ЭЦН с частотно-регулируемым приводом
По данным наблюдений за эксплуатацией УЭЦН на месторождении Западной Сибири за два года построены диаграммы, представленные на рисунках 1 и 2. На рис.1 показана диаграмма распределения УЭЦН по частотам вращения вала ПЭД.
Рисунок 1 Распределение количества УЭЦН в зависимости от частоты вращения вала ПЭД
и на рис.2 диаграмма распределения наработок на отказ этих же установок.
Рисунок 2 Распределение наработки на отказ в зависимости от частоты вращения вала ПЭД (минимальные и максимальные значения)
Наблюдения велись за установками, оснащенными асинхронными ПЭД. Снижение наработки на отказ при скоростях вращения меньших номинальной происходит, в основном (90% отказов), из-за перегрева электродвигателя и/или кабеля-удлинителя, реже – из-за засорения мехпримесями или из-за отложения солей. Засорение происходит из-за недостаточной скорости течения жидкости, что приводит к их оседанию в зазорах ступени насоса. Отложение солей связано с нагревом жидкости электродвигателем и насосом. Использование вентильных двигателей частично может решить проблему перегрева. Из диаграммы на рис.2 видно, что повышение скорости вращения приводит к существенному снижению наработки на отказ. Анализ состояния погружной части УЭЦН, работавшего при повышенных скоростях вращения [1,2,3] показывает, что сильно изношены радиальные подшипники вала, втулки колёс и аппаратов. Это происходит из-за того, что вследствие несбалансированности ротора УЭЦН, возрастает вибрация, возможна потеря устойчивости вала ЭЦН, что и приводит к износу. Стендовые испытания ЭЦН подтверждают эту причину. Опытные установки ЦУНАР (АКМ ЭЦН) эксплуатируются при частотах вращения 10000-14000 об/мин. Установка ЦУНАР проектировалась под указанную частоту и потребовала применения специальных материалов и изменений в конструкции с целью снижения вибрации. Поэтому стоимость такой установки выше, чем традиционных даже с учетом существующих модернизаций. Кроме того, пока данная установка не станет серийной, существенного снижения цены не произойдет. Анализ существующих и опытных конструкций УЭЦН, а также достижений ведущих отечественных производителей, который проводится на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности, показал, что существует возможность модернизации современных УЭЦН для их эксплуатации на повышенных частотах вращения. По паспортным характеристикам современные ПЭД могут эксплуатироваться с частотой вращения 4000-4200 об/мин. По информации ЗАО “Новомет – Пермь», этой фирмой освоена технология, позволяющая более чем на 30% снизить уровень вибрации в ПЭД.
Применение нормального закона управления частотой электрического напряжения (закона Костенко) приводит к линейному росту, выделяемой электродвигателем, мощности, в то время как мощность, потребляемая насосом, возрастает в кубической зависимости. То есть существует предел увеличения частоты вращения ротора установки, при котором мощности ПЭД уже не хватает для нормальной работы наоса. Обычно это происходит при скорости 4300-4800 об/мин. Применение других законов регулирования [4] требует квадратичного увеличения напряжения, которое ограничено напряжением пробоя изоляции проводников, что ведет к существенному удорожанию электрической части установки;
Испытания новых и модернизированных ступеней ЭЦН, проводившиеся на кафедре [5], показали возможность использования для изготовления рабочих колес и направляющих аппаратов новых материалов, снижающих вибрацию. К этим материалам относятся алюминиевые сплавы, нержавеющие стали и некоторые пластмассы. Кроме того, анализ эксплуатации УЭЦН в различных осложненных условиях показал перспективность использования пакетной схемы компоновки ЭЦН, что позволит увеличить скорости вращения ротора установки без увеличения.
На скоростях вращения 4000-4200 об/мин, как показывают расчеты, увеличение осевой силы и момента трения происходит, приблизительно в 2 раза, по сравнению с 6-8 для скоростей 6000-10000 об/мин. Поэтому для 4000-4200 об/мин могут быть использованы уже применяющиеся материалы и конструкции. Существующий типоразмерный ряд УЭЦН и модульная компоновка позволяют охватывать в пределах рабочей области широкий диапазон подач и напоров (рис.3).При этом подача установки в рабочей области возрастает практически до следующего типоразмера.
Рисунок 3 - Рабочие области одной ступени типоразмеров 5-15, 5-25, 5-30, 5-59, 5-125 производства ОАО «Новомет» при изменении скорости вращения от 2400 до 4800 об/мин.
Такой диапазон регулированиявполне достаточен для работ по созданию системы пласт – скважина – УЭЦН. Модернизация УЭЦН для работы с частотами вращения до 4000-4200 об/мин незначительно увеличит ее стоимость и позволит на практике определить влияние осложняющих факторов на новое оборудование. Это позволит, в свою очередь, создать высоконадежные УЭЦН для работы в глубоких скважинах и на шельфе.
Литература.
1. Пономарев Р.Н. Ишмурзина Н.М. «Аварийные отказы в зависимости от наработки установок погружных центробежных насосов», Нефтегазовое дело №1 том 4, 2006г., с. 221-224
2. Ольга Григорьева «Проблемы работы УЭЦН на месторождениях Компании обсуждали в Нижневартовске», Новатор №18, 2007г., с. 23-27
3. F.J.S. Alhanati, S.C. Solanski, T.A. Zahacy “ESP failures: can we talk the same language?” SPE
4. G. Novillo, J. F. Lea «High Volume Applications – Tutorial»ESP Workshop, 2004
5. Ивановский В.Н. Основные направления развития оборудования для подъема нефти из скважины. Доклад. VIII Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 80-летию РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина. «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса». Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, Москва 2010г.
Источник: Журнал "Территория Нефтегаз" №3, 2010 г.