Автоматическое управление приводом погружного насоса нефтяной скважины в условиях Красноленинского месторождения

Ротор двигателя короткозамкнутый, многосекционный состоит из нескольких отдельных пакетов, каждый из которых имеет самостоятельную обмотку, выполненную в виде беличьей клетки. В пазы сердечников закладываются медные стержни, соединяемые по концам короткозамыкающими кольцами. Сердечники  набираются  на  вал,   чередуясь   с радиальными подшипниками, и соединены с валом  шпонками.  Набор  сердечников на валу затянуть  в  осевом  направлении  гайками  или  турбинкой.  Турбинка служит для принудительной  циркуляции  масла  для  выравнивания  температуры двигателя на длине статора. Для обеспечения циркуляции  масла  на  погружной поверхности магнитопровода имеются продольные пазы. В  головке  двигателя  расположены  пята  и  подшипник.

Переводник  в  нижней  части  двигателя  служит  для   размещения   масляного фильтра, перепускного  клапана   и   клапана   для   закачки   масла   в   двигатель.

 Двигатели предназначены для работы  в  среде  пластовой  жидкости  (смесь нефти  и  попутной  воды  в  любых  пропорциях)  с  температурой  до  110  С содержащей:

   - мехпримесей не более  0.5 г/л;

   - свободного газа не более  50%;

   - сероводорода для нормальных, не более 0.01 г/л, коррозионностойких  до      1,25 г/л;

Электродвигатели заполняются  маслом В.

Предельная     длительно    допускаемая    температура    обмотки    статора электродвигателя (для двигателя с диаметром корпуса 103  мм)  равна  170  С, остальных электродвигателей 160 С.

Гидрозащита ПЭД состоит из протектора и компенсатора.  Она  предназначена для  предохранения  внутренней   полости   электродвигателя   от   попадания пластовой жидкости, а  также  компенсации  температурных  изменений  объемов масла и его расхода.  Протектор двухкамерный, с резиновой диафрагмой и торцевыми уплотнениями вала, компенсатор с резиновой диафрагмой.

   Подвод электроэнергии  к  электродвигателю  установки погружного  насоса осуществляется через кабельную линию, состоящую из питающего кабеля и  муфты кабельного ввода для сочленения с электродвигателем.  Кабель трехжильный с полиэтиленовой изоляцией,  бронированный.  Кабельная линия, т.е. кабель, намотанный на барабан, к основанию которого  присоединен удлинитель – плоский кабель с муфтой кабельного ввода.  Каждая  жила  кабеля имеет слой изоляции и оболочку, подушки из прорезиненной ткани и брони.  Три изолированные жилы плоского кабеля уложены параллельно в ряд,  а  круглового скручены по винтовой линии.

2.  ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СКВАЖИНЫ И ВЫБОР НАСОСА

При  подборе УЭЦН к скважине руководствуются паспортной характеристикой насоса – зависимостью напора, потребляемой мощности и КПД от подачи насоса. Задача сводится к выбору такого типоразмера УЭЦН, который будет работать в условиях оптимального режима и обеспечит откачку заданного дебита скважины с данной глубины.

При газосодержании на приеме насоса 5...7% и менее влиянием газа на работу насоса можно пренебречь [2]. Так как содержание нефти в водонефтяной жидкости составляет всего 12%, то можно производить расчет по параметрам воды.

Для условий совместной и согласованной  работы пласта и насосного подъемника при заданном дебите, соответствующей глубине подвески на НКТ и определенном диаметре рассчитывается напорная характеристика скважины [24] :

                                                        (2.1)

где h^’_Д–расстояние от устья скважины до динамического уровня,м;

H- глубина скважины,м;

Р₂-  устьевое давление, Па.

Для упрощения расчетов формула (2.1) представляет аппроксимированную прямую некоторого устойчивого режима работы скважины.

Для согласованной работы системы  пласт-скважина-УЭЦН величину h_Д определяют по уравнению притока:

                                                                                           (2.2)

h_ТР = 20-40м [24], значением которого, вследствие его малости, можно пренебречь.

Для построения характеристики скважины необходимые параметры приведены в табл.2.1:

Таблица 2.1

Параметры	Значение
глубина скважины	Н=1500м
дебит скважины	Q=60 м3/сут
пластовое давление	Рпл=10,8Мпа
Параметры	Значение
устьевое давление	Р2= 2,5 Мпа
плотность водонефтяной жидкости	ρ=1000кг/м3
коэффициент продуктивности скважины	К=0,052 м3/(м∙сут)

 

Напорная характеристика скважины Н_с строится по ряду значений Q строится. Так как формула (2.1) является уравнением прямой, построение можно произвести по двум точкам. Напорная характеристика представлена на рис.2.1.

Q, м3/сут	Hс, м
0	655
40	1450

 

Рис.2.1 Характеристика скважины

Глубина подвески насоса принимается  на h=30-50 м больше динамического уровня [24]:

.

Установленный на  скважине №412 насос  ЭЦН5-40-1400 имеет характеристики, представленные в табл. 2.2:

Таблица 2.2

Наименование  показателя	ЭЦН5 40 - 1400
Подача Q, (м3/сут)	40
Напор H, м	1400
Число ступеней	273
Число секций	2
Мощность насоса, кВт	20
КПД насоса, %	39
Частота тока сети питания , Гц	50

 

Совместная согласованная  работа системы пласт-напорная характеристика скважины-УЭЦН представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Характеристики скважины и насоса

3. ЭЛЕКТРОПРИВОД УЭЦН

3.1 ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Экспериментально установлено [3], что режимы работы центробежных погружных насосов, используемых в нефтяной промышленности, соответствуют уравнениям подобия аналогично обычным  центробежным насосам. Поэтому уравнения подобия могут быть использованы для оценки параметров работы погружного насоса при изменении частоты вращения.

Уравнения подобия:

                                                                                                    (3.1.1)

 

где Q – расход,

n – частота вращения,

Н – напор,

N – мощность потребляемая электродвигателем.

По динамике работы скважин пласта ВК₁ 2001-2003 г.г. (рис.3.1.1) видно, что изменение производительности колеблется в пределах 30%.

Рис.3.1.1 Динамика работы скважин пласта ВК₁ 2001-2003 годов

Колебания производительности влекут за собой сокращение срока службы оборудования, а также увеличение энергетических затрат. Для повышения межремонтного периода оборудования необходимо регулировать производительность насоса в соответствии с характеристикой скважины, что можно реализовать с помощью частотного регулирования.

3.2 ВЫБОР ТИПА ПРИВОДА, ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ ПО МОЩНОСТИ

Для привода погружных центробежных насосов используются погружные  электродвигатели трехфазные, асинхронные, короткозамкнутые, унифицированной  серии во взрывозащищенном  исполнении, климатического исполнения В, категории размещения 5, работающие от сети переменного тока частотой 50Гц.

Необходимая мощность двигателя  N (кВт) для привода насоса определяется по формуле:

                                             (3.2.1)

где:

k - коэффициент запаса мощности двигателя, k=1,1;

Qmax – максимально возможная  подача насоса, м3/ч;

Hmax -  развиваемый напор  с учётом высоты всасывания, м;

hр- КПД установки;

r - плотность откачиваемой смеси, кг/м3.

 кВт

Ближайшим  по  мощности  двигателем  серии ПЭД является  двигатель ПЭД 28-103.

Технические характеристики двигателя

Номинальная мощность - Р_н = 28 КВт 

Синхронная частота вращения - n = 3000 об/мин

Коэффициент полезного  действия - h= 72 %

Коэффициент мощности - cosj = 0,74

 Номинальное скольжение - Sн = 0.018

 Критическое скольжение – Sк = 0.125

Частота питающего напряжения - f = 50 Гц

Момент инерции ротора –  J_рот= 0,02 кг м²

3. 3 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. Назначение и область применения:

Электропривод установки погружных центробежных насосов  предназначен для  регулирования параметров насоса при изменении дебета скважины.

1. Напряжение питания – 850 В, 50 Гц;
2. Кратковременное допустимое отклонение напряжения питающей сети не более ±0.20 U_ном;
3. Привод регулируемый, нереверсивный;
4. Диапазон регулирования – (0,6…1,4) n_ном;
5. Электродвигатель:
1. Погружной асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа: ПЭД 28-103;

2.4.2  Номинальная мощность: Рн-28 кВт

2. Номинальная частота вращения: n_ном =2950 об/мин.
3. Номинальный к.п.д. не менее: η_н - 0,72.
4. Номинальный коэффициент мощности: К_м – 0,74.
5. Степень защиты двигателя по ГОСТ 12.2.020-86 -                  
2. Требования по автоматизации:

2.1 Посты управления

2.1.1 Местный пульт автоматического  управления у каждой скважины.

2.1.2 Дистанционный пульт управления.

2.1.3 Связь между местным постом  и дистанционным осуществляется  по сети Modbus.

2.1.4 Система управления снабжается  блокировкой, запрещающей управление  с дистанционного поста при  работе с местного.

2.2  Требования к системе автоматического регулирования (САР)

2.2.1 Статическая точность, % ±5;

2.2.2 Динамическая точность, % 7;

3.2. Защиты электропривода:

3.2.1 при   перегрузке его по току I_У=1,4I_н с выдержкой времени до 2 с (максимальная защита);

3.2.2 при перегрузке его по току   I_У=1,15 I_н с выдержкой времени 20 с (защита от перегрузки);

3.2.3 при снижении нагрузки по току I_У=0,85 I_н с выдержкой времени 20 с (защита от недогрузки);

3.2.4 Защита  от снижения  сопротивления  изоляции системы «ТМПН-кабель-ПЭД»  без дополнительной выдержки времени при снижении изоляции ниже 30±4 кОм.

4. Условия эксплуатации:

4.1 Диапазон рабочих температур  – (-40 ÷ +90)⁰С.

4.2 Допускаемая  относительная влажность – 100 % при 20⁰С.

4.3 Шкафы управления  исполнения  УХЛ со степенью защиты по  ГОСТ 17494-87 – IP54.

4.4 Диапазон вибрационных нагрузок 15-20 Гц при максимальном ускорении 0.3g, ударные нагрузки отсутствуют.

5. Требования по надежности:

5.1 Коэффициент готовности –  0,9.

5.2 Среднее время восстановления  – 72ч.

5..3 Средняя наработка на отказ – 2200 ч.

6. Гарантии изготовителя:

6.1 Гарантийный срок эксплуатации  – 2000ч.

6.2 Срок хранения – 3 года.

6.3 Назначенный срок службы –  6 лет.

3. 4 ВЫБОР МЕТОДА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Экспериментально установлено  [3], в случае снижения дебита скважин более целесообразно использовать насос с большей подачей и снижать частоту его вращения, чем устанавливать насос с меньшей подачей. Это объясняется тем, что такие насосы имеют более высокий КПД, чем насосы с низкой подачей. Кроме того, отмечаются  дополнительные преимущества: уменьшение осевого давления на рабочее колесо и греющих потерь в двигателе; снижение фазных токов, а следовательно, и потерь напряжения в токопроводящем кабеле; увеличение межремонтного периода работы оборудования.

Скорость вращения электромагнитного поля статора трехфазных электродвигателей переменного тока, пропорциональна частоте питающей сети, что позволяет регулировать их скорость плавным изменением частоты напряжения статора. Это наиболее экономичный способ плавного регулирования скорости асинхронных короткозамкнутых двигателей, поскольку двигатель во всем диапазоне регулирования работает с малой величиной скольжения ротора (малыми потерями скольжения).