расчет и проектирование многоступенчатого лопастного насоса. КП лопастного насоса. Расчет и конструирование многоступенчатого лопастного насоса внн525 с учетом условий перекачки газожидкостных смесей
 Скачать 1.92 Mb.
|
Разработка принципиальной схемы изделияПринципиальная схема скважинной установки электроприводного центробежного насоса представлена на рисунке 2.1.  Рисунок 2.1 Принципиальная схема УЭЦН. 1 - автотрансформатор; 2 - станция управления; 3 - кабельный барабан; 4 - оборудование устья скважины; 5 - колонна НКТ; 6 — бронированный электрический кабель; 7 - зажимы для кабеля; 8 - погружной многоступенчатый центробежный насос; 9 - приемная сетка насоса; 10 - обратный клапан; 11 -сливной клапан; 12 -узел гидрозащиты (протектор); 13 - погружной электродвигатель; 14 – компенсатор Описание конструкции изделия и принципа работыУстановка 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 14. Жидкость поступает в насос через сетку, расположенную в его нижней части. Сетка обеспечивает фильтрацию пластовой жидкости. Насос подает жидкость из скважины в НКТ. Расчетная схемаДля моделирования работы системы насос – скважина и для дальнейшего проектирования была разработана расчетная схема рисунок 4.1.  Рисунок 4.1 – Расчетная схема скважинной насосной установки На расчетной схеме (рисунок 4.1) P1 – пластовое давление, Р3 – давление на приеме насоса, Р4 – давление на выходе из насоса, P5 – буферное давление, Р6 – устьевое давление, Н1 – глубина продуктивного пласта, H2 – глубина подвески насоса, Hдин – динамический уровень в скважине. Расчетные параметры связаны следующими соотношениями: Давление на забое:
Давление на входе в насос:
Давление на выходе из насоса:
Давление насоса:
Расчеты, подтверждающие работоспособность разрабатываемого изделияРасчет системы «Насос – скважина» Для выполнения курсового проекта, бала использована расчетная программа, подготовленная в ходе семинарских занятий по дисциплине «Расчеты и конструирование машин и оборудования для добычи и подготовки нефти и газа». По индивидуальному варианту задания, для моделирования работы системы был дан центробежный насос ВНН 5-25 с количеством ступеней 195 шт. Содержание газа в скважинном флюиде 25%. Характеристика его ступени представлена на рисунке 5.1.1 и в таблице 5.1.1 [5].  Рисунок 5.1.1 – Характеристика ступени ВНН 5-25 на воде плотностью 1000 кг/м3 при 2910 об/мин. Таблица 5.1.1 – характеристика ступени ВНН 5-25 на воде плотностью 1000 кг/м3 при 2910 об/мин.  По напору насоса подбирались возможные параметры скважины (глубина зоны перфорации и глубина подвести насоса). Исходные данные заносились в файл Exel на лист лист «Расчет по скважине». Исходные данные представлены в таблице 5.1.2. Таблица 5.1.2 – Исходные данные  Забойное давление, давление на входе из насоса, на выходе в насос и давление насоса рассчитываются по формулам 4.1 – 4.4 соответственно и вносятся в таблицу 5.1.2. По рассчитанным показателям строится график характеристики скважины в координатах «давление насоса (дебит)» (рисунок 5.1.2)  Рисунок 5.1.2 – Характеристика скважины Таблица с характеристикой ступени насоса ВНН 5-25 вносится в тот же файл на лист «Коэффициенты». (таблица 5.1.3). Таблица 5.1.3 – Характеристика ступени ВНН 5-25 при 2910 об/мин.  Желтый цвет показывает рабочую область характеристики по каталогу, красный – оптимальный режим. Пересчет напора и давления насоса на 195 ступеней:
Перепад давления насоса:
Результаты расчета приведены в таблице 5.1.4 Таблица 5.1.4 – Характеристика ВНН 5-25 на 195 ступеней  По результатам расчета был построен график зависимости давления насоса от подачи, проведена полинома 3 степени, а также приведена каталожная кривая (рисунок 5.1.3).  Рисунок 5.1.3 – Характеристики ступени насоса ВНН 5-25. Аппроксимированную кривую можно получить, решая уравнение эллипса [5]:
где (Q1; H1), (Q2; H2) – известные координаты точек характеристики на границах рабочей зоны. Следовательно:
В таблице 5.1.5 представлены координаты точек характеристики на границах рабочей зоны. Таблица 5.1.5 – Координаты точек пересечения характеристики с границей рабочей зоны насоса  В результате расчета по формулам 5.1.4 и 5.1.5 были найдены максимальные значения напора и подачи ступени насоса (таблица 5.1.6) Таблица 5.1.6 – Координаты максимальных значений параметров насоса  Из уравнения эллипса 5.1.3 строим аппроксимированную характеристику насоса (рисунок 5.1.3) Совместив характеристики насоса и скважины на графике (рисунок 5.1.4), можно определить их точку пересечения (таблица 5.1.7)  Рисунок 5.1.4 – Характеристика насоса и скважины Таблица 5.1.7 – Координаты рабочей точки  Для определения точки пересечения характеристик насоса и скважины необходимо решить систему двух уравнений (таблица 5.1.8). Таблица 5.1.8 – Определение координат точки пересечения системы  Характеристика насоса построена при частоте вращения 2910 об/мин. Для того, чтобы программа Excel могла автоматически перестраивать характеристику насоса при изменении частоты вращения, необходимо добавить формулы 5.1.7 – 5.1.9.
где Qn2 – подача насоса при частоте вращения n2, Hn2 – напор насоса при частоте вращения n2, Nn2 – мощность насоса при частоте вращения n2; n2 – изменяемая частота вращения насоса. Примем новую частоту вращения 3100 об/мин и покажем напорную характеристику на графике рисунок 5.1.8. В таком случае координаты рабочей точки изменятся, табл. 5.1.9:  Рисунок 5.1.8 – Характеристики центробежного насоса и скважины при частотах вращения 2910 и 3100 об/мин Таблица 5.1.9 – Координаты рабочей точки при частоте вращения n2=3100 об/мин  Для определения рабочей точки по заданному дебиту, нужно ввести его значение на Листе «Расчет по скважине». Программа вычислит требуемое давление насоса, а затем пересчитает и построит его характеристику по формулам 5.1.10 – 5.1.13. Коэффициенты a и b для нового уравнения эллипса определяются по формулам подобия (5.1.10. 5.1.11):
Где  - отношение частоты вращения по каталогу (2820 об/мин) к такой частоте, при которой напорная характеристика насоса пройдет через заданную точку.
Значение давления в уравнении эллипса вычисляется по формуле 5.1.13.
Где к – тангенс угла наклона прямой, вычисляется в ячейке Х5 на листе «расчет по скважине», а  – значение давления при Q = 0.Так, например, при дебите скважины Q = 25 м3/сут, требуемое давление насоса будет равно 6,49 МПа, таблица 5.1.10. Таблица 5.1.10 – Координаты рабочей точки при заданном дебите скважины  Определение коэффициентов квадрантного уравнения и вычисление приведены в таблицах 5.1.11, 5.1.12. Таблица 5.1.11 – Расчет значения  Таблица 5.1.12 – Расчет коэффициентов квадратного уравнения  Пересчет характеристику на требуемую частоту и определение необходимого количества ступеней представлены в таблице 5.1.13.   Рисунок 5.1.9 – Характеристика при n* и расчетная характеристика ВНН 5-25 Влияние газа на приеме насоса  Рисунок 5.2.1 – Расчетная схема многофазного многоступенчатого насоса [6] P01 – абсолютное давление на входе в насос; β – газосодержание на входе в насос; Pz – абсолютное давление на выходе из насоса; z – количество ступеней в насосе; Qг – подача насоса по газу; Qж – подача насоса по жидкости; Нz – напор, создаваемый ступенью z; ρz – плотность газожидкостной смеси на выходе из ступени z. Насос 1 (рисунок 5.2.1) содержит Z ступеней. Регулируемый двигатель 2 обеспечивает заданную скорость вращения вала насоса. Дроссель 3 исполняет роль регулируемого гидравлического сопротивления. При регулировании режима работы на входе насоса поддерживают постоянное начальное давление Рн=Р1. Измеряют обычно несколько серий значений входного газосодержания β. Причем, для каждой соблюдается постоянство площади сечения канала в дросселе на выходе насоса, f4=idem. Воздух подается на вход насоса Qг, при этом входное газосодержание β изменяют от 0 до предельного значения, со срывом перекачки. При подаче газа в первой ступени создают искусственную кавитацию с вентилируемой каверной, и при увеличении расхода газа первая ступень перестает создавать напор, а переходный процесс (скачок давления) происходит уже во второй ступени [6]. Таким образом, с увеличением расход газа Qг скачок давления смещается по длине многоступенчатого насоса – от входа к выходу, а в насосе, помимо одной точки с газосодержанием β (в первой ступени), появляется еще одна с таким же газосодержанием β (в ступени Zi). Ступени от 1 до Zi не создают напор из-за искусственной кавитации. Ступени от Zi до Z создают напор. Как известно, при кавитации вертикальный участок напорной характеристики одноступенчатого центробежного насоса разрывается, когда при снижении напор принимает определенное критическое значение, после чего скачкообразно становится нулевым. Таким образом, суммирование напоров отдельных ступеней в многоступенчатом насосе неприменимо для режимов с кавитацией [6]. Ступени от 1 до Zi не создают напор из-за кавитации. Ступени от Zi до Z создают напор. После ступени Zi происходит увеличение давление на выходе из каждой ступени, следовательно, подача по газу Qг уменьшается (по формуле 5.2.1), поэтому изменяется газосодержание в каждой ступени (по формуле 5.2.2), а также изменяется плотность газожидкостной смеси (по формуле 5.2.3) [6].
Исходными данными для решения задачи по кавитации насосных ступеней являются значения, представленные в таблице 5.2.1 Таблица 5.2.1 – исходные данные  Решение задачи представлено в файле Excel. Таблица 5.2.1 представлена в нем на листе «Расчет по ступеням». Значения ячеек исходных данных: плотность, давление на входе, давление н выходе, подача, газосодержание и количество ступеней заполняются из первого файла Excel. На семинарских занятиях разработана математическая модель многоступенчатого насоса, предназначенного для перекачки газожидкостных смесей [7 – 10]. С учетом изотермического сжатия газа в каналах насоса, определяют параметры газа для каждой насосной ступени: Расход газа на 1-ой ступени:
Подача жидкости:
Далее необходимо рассчитать последнюю ступень центробежного насоса. Рассчитаем расход газа на последней ступени:
Газосодержащие на выходе из насоса:
Объемная подача на выходе из насоса:
Плотность газожидкостной смеси на выходе:
Результаты расчета по формулам 5.2.4-5.2.9 приведены в таблице 5.2.2. Таблица 5.2.2 – Результаты расчета  Далее необходимо найти напор, создаваемый одной ступенью Z при подаче Qz. Для этого можно воспользоваться уравнением эллипса для построения характеристики насоса в рабочей зоне. Из каталога на насос ВНН 5-25 определяем координаты точек характеристики рабочей зоны (табл. 5.2.3). Таблица 5.2.3 – Координаты точек характеристики рабочей зоны  В рабочей зоне характеристика насоса может быть записана при помощи уравнения эллипса. Построение и расчет крайних точек представлены в п. 5.1 по формулам 5.1.3 – 5.1.6. Результаты внесены в таблицу 5.2.4. Таблица 5.2.4 – Расчетные параметры стпени  Далее необходимо произвести расчет предпоследней ступени, так как он позволит рассчитать остальные ступени. В качестве исходных данных принимаются значения из таблицы 5.2.1. и значения, полученные в ходе расчета последней ступени насоса (формулы 5.2.6 – 5.2.9). Давление на выходе из предпоследней ступени:
Подача газа на выходе из предпоследней ступени:
Газосодержание на выходе из предпоследней ступени:
Объемная подача на выходе из предпоследней ступени:
Напор, создаваемый предпоследней ступенью:
Плотность газожидкостной смеси на выходи из предпоследней ступени:
С помощью программы Excel и имеющихся формул, производим расчет для всех ступеней. Результаты расчетов приведены в файле на листе «Расчет по ступеням». Расчет газосодержания на всех ступенях позволил построить график зависимости газосодержания от порядкового номера ступени, изображенный на рисунке 5.2.2. Исходя из графика, можно сделать вывод, что доля газосодержания снижается по мере увеличения порядкового номера ступени, что благоприятно влияет на работу насоса.  Рисунок 5.2.2 – Изменение газосодержания по длине насоса при n=2910 Аналогично состроим график зависимости давления на выходе из ступени насоса от порядкового номера ступени (рисунок 5.2.3). Исходя из графика, можно сделать вывод, что давление на выходе из ступени увеличивается с повышением порядкового номера ступени.  Рисунок 5.2.3 – Изменение давления по длине насоса при n=2910 Смоделируем условие, когда часть ступеней не создают напор. Изменим давление на входе в насос P01 (с 16,171 МПа до 18 МПа). Произведя расчет по формулам 5.2.1 – 5.2.12 получим графики распределения газосодержания по длине насоса (5.2.4) и изменение давления по длине насоса (5.2.5)  Рисунок – 5.2.4. Распределение газосодержания по длине многоступенчатого насоса.  Рисунок. 5.2.5. Изменение давления по длине многоступенчатого насоса Решая оптимизационную задачу, необходимо стремиться к равномерному распределению нагрузки между всеми насосными ступенями и избегать режима роботы насосной ступени с нулевым напором. Одним из примеров оптимизации расчетов является снижение частоты вращения вала двигателя. Результаты расчета показали, что при каталожной частоте 2910 об/мин из 195 ступеней 50 не создают напора из-за кавитации в рабочей камере каждой из ступени. При снижении частоты ротора до 2010 об/мин исключается кавитация в насосных ступенях, и каждая насосная ступень работает в расчетном режиме, обеспечивая повышение давления (рисунок 5.2.6).  Рисунок 5.2.6 – Распределение давления по длине многоступенчатого насоса при скорости вращения ротора – 2910 и 2010 об/мин. Еще одним из примеров оптимизации расчетов является дросселирование потока на выходе из насоса, то есть увеличение давления на выходе Pz. Результаты расчета показали, что при давлении 22,658 МПа из 195 ступеней 50 не создают напор из-за кавитации в рабочей камере каждой ступени. При увеличении давлении на выходе из насоса с 22,658 МПа до 24,3 МПа исключается кавитация в насосных ступенях, и каждая насосная ступень работает в расчетном режиме, обеспечивая повышение давления (рисунок 5.2.7).  Рисунок 5.2.7 – Распределение давления по длине при – 22,658 МПа и 24,3 МПа. Частотная регулировка Если в процессе эксплуатации скважины не прибегать к использованию системы ППД, то со временем начнут снижаться такие показатели как пластовое давление и коэффициент продуктивности. В следствии этого снизится подача и давление, создаваемые насосом. В целях сохранения объемов добычи необходимо применять частотное регулирование вращения вала насоса в зависимости от изменения вышеуказанных параметров. Исходные данные для расчета приведены в таблице 5.3.1. Таблица 5.3.1 – Исходные данные
В данной работе дополнительными исходными данными является зависимости пластового давления и коэффициента продуктивности от времени (таблица 5.3.2). Таблица 5.3.2 – Зависимости пластового давления и коэффициента продуктивности от времени.  В таблице 5.3.3 вводятся проценты снижения пластового давления и коэффициента продуктивности, а также требуемый дебит. Требуемый дебит заносится автоматически ля максимального Кпрод, но по желанию может быть выбрано другое значение, например, Qопт. Таблица 5.3.3 – Проценты снижения пластового давления и коэффициента продуктивности, и также требуемый дебит.  В таблице 5.3.4 приведена характеристика ступени скважинного насоса. Таблица 5.3.4 – характеристика ступени скважинного насоса Для отслеживания динамики изменения режима работы насоса необходимо сначала определить исходную рабочую точку системы насос – скважина. В начале строиться характеристика скважины, а затем напорная характеристика насос по каталогу, затем аппроксимируется по уравнению эллипса, аналогично п. 5.1. Результат расчета по формулам 4.1 – 4.4 представлен в таблицах 5.3.5 – 5.3.6. Таблица 5.3.5 – Результаты расчёта скважины при изменяющемся во времени Кпрод и Рпл  Таблица 5.3.6 – результаты расчета скважины  Для нахождения точки пересечения характеристик насоса и скважины необходимо решить систему уравнений:  Подставляя значение давления из второго уравнение в первое получим:  Заменим:    Необходимой найти эти коэффициенты и решить квадратное уравнение (формула 5.3.2). После нахождения подачи подставляем это значение во второе уравнение формулы 5.3.1. Результаты расчета приведены в таблице 5.3.7. Таблица 5.3.7 – Результаты расчета рабочей точки системы  Далее необходимо составить уравнение регулирования частоты вращения для сохранения постоянной подачи (Q=29,31 м3/сут=idem). Новая частота вращения:  Давление, создаваемое насосом после регулировки частоты вращения:  Подача после регулировки частоты вращения:  Результаты вычислений сведены в таблицу 5.3.8. Таблица 5.3.8 – Регулирование частоты вращения вала насоса  На основе полученных данных строятся графики зависимости подачи (рисунок 5.3.1) и давления насоса (рисунок 5.3.2) от времени работы, а также зависимости частоты вращения (рисунок 5.3.3) от времени (при постоянной подаче).  Рисунок 5.3.1 – Зависимость подачи от времени  Рисунок 5.3.2 – Зависимость давления от времени  Рисунок 5.3.3 – Зависимость частоты вращения от времени Итог: при уменьшении коэффициента продуктивности и пластового давления на 10% каждый месяц в течении года подача насоса будет уменьшаться с 29,31 м3/сут до 20,43 м3/сут, а давление, создаваемое насосом, увеличится с 7,35 МПа до 8,61 МПа. Для того, чтобы поддерживать постоянную подачу (Q=29,31 м3/сут), необходимо увеличивать частоту вращения вала насоса с 2910 об/мин до 4173 об/мин, при этом давление, создаваемое насосом, увеличится с 7,35 МПа до 17,70 МПа. Разработка рабочих чертежей |
