дипломная работа тэнгс сд. Кафедра теоретической и прикладной механики бакалаврская работа тема работы Расчет установок электроприводных центробежных насосов (уэцн) для добычи нефти
 Скачать 2.33 Mb.
|
|
1.3. Область применения установок электропогружных центробежных насосов Эксплуатация нефтяных скважинных установок электропогружных центробежных насосов (УЭЦН) широко распространена на нефтяных промыслах Российской Федерации, и, особенно, в Западной Сибири. В этом регионе более 90 % всей добываемой нефти поднимается на поверхность земли с помощью УЭЦН. Особенно широко используются центробежные насосы при интенсификации добычи нефти. Установки ЭЦН выпускают для эксплуатации высокодебитных, обводненных, глубоких и наклонных скважин с дебитом 20-1000 м 3 /сут и высотой подъема жидкости 500-2000 мВ области больших подач (свыше 80 м 3 /сут) УЭЦН имеют самый высокий КПД среди всех механизированных способов добычи нефти. В интервале подач от 50 до 300 м 3 /сут КПД УЭЦН превышает 40 %, нов области небольших подач КПД УЭЦН резко падает. Также установки ЭЦН меньше подвержены влиянию кривизны ствола скважины. Влияние кривизны ствола скважины у ЭЦН сказывается в основном при спускоподъемных операциях из-за опасности повреждения кабеля и не связано (до определенной величины угла наклона скважины и темпа набора кривизны, как у Штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ), с самим процессом эксплуатации. Однако ЭЦН плохо работают в условиях 18 коррозионно-агрессивной среды, при выносе песка, в условиях высокой температуры и высокого газового фактора. При использовании установок ЭЦН возможно применение эффективных средств уменьшения отложений парафина в подъемных трубах. Применяются защитные покрытия насосно-компрессорных труб (НКТ), системы автоматической подачи специальных химических реагентов в скважину и автоматизированные установки со скребками, спускаемыми на проволоке. Монтаж наземного оборудования УЭЦН прост, так как станция управления и трансформатор не нуждаются в устройстве фундаментов. Эти два узла установки ЭЦН размещают обычно в легких будках или в шкафах. Межремонтный срок работы установок ЭЦН составляет по Западной Сибири в среднем около года. Применение новых конструктивных разработок, а также усовершенствование способов диагностики, обслуживания и ремонта позволит в ближайшие годы увеличить межремонтные сроки в 1,5-2 раза. Установки электропогружных центробежных насосов содержат скважинный насос и скважинный привод насоса, непосредственно соединенные между собой. Энергия к приводу насоса подводится по кабелю. Благодаря отсутствию длинной механической связи между приводом и насосом, УЭЦН имеют значительно большую мощность, чем штанговые. Это дает возможность поддерживать большие отборы жидкости. В Российской Федерации установками ЭЦН оснащено более 35 % всех нефтяных скважин и добывается более 65 % всей нефти. Промышленные образцы центробежных насосов с электроприводом были разработаны в Советском Союзе особым конструкторским бюро по бесштанговым насосам (ОКБ БН). В настоящее время многие российские фирмы продолжают работы по созданию бесштанговых насосов новых типов и типоразмеров и следят за рациональным применением разработанных конструкций 19 В последние годы нефтяная промышленность получает большое количество новых видов УЭЦН, для изготовления которых чаще применяются высококачественные материалы и высокие технологии, которые ранее использовались лишь в аэрокосмических отраслях. Схема установки ЭЦН Установка ЭЦН является сложной технической системой и, несмотря на широко известный принцип действия центробежного насоса, представляет собой совокупность оригинальных по конструкции элементов. Принципиальная схема УЭЦН показана на рисунке 1. Рисунок 1- Принципиальная схема УЭЦН: автотрансформатор, станция управления, кабельный барабан, 4- оборудование устья скважины, колонна НКТ, кабель, специальные зажимы, 8-ЭЦН, 20 приемная сетка, обратный клапан, сливной клапан, протектор, 13-погружной электродвигатель, 14-компенсатор. Установка состоит из двух частей наземной и погружной. Наземная часть включает автотрансформатор 1; станцию управления 2; иногда кабельный барабан 3 и оборудование устья скважины 4. Погружная часть включает колонну НКТ 5, на которой погружной агрегат спускается в скважину бронированный трехжильный электрический кабель 6, по которому подается питающее напряжение погружному электродвигателю и который крепится к колонне НКТ специальными зажимами 7. Погружной агрегат состоит из многоступенчатого центробежного насоса 8, оборудованного приемной сеткой 9 и обратным клапаном 10. В комплект погружной установки входит сливной клапан 11, через который сливается жидкость из НКТ при подъеме установки. В нижней части насос сочленен с узлом гидрозащиты (протектором) 12, который, в свою очередь, сочленен с погружным электродвигателем 13. В нижней части электродвигатель 13 имеет компенсатор Жидкость поступает в насос через сетку, расположенную в его нижней части. Сетка обеспечивает фильтрацию пластовой жидкости. Насос подает жидкость из скважины в НКТ.[2] Установки ЭЦН в России разработаны для скважин с обсадными колоннами диаметром 127, 140, 146 и 168 мм. Для обсадных колонн размера 146 и 168 мм имеются погружные агрегаты двух габаритов. Предназначенных для скважин с наименьшим внутренним диаметром (по ГОСТу) обсадной колонны. В этом случае и агрегат ЭЦН имеет меньший диаметра, следовательно, и меньшие предельные величины рабочей характеристики (напор, подача, КПД. [3] 21 1.5. Основные узлы установки ЭЦН, их назначение и характеристика Скважинные центробежные насосы Скважинные центробежные насосы являются многоступенчатыми машинами (Рис. 2). Это обусловлено в первую очередь малыми значениями напора, создаваемым одной ступенью (рабочим колесом и направляющим аппаратом. В свою очередь небольшие значения напора одной ступени (от 3 дом водяного столба) определяются малыми величинами внешнего диаметра рабочего колеса, ограниченного внутренним диаметром обсадной колонны и размерами применяемого скважинного оборудования - кабеля, погружного двигателя и т.д. Ступени размещаются в расточке цилиндрического корпуса каждой секции. Водной секции насоса может размещаться от 39 до 200 ступеней в зависимости от их монтажной высоты. Максимальное количество ступеней в насосах достигает 550 штук. Рисунок 2- Схема скважинного центробежного насоса - кольцо с сегментами 2, 3- гладкие шайбы 4, 5- шайбы амортизаторы 6 - верхняя опора 7 - нижняя опора 8 - пружинное кольцо опоры вала 9 - дистанционная втулка 10 - основание 11 - шлицевая муфта 22 Конструкция скважинного центробежного насоса может быть обычной и износостойкой, а также повышенной коррозионной стойкости. Диаметры и состав узлов насосав основном одинаковы для всех исполнений насоса. Скважинный центробежный насос обычного исполнения предназначен для отбора из скважины жидкости с содержанием воды до 99%. Механических примесей в откачиваемой жидкости должно быть не более 0,01 массовых % или 0,1 гл, при этом твердость механических примесей не должна превышать 5 баллов по Моосу; сероводорода — не более По требованиям технических условий заводов-изготовителей, содержание свободного газа на приеме насоса не должно превышать 25%. Центробежный насос коррозионностойкого исполнения предназначен для работы при содержании в откачиваемой пластовой жидкости сероводорода до 0,125% (до 1,25 гл. Износостойкое исполнение позволяет откачивать жидкость с содержанием механических примесей до 0,5 гл. Диаметры эксплуатационных колонн в обозначении группы ЭЦН соответствуют – обсадная колонна диаметром 127 мм с внутренним диаметром 112 мм – обсадная колонна диаметром 140 мм с внутренним диаметром 121,7 мм; 5А – обсадная колонна диаметром 146 мм с внутренним диаметром 130 мм и А – обсадная колонна диаметром 144,3 мм и 148,3 мм соответственно. В соответствии с группами ЭЦН диаметры корпусов насосов составляют 86 мм, 92 мм, 103 мм, 114 мм и 137 мм. Внутренний диаметр корпусов насосов соответственно равен 74 мм, 80 мм, 90 мм, 100 мм и 120 мм. Пример: ЭЦН-6-160-850 – электроцентробежный насос для обсадной колонны 6 дюймов (диаметром 143,3 мм, подачей – 160 м 3 /сут, напором – 850 м вод. ст. (Q= 1000 кг/м 3 ). [4] 23 Модульные ЭЦН Для создания высоконапорных скважинных центробежных насосов в насосе приходится устанавливать множество ступеней (до 550). При этом они не могут разместиться водном корпусе, поскольку длина такого насосам) затрудняет транспортировку, монтаж на скважине и изготовление корпуса. Высоконапорные насосы составляются из нескольких секций. Длина корпуса в каждой секции не болеем. Корпусные детали отдельных секций соединяются фланцами с болтами или шпильками, а валы шлицевыми муфтами. Каждая секция насоса имеет верхнюю осевую опору вала, вал, радиальные опоры вала, ступени. Приемную сетку имеет только нижняя секция. Ловильную головку — только верхняя секция насоса. Секции высоконапорных насосов могут иметь длину меньшую, чем 6 м (обычно длина корпуса насоса составляет 3,4 им, в зависимости от числа ступеней, которые надо в них разместить. Насос состоит из входного модуля (рисунок 3) модуля секции (модулей-секций) (рисунок 4), модуля головки (рисунок 5), обратного и спускного клапанов.[5] Рисунок 3 - Входной модуль насоса: 1-основание; вал втулка подшипника сетка защитная втулка 6-шлицевая муфта;7-шпилька 24 Рисунок - 4 Модули - секции насоса ЭЦН: 1-модуль-головка; 2-модуль-секция; входной модуль Рисунок - 5 Модуль-головка насоса: 1-Кольцо уплотнительное ребро корпус. Элементы электрооборудования установки Погружной электродвигатель (ПЭД) питается электроэнергией по трехжильному кабелю, спускаемому в скважину параллельно с НКТ. Кабель крепится к внешней поверхности НКТ металлическими поясками по два на каждую трубу. Кабель работает в тяжелых условиях. Верхняя его часть находится в газовой среде, иногда под значительным давлением, нижняя - в нефти и подвергается еще большему давлению. При спуске и подъеме насоса, особенно в искривленных скважинах, кабель подвергается сильным механическим воздействиям (прижимы, трение, заклинивание между колонной и НКТ и т. д. По кабелю передается электроэнергия при высоких напряжениях. Использование высоковольтных двигателей позволяет уменьшить токи, следовательно, диаметр кабеля. Однако кабель для питания высоковольтного ПЭДа должен обладать и более надежной, а иногда 25 и более толстой изоляцией. Все кабели, применяемые для УПЦЭН, сверху покрыты эластичной стальной оцинкованной лентой для защиты от механических повреждений. Необходимость размещения кабеля по наружной поверхности ПЦЭН уменьшает габариты последнего. Поэтому вдоль насоса укладывается плоский кабель, имеющий толщину примерно в 2 раза меньше, чем диаметр круглого, при одинаковых сечениях токопроводящих жил. Все кабели, применяемые для УПЦЭН, делятся на круглые и плоские. Круглые кабели имеют резиновую (нефтестойкая резина) или полиэтиленовую изоляцию, что отображено в шифре КРБК означает кабель резиновый бронированный круглый или КРБП - кабель резиновый бронированный плоский. При использовании полиэтиленовой изоляции в шифре вместо буквы Р пишется П КПБК - для круглого кабеля и КПБП - для плоского. Круглый кабель крепится к НКТ, а плоский - только к нижним трубам колонны НКТ и к насосу. Рисунок - 6 Кабель 26 а — круглый б — плоский 1 — жила 2 — изоляция 3 — оболочка 4 — подушка 5 — броня. Переход от круглого кабеля к плоскому сращивается методом горячей вулканизации в специальных пресс-формах и при недоброкачественном выполнении такой сростки может служить источником нарушения изоляции и отказов. В последнее время переходят только к плоским кабелям, идущим от ПЭДа вдоль колонны НКТ до станции управления. Кабели с полиэтиленовой изоляцией на 26 - 35 % легче кабелей с резиновой изоляцией. Кабели с резиновой изоляцией предназначены для использования при номинальном напряжении электрического тока не более 1100 В, при температурах окружающей среды до 90 Си давлении до 1 МПа. Кабели с полиэтиленовой изоляцией могут работать при напряжении до 2300 В, температуре до 120 Си давлении до 2 МПа. Эти кабели обладают большей устойчивостью против воздействия газа и высокого давления. Все кабели имеют броню из волнистой оцинкованной стальной ленты, что придает им нужную прочность.[6] Характеристика кабелей, применяемых для УЭЦН Кабели обладают активными реактивным сопротивлением. Активное сопротивление зависит отсечения кабеля и частично от температуры. Для сечение 16; 25; 35 мм активное сопротивление 1,32; 0,84; 0,6 Ом/км. Реактивное сопротивление зависит от сои при его значении 0,86 - 0,9 (как это имеет место у ПЭДов) составляет примерно 0,1 Ом/км. В кабеле происходит потеря электрической мощности, обычно от 3 до 15 % общих потерь в установке. Потеря мощности связана с потерей напряжения в кабеле. Эти потери напряжения, зависящие оттока, температуры кабеля, его сечения и пр, вычисляются по обычным формулам электротехники. Они составляют примерно от 25 до 125 В/км. Поэтому на 27 устье скважины напряжение, подаваемое к кабелю, всегда должно быть выше на величину потерь по сравнению с номинальным напряжением ПЭДа. Возможности такого повышения напряжения предусмотрены в автотрансформаторах или трансформаторах, имеющих для этой цели в обмотках несколько дополнительных отводов. Первичные обмотки трехфазных трансформаторов и автотрансформаторов всегда рассчитаны на напряжение промысловой электросети, те. на 380 В, к которой они и подсоединяются через станции управления. Вторичные обмотки рассчитаны на рабочее напряжение соответствующего двигателя, с которым они связаны кабелем. Эти рабочие напряжения в различных ПЭДах изменяются от В (ПЭД10-103) до 2000 В (ПЭД65-117; ПЭД125-138). Для компенсации падения напряжения в кабеле от вторичной обмотки делается 6 отводов (водном типе трансформатора 8 отводов, позволяющих регулировать напряжение на концах вторичной обмотки с помощью перестановки перемычек. Перестановка перемычки на одну ступень повышает напряжение на 30 - 60 В в зависимости от типа трансформатора. Все трансформаторы и автотрансформаторы немаслозаполненные с воздушным охлаждением, закрыты металлическим кожухом и предназначены для установки в укрытом месте. Они комплектуются с подземной установкой, поэтому их параметры соответствуют данному ПЭДу. В последнее время трансформаторы находят более широкое распространение, так как это позволяет непрерывно контролировать сопротивление вторичной обмотки трансформатора, кабеля и статорной обмотки ПЭДа. Приуменьшении сопротивления изоляции до установленной величины (30 кОм) установка автоматически отключается. При автотрансформаторах, имеющих прямую электрическую связь между первичной и вторичной обмотками, такого контроля изоляции 28 осуществлять нельзя. Трансформаторы и автотрансформаторы имеют КПД около 98 - 98,5 %. Масса их в зависимости от мощности колеблется от 280 до 1240 кг, габариты от 1060 х 420 х 800 дох х 1200 мм. Работа УПЦЭН управляется станцией управления ПГХ5071 или ПГХ5072. Причем станция управления ПГХ5071 применяется при автотрансформаторном питании ПЭДа, а ПГХ5072 - при трансформаторном. Станции ПГХ5071 обеспечивают мгновенное отключение установки при замыкании токоведущих элементов на землю. Обе станции управления обеспечивают следующие возможности контроля и управления работой УПЦЭН: 1. Ручное и автоматическое (дистанционное) включение и отключение установки. Автоматическое включение установки в режиме самозапуска после восстановления подачи напряжения в промысловой сети. Автоматическую работу установки на периодическом режиме откачка, накопление) по установленной программе с суммарным временем 24 ч. Автоматическое включение и отключение установки в зависимости от давления в выкидном коллекторе при автоматизированных системах группового сбора нефти и газа. Мгновенное отключение установки при коротких замыканиях и при перегрузках по силе тока на 40%, превышающих нормальный рабочий ток. Кратковременное отключение на время до 20 секунд при перегрузках ПЭДа на 20 % от номинала. Кратковременное 20 секунд отключение при срыве подачи жидкости в насос 29 Двери шкафа станции управления имеют механическую блокировку с блоком рубильников. Имеется тенденция к переходу на бесконтактные, герметически закрытые станции управления с полупроводниковыми элементами, которые, как показал опыт их эксплуатации, более надежны, не подвержены воздействию пыли, влаги и осадков. Станции управления предназначены для установки в помещениях сарайного типа или под навесом (в южных районах) при температуре окружающей среды от - 35 до +40 С. Масса станции около 160 кг. Габариты 1300 x 850 x 400 мм. В комплект поставки УПЦЭН входит барабан с кабелем, длина которого определяется заказчиком. Во время эксплуатации скважины по технологическим причинам глубину подвески насоса приходится изменять. Чтобы не рубить и не наращивать кабель при таких изменениях подвески, длина кабеля берется по максимальной глубине подвески данного насоса и при меньших глубинах его излишек оставляется на барабане. Этот же барабан используется для намотки кабеля при подъеме ПЦЭН из скважин. При постоянстве глубины подвески и стабильных условиях работы насоса конец кабеля заправляется в соединительную коробку, и необходимость в барабане отпадает. В таких случаях при ремонтах используют специальный барабан на транспортной тележке или на металлических санях с механическим приводом для постоянного и равномерного подтягивания извлекаемого из скважины кабеля и намотки его на барабан. При спуске насоса с такого барабана равномерно подается кабель. Барабан приводится в движение электроприводом с реверсом и фрикционом для предупреждения опасных натяжений. На нефтедобывающих предприятиях с большим числом УЭЦН используют специальный транспортировочный агрегат АТЭ-6 на базе грузового вездехода КаАЗ-255Б для перевозки кабельного барабана и другого электрооборудования, в том числе трансформатора, насоса, двигателя и узла гидрозащиты. 30 Для погрузки и разгрузки барабана агрегат снабжен откидными направлениями для накатывания барабана на платформу и лебедкой с тяговым усилием на канате 70 кН. На платформе имеется также гидрокран грузоподъемностью 7,5 кН при вылете стрелы 2,5 м. Кабель спущенного насосного агрегата пропускают через сальниковые уплотнения устья и герметизируют в нем с помощью специального разъемного герметизирующего фланца в устьевой крестовине. [6] 31 |