3087-1 (Новый высокоэффективный привод для погружных центробежных и винтовых насосов), страница 2

Вентильный погружной электродвигатель типа ВД представляет собой синхронную электрическую машину, у которой ротор 1 выполнен на постоянных магнитах, а питание обмотки статора 2 осуществляется по определенному алгоритму от находящейся на поверхности специальной станции управления типа «Ритэкс».

Электродвигатель ВД имеет высокую степень унификации с электродвигателем типа ПЭД. В нем применены материалы, комплектующие изделия и отработанные технические решения, которые используются в асинхронных электродвигателях ПЭД.

Технические характеристики вентильных электродвигателей типа ВД при частоте вращения 3000 об./мин. представлены в табл. 2.

В табл. 3 указаны преимущества приводов на основе вентильных электродвигателей и их параметры, за счет которых обеспечиваются эти преимущества.

Возможности созданного вентильного привода могут быть реализованы:

при эксплуатации УЭЦН, подобранных с учeтом характеристик насоса при номинальной частоте вращения 2910 об./мин.;

при эксплуатации УЭЦН с выбранной частотой вращения.

Номинальная частота вращения насоса 2910 об./мин. в серийной УЭЦН определена частотой вращения работающего в составе установки погружного асинхронного 2-хполюсного электродвигателя типа ПЭД. Однако эта частота вращения не для всех условий эксплуатации является оптимальной. Для некоторых скважин более близкие к оптимальным значениям рабочих показателей подачи, напора, мощности, наработки на отказ, КПД и др. можно достичь при работе установки с частотой вращения, отличающейся от номинальной частоты 2910 об./мин.

Регулируемый вентильный привод позволяет также изначально выбрать частоту вращения насоса, при которой будет обеспечена более эффективная работа ЭЦН в скважинах с низким пластовым давлением, высоким газовым фактором, высокой вязкостью продукции, большим содержанием механических примесей и других осложняющих факторах. Новая частота вращения может снизить вероятность возникновения резонансных явлений в установке, являющихся одной из причин самопроизвольного их расчленения в процессе работы.

Если в используемой на предприятии программе или методике не предусмотрен алгоритм подбора ЭЦН, работающего при новой частоте вращения, то подбор насоса производится с использованием параметров, рассчитанных для насосов, работающих с частотой вращения 2910 об./мин., с последующим пересчетом на новую частоту вращения.

При пересчете используются известные зависимости подачи, напора, мощности и ожидаемого ресурса от частоты вращения насоса:

Qn=Q29 n/2910 (1),

Hn=H29 (n/2910)2 (2),

Nn=N29 (n/2910)3 (3),

где:

Qn, Hn, Nn — подача, напор, мощность при частоте вращения n;

Q29, H29, N29 — подача, напор, мощность при номинальной частоте вращения 2910 об./мин.

При выборе новой частоты вращения насоса следует руководствоваться условием:

nmin< n < nmax (4),

где:

nmin — частота вращения меньше номинальной, нижнее значение которой ограничивается конструктивной и экономической целесообразностью использования в конкретной скважине насосов с увеличенным количеством ступеней;

nmax — частота вращения больше номинальной, верхнее значение которой ограничивается допустимой величиной снижения ресурса деталей проточной части насоса, работающего при повышенных частотах вращения.

Ориентировочное значение ожидаемого ресурса деталей проточной части насоса при новой частоте вращения n:

Rn = R29(2910/n)3 (5),

где Rn — ожидаемый ресурс при частоте вращения n;

R29 — среднее значение ресурса деталей проточной части насоса в данной скважине при номинальной частоте вращения 2910 об./мин.

Вентильный привод позволяет эксплуатировать УЭЦН в широком диапазоне частот вращения. Для практического использования принят:

Рабочий диапазон частот вращения насосов:

2500 < n < 3500 об./мин. (6).

Рекомендуемый диапазон частот вращения насосов:

2700 < n < 3100 об./мин. (7).

Вентильные электродвигатели для комплектации насосов, которые планируется эксплуатировать при различных частотах вращения n, выбираются из условия обеспечения требуемой мощности, ресурса, КПД и модификации по номинальному напряжению.

Требования по мощности должны удовлетворять условию:

Nдn > Nнn , (8)

где Nнn — мощность, потребляемая насосом, при частоте вращения n;

Nдn — мощность, развиваемая ВД, при частоте вращения n.

Nдn = N30 х n/3000 , (9),

где N30 — номинальная мощность ВД, кВт;

3000 — номинальная частота вращения ВД, об./мин.

Требования по ресурсу обеспечиваются при выполнении следующих условий:

эксплуатация ВД при любой частоте вращения из рабочего диапазона 2500-3500 об./мин. допускается при рабочем токе, не превышающем номинальный ток вентильного электродвигателя Iн;

с увеличением частоты вращения более номинальной величины — 3000 об./мин., мощность, развиваемая электродвигателем, превышает номинальную. При этом ухудшается тепловой режим работы ВД, что может привести к снижению его ресурса. Поэтому загрузка ВД при работе с частотой вращения более 3000 об./мин. не должна превышать его номинальной мощности;

комплектацию насосов вентильными электродвигателями рекомендуется производить по мощности максимального ресурса, которая принимается на 20% ниже его мощности при частоте вращения n.

При n<3000 об./мин.

NRn = 0,8 Nдn (10),

где NRn — мощность максимального ресурса при частоте вращения n, кВт.

При n>3000 об./мин.

NR30 = 0,8 N30 (11),

где NR30 — мощность максимального ресурса при частоте вращения n = 3000 об./мин., кВт.

Требования по обеспечению высокого КПД: для обеспечения работы ВД с высоким КПД не рекомендуется загружать двигатель ниже 30% его номинальной мощности.

Таким образом для обеспечения требуемой мощности, КПД и ресурса выбранный вентильный электродвигатель должен удовлетворять условию:

0,3 Nдn < Nнn < 0,8 Nдn (12).

При выборе модификации вентильного электродвигателя по номинальному напряжению должны быть учтены следующие факторы:

1. Двигатели с большими значениями номинальных напряжений имеют меньшие значения номинальных токов.

При уменьшении тока:

сокращаются потери мощности в кабельной линии;

возможно использование кабеля меньших сечений;

повышается надежность электрических разъемов кабельной муфты.

При увеличении напряжения снижается надежность электрической системы «кабель — ВД» в условиях падения в процессе эксплуатации диэлектрической прочности изоляции кабеля, обмоточных проводов и заполняющего полость ВД масла.

2. При оценке значения фактора величины рабочего тока необходимо учитывать различия в условиях работы систем «кабель — ПЭД» и «кабель — ВД» при пусковых режимах.

Пуск ВД происходит при токах, плавно возрастающих от нуля до рабочих, в отличие от пуска асинхронных ПЭД, при котором пусковые токи кратно превышают токи рабочей нагрузки. Поэтому пусковые режимы ВД не приводят к снижению ресурса вентильного электродвигателя и кабеля.

3. Абсолютная величина потерь мощности в кабеле зависит от длины кабельной линии и сечения жил кабеля, поэтому доля этих потерь в общих энергозатратах при эксплуатации УЭЦН, спускаемых на большую глубину, возрастает.

4. Наличие на предприятии трансформатора с требуемой ступенью напряжения, с учeтом падения напряжения в кабельной линии.

Максимальная частота вращения насоса ограничивается мощностью работающего в составе УЭЦН вентильного электродвигателя:

Nнnmax = Nдnmax , (13),

где Nнnmax — мощность, потребляемая насосом, при максимальной частоте вращения nmax ;

Nдnmax — мощность, развиваемая ВД, при максимальной частоте вращения nmax.

Nнnmax =N29(nmax /2910)3 . (14).

Рекомендуется максимально допустимую частоту вращения ВД рассчитывать из условия ограничения мощности вентильного электродвигателя мощностью максимального ресурса при номинальной частоте вращения 3000 об./мин.

Nдnmax = NR30 = 0,8N30 (15).

С учетом (13), (14) и (15) максимальная частота вращения насоса nRmax из условия загрузки ВД по мощности максимального ресурса:

nRmax = 2700(N30 /N29)1/3 (16).

Максимальные значения параметров насосов, при частоте вращения nRmax :

QRmax = Q29(nRmax/2910) (17),

HRmax = H29(nRmax/2910)2 (18).

С учетом ограничений nmax< 3500 об./мин.

Qmax = 1,2Q29 (19)

Hmax = 1,45H29 (20)

Производство и поставка приводов УЭЦН на основе вентильных электродвигателей были организованы в конце 2001 года.

По состоянию на 25.05.04 количество скважин, эксплуатируемых УЭЦН с приводами на основе вентильных электродвигателей, составляет 88 единиц.

Максимальная текущая наработка по нефтедобывающим предприятиям ОАО «ЛУКОЙЛ» представлена в табл. 4.

Большинство установок эксплуатируются в диапазоне частот вращения 2200-3100 об./мин., что позволяет поддерживать оптимальный режим эксплуатации системы «насос-пласт». Регулирование подачи за счет частоты вращения взамен штуцирования и высокий КПД вентильного электропривода позволяют снизить энергопотребление при эксплуатации УЭЦН.

Снижение энергопотребления на одну скважину при замене в УЭЦН асинхронного электродвигателя ПЭД32 на вентильный составляет 39000 кВт-час/год.

При тарифе за 1 кВт-час 0,90 руб. снижение энергозатрат на одну скважину составляет 35,1 тыс. руб.

На базе вентильного электродвигателя для привода погружных центробежных насосов создан низкооборотный высокомоментный вентильный электродвигатель типа ВВД для привода винтовых насосов. Его характеристики представлены в табл. 5.

Табл. 5. Технические характеристики вентильного электродвигателя типа ВВД 22-117 для привода погружных винтовых насосов

Технические характеристики вентильного электродвигателя типа ВВД 22-117 для привода погружных винтовых насосов приведены в табл. 5.

Двигатель комплектуется станцией управления «РИТЭКС-01» (рис. 3). При работе с частотой вращения до 500 об./мин. напряжение на двигатель подается напрямую от станции управления. При частотах вращения более 500 об./мин. — через трансформатор ТМП63/856.

Две установки УЭВН с приводами на основе вентильного электродвигателя находятся в ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» в подконтрольной эксплуатации в скважинах, в которых серийные установки с асинхронным 4-хполюсным погружным электродвигателем из-за большой вязкости скважиной продукции практически не работает. Средние наработки оборудования в этих скважинах составляли 11 суток и 32 суток. УЭВН с вентильными электродвигателями ВВД22-117 работает в регулируемом диапазоне частот вращения 350-500 об./мин. Текущая наработка на 25.05.04 г. составляет 170 суток.

Появление на рынке нефтяного оборудования низкооборотных приводов УЭВН значительно расширит географию использования погружных винтовых насосов.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.oilcapital.ru/