Автоматическое управление приводом погружного насоса нефтяной скважины в условиях Красноленинского месторождения

При разработке метода определения  режима работы насоса в скважине было использовано уравнение конвективного теплообмена (закон Ньютона-Рихмана):

,                                                                                                              (4.20)

где   Δt – перепад температуры тела и охлаждающей жидкости,

- количество тепла, проходящего  через единицу площади тела,

α – коэффициент теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи можно  приближенно вычислить по формуле  [2]:

,где                                                                                                   (4.21)

υ – средняя скорость движения жидкости в зазоре между двигателем и обсадной колонной скважины.

, где                                                                       (4.22)

G – суточный дебит скважины по жидкости, т,

γ - удельный вес жидкости, т/м³,

d- наружный диаметр двигателя, м,

D- внутренний диаметр обсадной колонны, м.

Формула для определения температуры  двигателя имеет вид:

                                                                                            (4.23)

Производственные расчеты температуры  двигателя по (4.23)  показали удовлетворительное совпадение с фактически замеренной температурой по методике, приведенной в[2].

Зависимость (4.23) объективно отражает работу ЭЦН в скважине, его надежность, экономичность и величину нагрузки. Величина t_ДВ, как неоднократно указывалось в литературе, является одной из характеристик надежности УЭЦН. Увеличение t_ДВ приводит к существенному снижению срока службы изоляции. Так, например, увеличение на 12—15°С    снижает срок службы изоляции из полиэтилена в 2 раза [2].

Рассмотрим, от чего зависит величина t_ДВ. Из  (4.23)  следует, что t_ДВ пропорциональна величине потерь мощности в двигателе, которые при правильно подобранном напряжении пропорциональны потребляемой мощности двигателя. Поэтому в первом приближении можно считать, что для одинаковых типов двигателей t_ДВ пропорциональна нагрузке двигателя при одинаковой скорости обтекания двигателя газонефтяной смесью. С другой стороны, t_ДВ обратно пропорциональна двойному квадратному корню из скорости омывающей двигатель водонефтяной смеси, т.е. величина t_ДВ тем меньше, чем больший объем жидкости откачивается из скважины при одинаковой нагрузке на двигатель.

С целью оперативного использования  (4.23)   разработаны таблицы [2] для приближенного определения потерь мощности в двигателе ПЭД-28-103 по величинам потребляемого тока и напряжения на выходе преобразователя частоты. Потери тепла определены из условия, что двигатель работает с номинальным КПД и cosφ.  Эти данные приведены в табл. 4.2.

В табл.4.2 определяется количество тепла Θ, выделяющегося в двигателе ПЭД28-103 в зависимости от выходного напряжения ПЧ U и тока двигателя I_Д.

Таблица 4.2

U, В	IД, А
	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36	37
750	6,97	7,26	7,43	7,6	8,04	8,3	8,65	8,82	9,16	9,34	9,68	9,92
760	7,08	7,35	7,6	7,86	8,13	8,43	8,7	9	9,25	9,51	9,78	10,05
770	7,17	7,44	7,7	7,98	я	8,53	8,82	9,07	9,35	9,63	9,83	10,2
780	7,26	7,54	7,8	8,1	8,38	8,63	8,92	9,2	9,5	9,76	10,5	10,33
790	7,35	7,62	7,9	8,18	8,47	8,75	9,02	9,3	9,6	9,86	10,18	10,47
800	7,44	7,72	8	8,3	8,57	8,85	9,15	9,43	9,7	10,02	10,3	10,58
810	7,52	7,8	8,1	8,4	8,67	8,92	9,26	9,55	9,83	10,12	10,42	10,72
820	7,62	7,93	8,21	8,5	8,8	9,1	9,4	9,68	9,96	10,25	10,58	10,88
830	7,72	8,03	8,33	8,62	8,9	9,2	9,5	9,8	10,1	10,4	10,7	11
840	7,8	8,13	8,42	8,72	9	9,3	9,62	9,92	10,22	10,52	10,83	11,13
850	7,9	8,21	8,5	8,82	9,1	9,42	9,73	10,03	10,35	10,65	10,93	11,25
860	8	8,3	8,62	8,92	9,24	9,51	9,84	10,15	10,45	10,75	11,08	11,4
870	8,1	8,4	8,71	9,03	9,33	9,65	9,95	10,3	10,6	10,9	11,2	11,52
880	8,18	8,5	8,82	9,15	9,44	9,75	10,05	10,4	10,7	11	11,35	11,65
890	8,25	8,6	8,9	9,22	9,55	9,85	10,2	10,5	10,8	11,15	11,44	11,75
900	8,35	8,68	9	9,32	9,65	9,97	10,3	10,6	10,92	11,3	11,6	11,9
910	8,46	8,8	9,1	9,42	9,76	10,1	10,4	10,75	11,1	11,4	11,7	12,05
920	8,55	8,89	9,22	9,54	9,88	10,2	10,5	10,9	11,2	11,5	11,85	12,2
930	8,65	9	9,3	9,65	9,97	10,3	10,65	11	11,3	11,65	12	12,3
940	8,75	9,08	9,4	9,75	10,1	10,4	10,8	11,1	11,45	11,8	12,1	12,45
950	8,84	9,16	9,5	9,85	10,2	10,5	10,9	11,2	11,55	11,9	12,13	12,6
960	8,93	9,27	9,6	9,96	10,3	10,65	11	11,35	11,7	12,05	12,4	12,7

 

Для наших условий напряжение, подаваемое на двигатель, пропорционально частоте вращения, ток измеряется амперметром. Таким образом, получая данные о частоте вращения и токе двигателя определяем величину выделяющегося  тепла.

Изучение табл. 4.2 показывает, что зависимость Θ= Θ(I) при U=const может быть аппроксимировано прямой линией с максимальной погрешностью аппроксимации не более 0,3%.

В табл. 4.3 приводятся данные о величине дебита скважины в зависимости от температуры двигателя и количества выделяемого тепла. Из табл.4.3 по полученному из таблицы 4.2 количеству тепла Θ и по установленному значению дебита Q₀ определяем  температуру двигателя.

Таблица 4.3

Θ, кВт	t, ºC
	70	75	80	85	90	95	100	105	110	115	120
7	108	61,2	36,5	23,2	15,7	10,6	-	-	-	-	-
7,3	128,5	71,2	42	27	18	13	9	-	-	-	-
7,6	150	84	50	32	21	15	11	7,6		-	-
7,9	-	100	59	38	25	18	12	9,5	7,1	-	-
8,2	-	111	68	44	29	20	14	10,4	7,9	-	-
8,5	-	131	80	50	33	23	17	12	9,2	7	-
8,8	-	152	91	58	39	27	19	14	10	8	-
9,1	-	-	103	66	43	30	21	16	12	9	-
9,4	-	-	118	77	51	35	25	18	14	10	-
9,7	-	-	133	86	57	40	28	21	16	12	-
10,0	-	-	150	96	63	46	32	23	17	13	-
10,3	-	-	-	108	75	50	36	26	20	15	-
10,6	-	-	-	123	82	56	40	26	22	17	13
10,9	-	-	-	135	91	62	45	33	25	19	15
11,2	-	-	-	154	102	71	50	37	28	21	16
11,5	-	-	-	-	113	78	55	41	30	24	18
11,8	-	-	-	-	124	85	61	45	33	26	20
12,1	-	-	-	-	140	96	68	50	37	28	22

 

Θ, кВт	t, ºC
	70	75	80	85	90	95	100	105	110	115	120
12,4	-	-	-	-	150	103	73	53	41	31	24
12,7	-	-	-	-	-	114	81	59	45	34	27
13	-	-	-	-	-	124	89	66	50	38	30
13,3	-	-	-	-	-	137	97	71	54	41	32

 

  Полученное значение температуры сравниваем  с допустимым значением и выдаем разрешение или запрет на корректировку частоты вращения.

Если получен разрешающий сигнал, то необходимо проверить, лежит ли задаваемая частота в допустимых пределах: (+10…-20)% от ω_Н. Если - да, то сигнал об изменении частоты выдается на преобразователь частоты, если – нет, то регулирование не производится.

Например: в параметры работы двигателя  следующие:

- начальное напряжение 850В,

- начальная частота вращения 2950об/мин,

- начальное забойное давление  200м,

-конечное  забойное давление 300 м,

- начальный ток 37А,

1. Вычисляем новую уставку по  дебиту [4.16]:

2. Вычисляем уставку по частоте  вращения [4.17]:

 

 

3. Определяем напряжение на двигателе  в соответствии с законом Костенко:

 

4. Определяем ток двигателя:

5. По табл. 4.2 по значениям тока и напряжения определяем количество тепла выделяющееся в двигателе: Θ=10,88кВт.

По табл. 4.3 по значениям дебита скважины и количеству тепла определяем температуру двигателя: t≈97°C.

Так как полученная температура  лежит в допустимых пределах Т_У<115°С, то дается разрешение на коррекцию частоты (см. блок-схему алгоритма рис.4.5).

5. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ УЭЦН

Питание установок центробежных электронасосов (ЭЦН) на Ем-Еговской площади осуществляется с подведением к скважинам напряжения 6 кВ и монтажом на каждой скважине трансформатора, понижающего это напряжение до значения, необходимого для питания двигателя насоса. В этом случае на подстанции у каждой скважины должен быть предусмотрен еще и дополнительный трансформатор 6/0,4 кВ для питания цепей управления, сигнализации, освещения, подогрева и др.

Подвод электрической энергии  к погружному электродвигателю осуществляется маслонефтестойким трехжильным кабелем с резиновой или полиэтиленовой изоляцией, прикрепляемым к насосным трубам с помощью металлических поясов. Верхний конец кабеля намотан на барабан, служащий для транспортировки кабеля и его спуска и подъема. Кабельная линия в скважине выполняется плоским кабелем марки КРБП (с резиновой изоляцией). Применение плоского кабеля обусловлено необходимостью уменьшить поперечные размеры погружного устройства. Выпускаются кабели площадью сечения 3x16, 3x25 и 3x35 мм2. Кабели с резиновой изоляцией рассчитаны на номинальное напряжение 1100 В, работу при температуре окружающей среды от +90 до -30 °С и давлении до 10 МПа. Кабели с полиэтиленовой изоляцией рассчитаны на номинальное напряжение 2300 В, работу при температуре окружающей среды от +90 до -55 °С, давление до 20 МПа. Они обладают большей газостойкостью.

Для поддержания необходимого напряжения на зажимах погружного двигателя при изменениях потерь напряжения в кабеле и других элементах питающей сети, а также для возможности питания двигателей ПЭД с различными номинальными напряжениями при стандартных напряжениях промысловых сетей применяются трансформаторы. Зажимы низшего напряжения (первичные) присоединяются к промысловой сети, а вторичные - к кабелю КРБК (КПБК). Для питания погружных электронасосов используют силовые масляные трансформаторы типов ТМП и ТМПП мощностью от 40 до 400 кВ • А. Эти трансформаторы рассчитаны на эксплуатацию в районах с умеренным или холодным (исполнение ХЛ) климатом.

Схема питания УЭЦН приведена на рис.5.1