
туры как наружной поверхности, так и внутренних частей электродвигателя, которое ограничивается допустимым значением, зависящим от исполнения ПЭД. Следовательно, при выборе режима работы подземного оборудования необходимо учитывать изменение температуры электродвигателя как по его длине, так и по радиусу. Среднее значение температуры наружной поверхности стенки погружного электродвигателя УЭЦН в условиях стационарного теплового режима можно определить исходя из баланса теплоты
I, "С
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
а? .«Г
2700
\ 1 \ \\
\ \
^ \ \ ^ \ (фонтан )
\ \ \
/ 'у/ \
^ гп \ \ >ЦН)
\ - \ »
\ \
и закона Ньютона-Рихмана на границе электродвигатель - поток жидкости (нефти с газом):
1С=1Н+—+ (1) а-л-а-А а-л-а-А
где ^ , ^ - температуры соответственно стенки ПЭД и потока жидкости, 0С; Q -тепловой поток, выделяемый электродвигателем, Вт; т|эл -мощность (Вт) и эффективный КПД электродвигателя; а - коэффициент теплоотдачи от поверхности стенок электродвигателя к жидкости, Вт/(м2.К); X, d - длина и диаметр электродвигателя, м. Расчеты показывают, что местные значения температуры наружной поверхности увеличиваются от нижней к верхней лобовой поверхности ПЭД и максимальные значения наблюдаются в верхней части электродвигателя. Температуру внутри электродвигателя можно определить исходя из следующих рассуждений.
Если электродвигатель рассматривать как сплошной линейный цилиндрический источник теплоты, тогда можно считать, что при стационарном режиме работы распределение температуры t по горизонтали в бесконечно длинном цилиндре радиусом г0 подчиняется уравнению [1]:
(1)
Рис. 1. Распределение температуры добываемой нефти и окружающих горных пород по глубине скважины
где qv - объемная плотность внутренних источников теплоты, Вт/м3; X - коэффициент теплопроводности материала цилиндра, Вт/(м.К); 0«г«г0 - текущее значение радиуса, м.
\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
№ 4 \\ апрель \ 2010
Графически распределение температуры внутри цилиндра представлено на рис. 2.
Для нашего случая обычно известен линейный тепловой поток от электродвигателя:
на оси цилиндра г=0
2-я-г0-а
4-31 -X 4-31-Я,
(6)
(2)
где Q - количество теплоты, выделяемое источником в единицу времени, Вт. Поэтому для определения объемной плотности источника теплоты воспользуемся формулой:
Ч> =
Чх
(3)
С учетом (3) перепишем выражение для определения температуры в сечении цилиндра (1):
+ (4)
В соответствии с уравнением (4) получим выражения для определения температуры:
на поверхности цилиндра г=г0
Ях
^ = ^ +
Чи ; 2-я-г0-а'
(5)
+ (Ан.^).
2-зг а-г„ 2-Х
В последнем уравнении в скобках стоят два слагаемых, которые представляют собой линейные термические сопротивления передачи теплоты теплоотдачей от поверхности цилиндра (электродвигателя) к текучей среде и теплопроводностью в материале цилиндра. Чем больше коэффициент теплоотдачи и коэффициент теплопроводности, тем меньше отличаются между собой температура жидкости, наружной и внутренней поверхности цилиндра. Для примера рассмотрим вариант добычи G=75 м/сут нефти с помощью УЭЦН, расположенной на глубине 2300 м. С учетом значений кпд центробежного насоса т|цн«0,4 и электродвигателя ПЭД ■Пцн~0,7, потребляемая мощность электродвигателя составит величину порядка N^«81 кВт, что будет соответствовать линейному тепловому потоку от электродвигателя ^эл=2025 Вт/м. Значение коэффициента теплоотдачи от стенок электродвигателя для
Рис.1. Распределение температуры от источника теплоты в цилиндре к омывающей жидкости: температура на оси цилиндра.
вязкостно-гравитационной зоны ламинарного течения оценим величиной равной а=210 Вт/(м2.К) [1]. При температуре нефти [3] перед электродвигателем ^=73,5^ и средней изобарной теплоемкостью нефти ср=2000 Дж/(кг.К) после электродвигателя получаем температуру потока:
НАСОСЫ
tc=80,5+
2025
»104°C
поверхности к центру составляет примерно 100С, а относительно омываемой нефти -33,50С.
Второе слагаемое в уравнении (6) представляет собой перепад температур в пограничном слое между жидкостью и цилиндром,так как на стационарном режиме значение линейной плотности теплового потока будет постоянное:
2-я-г0-а
(7)
Рис. 3. Распределение температуры от источника теплоты в цилиндре, покрытом дополнительным слоем, к омывающей жидкости: 1с1 - температура на внешней поверхности дополнительного слоя
*нг = *„1 + Мзл^1"Т1эл) =73,5 +
| 81-103-(1-0,7)-Зб00-24^37 5оС 75-103-20 00 ' .
Средняя температура нефти, омывающей электродвигатель:
* ю*н1+1:н2=73,5+87,5 =80 5ос. 2 2
Средняя температура на поверхности электродвигателя (1):
Рассмотрим, как изменится температурное поле, если с наружной поверхности цилиндра появится дополнительный слой материала толщиной 8 с коэффициентом теплопроводности ^ (рис. 3). Это возможно в двух случаях: при использовании специального антикоррозионного покрытия или при отложении солей на поверхности ПЭД. При неизменном выделении теплоты от источника в уравнении распределения температуры появятся перепады температур между жидкостью и этим слоем:
tri'tili
Ц-,
2-7t-(r0+8)-a'
а также в самом слое Vt.^.m^).
¿•Я-А^ Г„
(8)
(9)
2-71-6,5-10"2-210
Средняя температура на оси электродвигателя (6):
1:„=80,5+—(-1-+ —)»1140С.
2-тг ^ 210-6,5-Ю"2 2-16'
Перепад температур в радиальном направлении по электродвигателю от
Если пренебречь изменением коэффициента теплоотдачи от внешней поверхности, то температура в цилиндре будет определяться как:
2-тг-(г0+8)-а 2-n-Xi г0
+ q>- (r0?-r2) 4-тг-г02-Г0 '
(10)
Как изменятся температуры внутри цилиндра, если на его поверхности будет
слой толщиной 8=2 мм загрязнений или отложений минеральных солей (накипь) с коэффициентом теплопроводности ^=0,3 Вт/(м.К) [1]?
Данные расчета температур по формуле (10) приведены в табл. 1. Перегрев электродвигателя относительно температуры нефти составляет 55,50С на внешней поверхности и 65,50С в центре.
Если в качестве привода для рассматриваемого случая использовать вентильный электродвигатель ВД64-117В5 с т(элвен«0,92, то номинальная мощность составит примерно Мэлвен«64 кВт. Соответственно уменьшатся потери теплоты до 0элвен«5 кВт и линейный тепловой поток от электродвигателя ^лвен«1,25 кВт/м. Сохраняя условия омывания электродвигателя, получаем температуру нефти после электродвигателя ^2=76,4°С и среднюю температуру нефти у электродвигателя ^=75,00С. Данные расчета температур без загрязнений и при их наличии представлены в табл. 1.
Перепад температур в радиальном направлении по электродвигателю без загрязнений составляет 60С, а относительно омываемой нефти - 220С. При образовании загрязнений перегрев вентильного двигателя относительно нефти увеличивается до 380С на внешней поверхности и 440С в центре. Представленные расчеты еще раз подтвердили существенное преимущество использования вентильных электродвигателей для привода центробежных насосов [2] (особенно в условиях откачки высокотемпературных пластовых флюидов и при возможности интенсивного солеотложения).
Таблица 1. Температура на поверхности и в центре электродвигателя
№№ ПП СРЕДНЯЯ ТЕМПЕРАТУРА, оС БЕЗ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ЗАГРЯЗНЕНИЯМИ
пэд вд пэд вд
1 На поверхности загрязнений - - 103 91
2 На поверхности электродвигателя 104 91 136 113
3 На оси электродвигателя 114 97 146 119
Литература:
1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия, 1981. - 417 с.
2. Камалетдинов Р. С. Повышение эффективности работы скважинных насосов путем применения вентильных погружных электродвигателей. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. М. 2007. -144 с.
3. Купцов С.М. Теплофизические свойства пластовых жидкостей и горных пород нефтяных месторождений. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008. - 205 с.
ТЕрМЯ
Санкт-Петербург
www.terma-spb.ru
15 лет стабильной работы
на рынке производства изоляционных материалов
ТЕРМОУСАЖИВАЕМЫЕ АНТИКОРРОЗИОННЫЕ
ИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Адрес 192029, Россия
СПб, ул. Дудко д.З Email [email protected] Website www.terma-spb.ru
лефоны: +7(812)740-37-39 + 7(812) 600-18-20 + 7(812) 600-18-46 Факс +7(812)740-37-38
ИЗОЛЯЦИЯ ДЛЯ ЛИНЕЙНОЙ НАСТИ ТРУБОПРОВОДОВ
■ ТЕРМА-40, ТЕРМА-60—двухслойная лента с полимерным адгезионным слоем для нанесения 2-х слойной полимерной изоляции или 3-х слойной эпоксидно-полимерной изоляции.
■ ТЕРМА-Л — защитная однослойная лента-обертка без адгезионного слоя, предназначена для использования в комплексных битумно-полимерных покрытиях, наносимых горячим способом в трассовых условиях.
• ТЕРМА-МХ — защитная двухслойная лента-обертка с самоклеящимся битумно-полимерным адгезионным слоем, предназначена для использования в комплексных битумно-полимерных покрытиях, наносимых холодным способом в трассовых условиях.
ИЗОЛЯЦИЯ ДЛЯ СВАРНЫХ СТЫКОВ ТРУБ И ОТВОДОВ
• ТЕРМА-СТМП — манжета для изоляции сварных стыков труб с 3-х спойным заводским полимерным покрытием диаметром до 1720 мм.
• ТЕРМА-СТ — лента для изоляции сварных стыков труб и отводов с 2-х спойным заводским полиэтиленовым покрытием. Для образования 3-х слойного покрытия может поставляться в комплекте с эпоксидным праймером.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕМОНТА ИЗОЛЯЦИИ
• ТЕРМА-РЗ, ТЕРМА-Р — комплект материалов для ремонта мест повреждения заводского полиэтиленового покрытия труб, а также покрытия на основе термоусаживающихся лент. Состоит из термоплавкого ремонтного заполнителя и армированной ленты-заплатки.
ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ ДЛЯ ТЕПЛОПРОВОДОВ
АДГЕЗИВЫ ДЛЯ ТРУБНЫХ ЗАВОДОВ
