3087-1 (Новый высокоэффективный привод для погружных центробежных и винтовых насосов)

Новый высокоэффективный привод для погружных центробежных и винтовых насосов

Владимир Павленко, к.т.н., ген. директор ООО «РИТЭК-ИТЦ», Матвей Гинзбург, зам. генерального директора ООО «РИТЭК-ИТЦ»

Установки погружных центробежных насосов являются одним из основных видов техники добычи нефти в России. За последние годы качество российских электропогружных установок существенно повысилось и приблизилось к уровню ведущих мировых производителей.

Однако и сегодня они нуждаются в дальнейшем техническом совершенствовании, которое позволило бы обеспечить рост эффективности их использования в нефтяной отрасли.

В установках погружных центробежных насосов (УЭЦН) в качестве привода используется асинхронный электродвигатель ПЭД.

При эксплуатации УЭЦН с таким электродвигателем в определенных режимах отбора жидкости из скважины возникают некоторые технологические проблемы, которые приводят к существенному снижению ресурса оборудования. Практически исчерпаны возможности дальнейшего повышения энергетической эффективности работы УЭЦН с асинхронными ПЭД.

Какие функции приводов ЭЦН нуждаются в дальнейшем совершенствовании?

Работа в это области, как нам представляется, должна вестись в трех основных направлениях:

— улучшение функциональных характеристик приводов для повышения добывных возможностей УЭЦН и УЭВН;

— повышение ресурса приводов;

— повышение энергетических характеристик приводов.

Рассмотрим каждое из этих направлений.

Улучшение функциональных характеристик приводов погружных насосов

Подбор оборудования к скважине, проведенный даже по самой совершенной программе, не обеспечивает максимальное соответствие системы «пласт—насос» по ряду причин.

Во-первых, сам алгоритм подбора основан на определенных допущениях, во-вторых, в расчетах используются эмпирические коэффициенты, в-третьих, исходные характеристики скважинной продукции не всегда точны. Кроме того, количество ступеней в подобном насосе не расчетное, а ближайшее в нему, установленное в стандартной насосной секции.

На практике отклонение количества ступеней в насосе может отличаться от расчетного еще больше, если насосы и насосные секции выбираются из наличия, которое не всегда содержит полный набор секций. Необходимо также учесть изменение характеристики скважинной продукции во времени и то, что характеристики насосов имеют разброс параметров производительности и напора в пределах поля допуска.

В этих условиях часто после запуска скважины требуется корректировка режима отбора, которая наиболее эффективно решается регулированием частоты вращения. Такую корректировку частоты вращения погружного асинхронного двигателя можно произвести с помощью специального регулятора частоты, выпускаемого как в виде отдельного блока, так и встроенного в специальную станцию управления. Однако широкого распространения регуляторы частоты вращения ПЭД в России до настоящего времени не получили, хотя они, за счет оптимизации режима отбора, могут дать прирост добычи.

Регулятор частоты вращения может обеспечить плавный запуск установки, а также форсировать работу насоса при снижении напора и подачи в результате его износа. Причины ограниченного применения регуляторов связаны с высокой ценой таких систем, приобретение которых не планируется бюджетом нефтяных компаний, ориентирующихся на закупку основного комплекта оборудования.

Таким образом, задача создания регулируемого привода, который найдет действительно широкое применение, видится в том, что возможность регулирования должна быть неотъемлемой характеристикой привода, а цена такой дополнительной возможности должна быть компенсирована другими дополнительными преимуществами, которых нет в приводах с частотным регулированием асинхронных двигателей.

Повышение ресурса приводов

Ресурс привода зависит от многих факторов: конструкции, применяемых материалов и технологии изготовления. Основной причиной выхода из строя двигателя является пробой и снижение изоляции. Поэтому усилия разработчиков двигателей направлены на повышение электрической и механической прочности, используемой в обмотке и в выводных концах. Однако полностью использовать прочностные характеристики изоляции в двигателе не удается из-за перегрева.

Серьезным недостатком асинхронных приводов является необходимость обеспечения требуемой скорости охлаждения двигателя. Эти ограничения требуют при освоении скважин после их ремонта останавливать двигатель через каждый час работы на два часа для остывания, что затягивает процесс освоения.

Высокий перегрев двигателя не позволяет успешно эксплуатировать скважины с малой и нестабильной подачей.

Особенно опасна для двигателя его работа при течи в трубах или при работе без подачи, когда в результате отсутствия потока жидкости относительно корпуса двигателя он перегревается и происходит пробой изоляции.

Задача: для повышения ресурса погружных двигателей необходимо максимально возможно снизить величину его перегрева в процессе работы.

Другой причиной пробоя изоляции является нарушение в работе токовой защиты. В некоторых случаях, когда асинхронный ПЭД недогружен, разница в токе холостого хода и рабочего тока столь незначительна, что не удается правильно настроить защиту по минимальному току. В результате в различных нештатных режимах (влияние газа, слом вала и др.) установка не отключается и через некоторое время происходит пробой изоляции.

Задача: для повышения эффективности токовой защиты необходим привод с малой величиной тока холостого хода.

Необходимо решить проблему увеличения ресурса асинхронного привода УЭЦН при их эксплуатации в периодическом режиме. Пуск асинхронного электродвигателя сопровождается существенным ростом токовых и динамических нагрузок на двигатель, кабель, сочленения узлов установки. Это приводит к преждевременному выходу из строя электрооборудования и даже аварийным «полетам» установки или ее узлов.

Пусковые токи отрицательно влияют на состояние электрических сетей, особенно при одновременном запуске установок. Применение специальных станций управления с плавным пуском электродвигателя для скважин с УЭЦН, работающих в периодическом режиме эксплуатации, всех проблем этого режима эксплуатации не решает. Остается проблема эффективного охлаждения двигателя, так как основной объем откачиваемой жидкости попадает на прием насоса не из пласта, а с уровня, установленного режимом эксплуатации. Эти недостатки снижают ресурс оборудования УЭЦН, поэтому периодический способ эксплуатации скважин установками УЭЦН применять не рекомендуется. Однако периодический режим эксплуатации скважин со слабым притоком иногда бывает единственно возможным способом получения продукции из скважин.

Задача: для повышения эффективности эксплуатации скважин в периодическом режиме необходим привод с регулируемым плавным пуском и допускающим длительную работу двигателя без его интенсивного охлаждения потоком откачиваемой из пласта жидкости.

Повышение энергетических характеристик приводов

Широкое внедрение энергосберегающих технологий в развитых странах и определенные экономические и политические решения приводят к периодическим и резким изменениям мировых цен на нефть и нефтепродукты. В этих условиях актуализируется проблема снижения издержек при добыче.

Одним из направлений снижения этих издержек является создание и внедрение в отрасли оборудования с высокими показателями энергетической эффективности.

Следует отметить, что до последнего времени вопросы снижения энергопотребления не были приоритетными как при создании нового оборудования, так и при его эксплуатации во многих отраслях экономики страны. Нефтяная отрасль не является исключением. Однако в нынешних условиях требуются кардинальные изменения в вопросе подхода к задаче снижения энергопотребления. Тарифы на электроэнергию непрерывно растут. Согласно прогнозам к 2015 г. они возрастут в 3,7 раза по сравнению с действующими, поэтому доля затрат на электроэнергию в общих затратах на производство нефти и нефтепродуктов будет непрерывно возрастать.

Федеральной целевой программой «Энергосбережение России», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 24 января 1998г. № 80, в целом по экономике страны планируется на ближайшую перспективу снизить энергопотребление на 3-4%. В нефтяной отрасли эта задача должна решаться как за счет многочисленных локальных задач по каждому технологическому процессу и оборудованию, так и путем создания и широкого использования оборудования нового поколения со значительно более высокими технологическими и энергетическими параметрами.

Объектами совершенствования в первую очередь должно стать оборудование, потребляющее значительное количество электроэнергии. К такому оборудованию относится оборудование нефтедобычи: установки погружных центробежных насосов, установки штанговых насосов и др. оборудование с годовым потреблением электроэнергии в 15-20 млрд кВт-часов. Поэтому снижение энергопотребления этих видов оборудования является существенным фактором уменьшения затрат на добычу нефти.

В структуре прямых издержек на добычу нефти УЭЦН затраты на электроэнергию составляют 20-30%, поэтому повышение энергетических характеристик электропогружных установок является важным резервом снижения себестоимости добычи.

Рассматривая задачу создания более эффективного привода для погружных насосов, следует отметить и необходимость создания привода погружных винтовых насосов на частоту вращения 250-500 об./мин., которая позволит существенно повысить ресурс УЭВН и довести его до уровня ресурса винтовых насосов с поверхностным приводом, работающих, в основном, в этом диапазоне частоты вращения.

Однако создание погружных асинхронных двигателей с частотой вращения менее 1000 об./мин. практически невозможно, да и двигатель с частотой вращения 1000 об./мин. удалось создать мощностью только 16 кВт, так как большая мощность требует перехода на секционные двигатели, что увеличивает их стоимость и снижает надежность. Поэтому основным двигателем для привода винтовых насосов остается 4-хполюсный двигатель с частотой вращения 1500 об./мин. В последние годы за рубежом и в России ведутся работы по снижению частоты вращения двигателя за счет установки редуктора.

Технически эта задача нашла решение, однако, на наш взгляд, остаются проблемы цены, ресурса, возможности их обслуживания и ремонта.

Для повышения эффективности работы погружных винтовых электронасосов необходимо создать двигатель с регулируемой частотой вращения в диапазоне 250-1000 об./мин.

Поставленные задачи наиболее успешно решены созданием установок погружных центробежных насосов с приводами на основе вентильных электродвигателей (рис. 1).

Вентильные электродвигатели не являются изобретением последних лет, тем не менее их широкое использование стало возможным только на базе последних достижений в области микроэлектроники, силовой электроники и программных средств управления.

В нефтедобывающем оборудовании приводы на основе вентильного электродвигателя до последнего времени не использовались.

В результате совместной работы специалистов ОАО «ЛУКОЙЛ» и ОАО «РИТЭК» создан и поставлен на производство новый тип привода погружных центробежных насосов, который обладает лучшими по сравнению с серийными асинхронными электродвигателями функциональными, ресурсными и энергетическими характеристиками.

Привод состоит из погружного электродвигателя типа ВД (рис. 2) и специальной станции управления (cм. рис. 1).

Привод работает в комплекте с насосами, кабельными линиями и трансформаторами, используемыми в составе УЭЦН с асинхронными погружными электродвигателями типа ПЭД.

Диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя — 500÷3500 об./мин.

Технические характеристики КП ЭЦН-ВД представлены в табл. 1.

Погружные электродвигатели типа ВД