Файл: Системный анализ причин отказов установок электроцентробежного насоса при добыче нефти.pdf

36
Рисунок 16 – Муфта кабельного ввода [31]
Клеммная коробка предназначена для предупреждения попадания нефтяного газа из полости кабельной линии в трансформаторные подстанции, комплектные устройства и шкафы станций управления.
В кабеле происходит потеря электрической мощности, обычно от 3 до 15
% общих потерь в установке. Потеря мощности связана с потерей напряжения в кабеле. Эти потери напряжения, зависящие от тока, температуры кабеля, его сечения и пр., вычисляются по обычным формулам электротехники. Они составляют примерно от 5 до 125 В/км. Поэтому на устье скважины напряжение, подаваемое к кабелю, всегда должно быть выше на величину потерь по сравнению с номинальным напряжением ПЭДа. Возможности такого повышения напряжения предусмотрены в автотрансформаторах или трансформаторах, имеющих для этой цели в обмотках несколько дополнительных отводов.
2.9 Трансформатор
Трансформаторы предназначены для питания установок погружных центробежных насосов от сети переменного тока напряжением 380 или 6000 В

37 частотой 50 Гц. Трансформаторы выпускаются по ТУ 16-517.685-77, серии
ТМПН. Трансформаторы предназначены для эксплуатации в районах с умеренным или холодным климатом в условиях, соответствующих ГОСТ
15150-69 при высоте над уровнем моря не более 1000 м на открытом воздухе.
Трансформатор (рисунок 17) состоит из магнитопровода, обмоток высокого напряжения и низкого напряжения, бака, крышки с вводами и расширителя с воздухоосушителем, переключателя. Магнитопроводы трансформаторов стержневого типа собираются из
Рисунок 17 – Общий вид трансформатора ТМПН-100, ТМПН-160, ТМПН-200:
1 – салазки; 2 – заземление; 3 – табличка; 4 – крюк для подъема трансформатора; 5 – воздухоосушитель; 6 – маслорасширитель; 7 – маслоуказатель; 8 – крышка короба; 9 – короб;
10 – вводы; 11 – термометр; 12 – гайка; 13 – скоба; 14 – пластина; 15 – бак; 16 – пробка сливная; 17 – переключатель, 18 – фильтр термосифонный, 19 – скоба [3] холоднокатаной электротехнической стали. Обмотки трансформатора ТМ
ПН-40 — ТМ ПН-200 многослойные цилиндрические изготовлены из провода
АПБ ГОСТ 16512-70. Отводы ВН выполняются проводом, отводы НН — алюминиевыми шинами. Обмотки трансформаторов типа ТМ ПН-400

38 выполнены из медных проводов ПБ ГОСТ 16512-70. Бак трансформатора сварной овальной формы заполняется трансформаторным маслом ГОСТ 982-68 или ГОСТ 10121-76, имеющим пробивное напряжение не ниже 40 кВ.
Трансформато­ры ТМ ПН-63 снабжены ребристыми охладителями, а ТМПН-
100, ТМ ПН-160, ТМ ПН-200, ТМ ПН-400 – радиаторными. К верхней части бака приварены крюки для подъема собранного и залитого маслом трансформатора. В нижней части бака имеется узел заземления и сливная пробка. Конструкция пробки позволяет при частичном отворачивании ее брать пробу масла. В трансформаторах ТМПН-160, ТМПН-200, ТМПН-400 имеется термосифонный фильтр, предназначенный для непрерывной очистки трансформаторного масла от продуктов окисления в процессе эксплуатации трансформатора. Он представляет собой трубу, в которой помещается решетка с силикагелем. В этих трансформаторах в дне бака имеется пробка для удаления продуктов окисления и остатков масла. В трансформаторах ТМ ПН-
400 на стенку бака со стороны высокого напряжения выведены приводы валов блока переключателей. К дну бака приварены салазки с отверстиями для крепления трансформатора к фундаменту. Салазки используются также для перемещения трансформатора. На крышке бака смонтированы: а) приводы переключателей ответвлений обмоток ВН трансформаторов
ТМ ПН -4 0 — ТМ ПН-200. б) термометр для измерения температуры верхних слоев масла; в) съемные вводы ВН и НН , допускающие замену изоляторов без подъема активной части; г) защитный кожух, который защищает вводы от механических повреждений и возможности случайного прикосновения к токоведущ им частям; д) расширитель с маслоуказателем и воздухоосушителем.
Воздухоосушитель предназначен для предотвращения попадания в трансформатор влаги и промышленных загрязнений, поступающих в трансформатор вместе с воздухом при колебаниях температуры масла.

39
Конструктивно воздухоосушитель представляет собой трубу с масляным затвором. Верхний прозрачный колпачок заполняется силикагелем- индикатором по ГОСТ 8984-75, а труба — цеолитом или силикагелем.
Активная часть трансформатора жестко закреплена в баке. Конструкция зажимов на шпильках вводов обеспечивает подсоединение жил кабеля без напаивания наконечников. Сливная пробка бака и крышка бака трансформатора пломбируется.
Для обеспечения герметичности разъемных частей трансформатора применяются уплотнения из маслостойкой резины [3].
2.10 Станция управления погружным асинхронным
электродвигателем
Станция управления предназначена для управления работой и защиты
УЭЦН и может работать в ручном и автоматическом режимах. Станция оснащена необходимыми контрольно-измерительными системами, автоматами, всевозможными реле (максимальные, минимальные, промежуточные, реле времени и т.п.). При возникновении нештатных ситуаций срабатывают соответствующие системы защиты, и установка отключается. Станция управления выполнена в металлическом ящике, может устанавливаться на открытом воздухе, но часто размещается в специальной будке. Существует множество разновидностей СУ, выпускаемых как отечественными, так и зарубежными фирмами [11]. Рассмотрим основные возможности и особенности работы СУ на примере станции управления Электон-05 (рисунок 18).

40
Рисунок 18 – Внешний вид станции управления Электон-05 [12]
Электон-05, как и большинство аналогов, имеет частотно регулируемый привод. Это позволяет, управляя частотой переменного тока подаваемого на обмотки ПЭД, добиться необходимого оптимального режима работы всей установки. Также присутствуют режимы плавного пуска УЭЦН с последующим увеличением частоты, упомянутый выше режим встряхивания, режимы, предназначенные для расклинки ЭЦН. Все эти режимы позволяют более щадяще эксплуатировать УЭЦН, добиться длительной работы без аварий.
Станции Электон-05 имеют следующие возможности контроля и управления работой УЭЦН [12].
1. Ручное и автоматическое (дистанционное) включение и отключение установки.
2. Автоматическое включение установки в режиме самозапуска после восстановления подачи напряжения в промысловой сети.
3. Автоматическую работу установки на периодическом режиме (откачка, накопление) по установленной программе с суммарным временем 4 ч.
4. Автоматическое включение и отключение установки в зависимости от давления в выкидном коллекторе при автоматизированных системах группового сбора нефти и газа.
5. Мгновенное отключение установки при коротких замыканиях и при перегрузках по силе тока на 40%, превышающих нормальный рабочий ток.

41 6. Кратковременное отключение на время до 0 сек, при перегрузках ПЭДа на 0 % от номинала.
7. Кратковременное (20 сек) отключение при срыве подачи жидкости в насос.
Планируя выполнение работы с УЭЦН на разных частотах необходимо учитывать, что при изменении частоты изменяются параметры работы погружного насоса (закон «подобия»), а именно [24]:

Производительность насоса ЭЦН – изменяется линейно (прямо пропорционально изменению частоты);
3 50 50
F
м
Q
Q
сут








где Q – расчетная подача; Q
50
– подача при 50 Гц; F – расчетная частота.

Напор насоса ЭЦН – изменяется в квадратичной зависимости
(относительно изменения частоты);
 
2 50 50
F
H
H
м



 


где: Н – расчетный напор; Н
50
– напор при 50 Гц.

Потребляемая насосом ЭЦН мощность - изменяется в кубической зависимости (относительно изменения частоты);
 
3 50 50
F
N
N
Вт



 


Где: N – расчетная мощность; N
50
– мощность при 50 Гц.

Мощность двигателя ПЭД – изменяется линейно (прямо пропорционально изменению частоты).
Ниже представлены некоторые режимы разгона и работы ПЭД:
1) Режим разгона «Плавный»
В этом режиме изменение частоты происходит равномерно с заданным темпом, как показано на рисунке 19.

42
Рисунок 19 - Изменение выходной частоты в режиме разгона «Плавный» [12]
2) Режим разгона «С синхронизацией»
Режим синхронизации рекомендуется использовать при «тяжелых» пусках ПЭД. В данном режиме пуск ПЭД осуществляется с минимальной частоты, а при достижении выходной частотой значения уставки «частота синхрониз.». В этом режиме увеличение частоты на выходе ПЧ происходит с заданным темпом до некоторого значения (частота синхронизации), поддерживается в течение некоторого времени, затем увеличение частоты продолжается с прежним темпом до конечного значения. Таким образом, полное время достижения заданной частоты будет равно сумме времен разгона и синхронизации, как показано на рисунке 20.
Рисунок 20 - Изменение выходной частоты в режиме разгона «С синхронизацией»
[24]
3) Режим разгона «Толчковый»

43
Толчковый режим используется для работы на нагрузку с большим пусковым моментом. В этом режиме увеличение частоты на выходе ПЧ происходит с заданным темпом до значения уставки «ТОЛЧКОВАЯ
ЧАСТОТА» Fтолч., затем напряжение на выходе увеличивается до значения, заданного уставкой «НАПРЯЖЕНИЕ ТОЛЧКА» Uтолч., (напряжение толчков в процентах от напряжения, соответствующего данной частоте по характеристике
U/F). Время действия повышенного напряжения определяется частотой толчков
(десять периодов), количество толчков задается уставкой «КОЛ-ВО
ТОЛЧКОВ»[12]. Характер изменения выходного напряжения и частоты в режиме разгона «толчковый» показан на рисунке 21.
Рисунок 21 - Изменение выходного напряжения и частоты в режиме разгона «толчковый» [24]
4) Режим разгона «С раскачкой »
Режим раскачки используется для запуска ПЭД с заклиненным ротором.
В этом режиме разгона ПЭД запускается сначала в прямом направлении, затем в обратном и снова в прямом. Изменение выходной частоты происходит с темпом, определяемым уставкой «ТЕМП РАЗГОНА» меню «НАСТРОЙКИ
ПЧ», время разгона в прямом или обратном направлении и время торможения до нулевой выходной частоты составляет десять периодов частоты толчка.
Один цикл раскачки состоит из разгона двигателя в прямом направлении,

44 торможения, разгона в обратном направлении и торможения, количество циклов задается уставкой «КОЛ-ВО ТОЛЧКОВ» [12]. Напряжение при разгоне в прямом и обратном направлении изменяется линейно от нуля до значения, заданного уставкой «НАПРЯЖЕНИЕ ТОЛЧКА». Изменение выходной частоты
СУ при работе в режиме раскачки показано на рисунке 22.
Рисунок 22 - Изменение выходного напряжения и частоты в режиме разгона «с раскачкой» [24]
5) Режим «Встряхивания»
Режим встряхивания используется для предотвращения отложений на рабочих органах погружного насоса. Режим встряхивания представляет собой серии изменений частоты вращения УЭЦН, повторяющиеся с заданным периодом. При работе в данном режиме производится резкое, с заданным темпом, изменение выходной частоты от заданной частоты Fзад., до частоты
F1, работа на частоте F1 в течение заданного времени Твстрях., затем изменение с заданным темпом частоты с F1 до F2, работа на частоте F2 в течение заданного времени Твстрях., (Твстрях принимается равным значению уставки «НЕДОГРУЗ ПЭД ПУСК.ВРЕМЯ») [24], затем производится изменение частоты до рабочей и дальнейшая работа на Fрабочая. Процесс изменения частоты от F1 до F2 повторяется до тех пор, пока не будет выполнено заданное количество встряхиваний Nвстрх. После завершения цикла встряхиваний производится плавное изменение частоты до рабочей. Изменение

45 выходной частоты СУ при работе в режиме встряхивания показано на рисунке
23.
Рисунок 23 – Работа СУ в режиме встряхивания, N
встрх
=2 [24]

46
Имея исходные данные и запланированный дебит, определяется глубина спуска насоса, такая, чтобы содержание свободного газа на приеме насоса было в пределах нормы [5]. По выбранной глубине подвески, типоразмеру обсадных и насосно-компрессорных труб, а также по планируемому дебиту, обводненности, газовому фактору, вязкости и плотности пластовой жидкости и устьевым условиям определяется потребный напор насоса. Далее по планируемому дебиту и рассчитанному напору насоса подбирается установка, характеристики которой наиболее близки к расчетным. Производится пересчет характеристик установки к условиям пластовой жидкости. Далее производится расчет потребной мощности, выбор двигателя, определение минимально допустимой скорости движения жидкости для охлаждения, расчет температуры основных элементов насосной установки и других параметров. В заключении проводится проверка возможности использования выбранной установки для освоения скважины. Более подробно с процессом ручного подбора УЭЦН к скважине можно ознакомиться в пособиях [5,10].
Ниже рассмотрен упрощенный алгоритм ручного подбора УЭЦН к скважине, при низком газовом факторе [10].
Дано:
Таблица 1 – Данные для подбора УЭЦН к скважине
№ скважины
111
Наружный диаметр эксплуатационной колонны
D
146 мм
Глубина H
2200 м дебит жидкости Q
100 м
3
/сут статический уровень hст
850 м
Коэффициент К
К = 50 м
3
/(сут ·
МПа) глубина погружения под динамический уровень h
50 м кинематическая вязкость жидкости ν
2·10
-6
м
2
/с превышение уровня жидкости в сепараторе над устьем скважины hг
10 м избыточное давление в сепараторе Рс
0,25 МПа расстояние от устья до сепаратора l
30 м плотность добываемой жидкости ρж
880 кг/м
3