Электрооборудование нефтяной промышленности

та. Погружной насос имеет большое число ступеней, каждая из них состоит из рабочего колеса и направляющего аппарата, собранных на валу и вставляемых в стальную трубу — корпус насоса. Нижняя часть насоса с полостью всасывания жидкости отделена от протектора и двигателя сальником.

В СССР серийно выпускаются центробежные насосы ЭЦН около 30 типоразмеров с подачей от 40 до 500 м3/сут и номи­ нальным напором 445— 1480 м.

Для работы в сильно обводненных скважинах с содержани­ ем в жидкости повышенных количеств песка были разработаны и внедрены в эксплуатацию износостойкие насосы ЭЦН с

260

некоторыми конструктивными изменениями (применены рези­ на, пластмасса, хромистые стали), что повысило стойкость на­ соса против износа и коррозии.

8.2. Мощность электродвигателей для станков-качалок

Чтобы определить мощность электродвигателя для привода станка-качалки, необходимо знать подачу насоса и глубину его подвески, а также некоторые параметры насоса и станка.

Существует несколько формул для определения мощнос­ ти. Остановимся на двух из них, дающих достаточно хорошие результаты при выборе двигателей по нагреву для станков-ка­ чалок нормального ряда.

Согласно формуле Б. М. Плюща и В. О. Саркисяна, эффек­

шипа, которым учитываются потери в редукторе и клиноремен­ ной передаче (0,96—0,98); Кг— коэффициент, зависящий от типа станка-качалки; /С2 — коэффициент, значение которого мо­

дачи установки, представляющий собой отношение фактической подачи установки Q к теоретической подаче QT, определяемой полным объемом, описываемым плунжером при равенстве хода последнего ходу устьевого штока 5.

Фактически ход плунжера меньше 5 вследствие деформации штанг и труб. Часть объема, освобождающегося под плунже­ ром при ходе его вверх, остается незаполненной вследствие на­ личия газа в цилиндре и запаздывания открытия и закрытия клапанов, часть жидкости утекает через неплотности. Значения

261

подбирается двигатель с номинальной мощностью Рн так, что­ бы Рн^Рэ. При разработке новых серий электроприводов стан­ ков-качалок или выполнении специальных исследований, когда необходимо получить более точные данные для выбора двига­ теля, строят нагрузочные диаграммы P —f{t). Построение после­ дних, а также исследование переходных процессов электропри­ вода основываются на составлении и решении уравнения дви­ жения электропривода. Имея нагрузочную диаграмму, методом эквивалентного тока или мощности находят необходимую номи­ нальную мощность электродвигателя.

Выбранный по условиям нагрева двигатель не во всех слу­ чаях будет удовлетворять требованиям работы в приводе стан­ ка-качалки. Он должен удовлетворять условиям пуска станкакачалки и условиям преодоления пиков нагрузочного момента при работе установки. При пуске станка-качалки двигатель должен развивать момент, обеспечивающий преодоление ста­ тического момента сопротивления и некоторый избыточный момент, необходимый для ее разгона до установившейся ско­ рости. Статический момент сопротивления при пуске превышает соответствующий момент при установившемся режиме вследст­ вие увеличенных сил трения, обусловленных заеданием дви­ жущихся частей, выжиманием смазки, наличием песчаных пробок.

Протекание пускового процесса зависит также от начально­ го положения кривошипа станка и от того, как изменяется на­ грузка непосредственно после начала пуска. Следует также учитывать, что в случае снижения напряжения в питающей се­ ти во время пуска двигателя соответственно уменьшается на­ чальный пусковой момент двигателя.

262

Расчеты и практика показывают, что при Мп/Л1ном=2 ус­ пешно запускаются все типы станков-качалок, причем время разгона для малых и средних станков составляет 0,5—5 с, а для некоторых типов тяжелых станков возрастает до 4— 10 с. Дви­ гатели с кратностью пускового момента 1,8—2 следует считать пригодными для привода станков-качалок.

ность перегрузок двигателя возрастает в случае использования насосов малых диаметров при больших частотах качаний и больших длинах хода, большой глубине подвески насоса. По­ этому наибольшие значения /Сстшах относятся к этим условиям.

Обычно кратность максимального момента по отношению к номинальному у асинхронных двигателей привода станков-ка­ чалок составляет 2,1—2,8, что обеспечивает надежную работу электропривода с перегрузками и при значительных снижени­ ях напряжения в питающей сети.

Даже при идеальном уравновешивании станка-качалки гра­ фик нагрузки двигателя остается неравномерным, так как не уничтожаются ее пульсации, определяемые законом изменения скорости точки подвеса штанг. Вследствие этого к. п.д. и cosq) асинхронного двигателя снижаются против номинальных, соот­ ветствующих постоянной нагрузке, даже при условии равенст­ ва номинальной мощности Рн среднеквадратичной мощности нагрузки Рэ. При ухудшении уравновешивания увеличивается коэффициент формы нагрузочного графика Кф. Недогрузка двигателя по нагреву, т. е. работа при РЭ> Р Н, в свою очередь, снижает его к. п.д. и cosqp. При работе двигателя с периоди­ чески меняющейся нагрузкой его к. п. д. и cos ср зависят от ко­ эффициента формы нагрузочного графика /Сф и соответственно от к. п. д. и cos ср при постоянной во времени нагрузке.

где Рср — средняя мощность на валу двигателя за цикл; АР —* среднее значение потерь мощности в двигателе за цикл.

Выбрав двигатель по эквивалентной (среднеквадратичной) мощности Рэ(Рн^Рэ) и обозначив к. п. д., соответствующий эквивалентной мощности т|э, получим

263

Из формулы (8.8) видно, что т]ц тем сильнее зависит от коэф­ фициента формы нагрузочного графика, чем меньше Т1э.

Эксплуатационный коэффициент мощности при циклической нагрузке cos фц определяется, исходя из формулы

где Picp — средняя активная мощность, потребляемая трехфаз­ ным двигателем из сети за цикл нагрузки; 11э— среднеквадра­ тичное за цикл нагрузки значение силы тока статора двигате­ ля; U1— линейное напряжение сети.

Учитывая, что

При помощи формул (8.8) и (8.13) можно вычислить зна­ чения г]ц и соэфц в зависимости от коэффициента формы на­ грузочного графика Кф для различных степеней загрузки дви­ гателя Кэ = Рэ/Рн‘ От величины Кз зависит rja и соэфэ данного двигателя. Как указывалось уже ранее, чем лучше уравнове­ шен станок-качалка, тем меньше Кф. Например, для станкакачалки, приводящего в действие насос диаметром 56 мм, при ускорении перемещения точки подвеса штанг 0,5 м/с2 коэффи­ циент формы нагрузочного графика изменяется от 1,46 при идеально уравновешенном станке-качалке до 3,94 при неурав­ новешенном.

264

к неуравновешенному снижается от 0,834 до 0,65, а соэфц от 0,605 до 0,312.

Эти коэффициенты уменьшаются интенсивнее, если двига­

полностью уравновешенном станке-качалке двигатель будет ра­

часто применяют короткозамкнутый асинхронный двигатель в закрытом обдуваемом исполнении. Асинхронные короткозамк­ нутые двигатели единой серии А02 не обладают достаточным начальным пусковым моментом, кратность которого составляет

ментом АОП2, у которых Мп/Мном=1,8ч-2 при кратности пуско­ вого тока 5,5^7, и с повышенным скольжением АОС2, у кото­ рых кратность пускового момента еще выше (2,6—3,3) при кратности пускового тока 4,5-^8,2.

У двигателей АОС2 номинальное скольжение в 2—3 раза больше, а номинальный к. п. д. значительно меньше, чем у дви­ гателей АОП2. В то же время кратность пускового момента у двигателей АОП2 в большинстве случаев оказывается доста­ точной. Поэтому для привода станков-качалок применяют дви­ гатели АОП2. Так как двигатели е синхронной частотой враще­ ния 1500 об/мин имеют более высокие номинальные к. п. д. и cos ф и меньшую массу, чем двигатели с меньшей синхронной частотой вращения, то им отдают предпочтение. Лишь при ма­ лых частотах качания (меньших 8 1/мин) станка-качалки, ког­ да при минимальном диаметре шкива двигателя и нормальном редукторе не обеспечивается нужная частота качаний, приме­ няют двигатели на 1000 об/мин.

Двигатели АОП2 — общепромышленного назначения не пол­ ностью отвечают условиям работы на открытом воздухе и ока­

/мин имеют кратность пускового момента АГп/МНом=2. Габарит­ ные размеры этих двигателей меньше, чем размеры двигателей АОП2, и в них применена более нагревостойкая изоляция. Двигатели серии 4А начинают применять для новых установок станков-качалок.

Вычисленные по формуле (8.13) значения коэффициента

2 65

Т а б л и ц а 8.1

О сн овны е технические дан н ы е д ви гател ей серии 4А н а 380 В д л я п ри вод а стан к о в -к ач ал о к

мощности, соответствующие номинальным значениям cos срэ асинхронных двигателей, для практических условий эксплуата­ ции станков-качалок лежат в пределах 0,55-ь0,64 в зависимо­

к разработке приводов с синхронными двигателями для стан­ ков-качалок. Развитие полупроводниковой техники позволило применить в этом случае маломощные синхронные двигатели с питанием обмотки возбуждения от сети переменного тока че­ рез компактные полупроводниковые выпрямители.

В физико-энергетическом институте АН Латвийской ССР были разработаны бесконтактные синхронные двигатели СДБ81-4 и СДБПК81-4 мощностью 20 кВт, которые успешно прошли опытную эксплуатацию на нефтепромысле объедине­ ний «Азнефть» и «Татнефть» в приводе станков-качалок. Наме­ чен серийный выпуск подобных двигателей для нефтяной про­ мышленности на 380 В и 1500 об/мин:

266

Начальный пусковой момент этих двигателей Мп=(1,2 -^ 1,8) Мном, пусковой ток / п= (3,5ч-5)/ном, входной момент Мт =

=(0,25-^0,35) Миом, максимальный момент M m ax^ lJ МномНесмотря на небольшую кратность входного момента, дви­

ния, расположенные в подшипниковых щитах. Роторы двига­ телей снабжены пусковой беличьей клеткой, полюсными нако­ нечниками прямоугольной формы и торцевыми короткозамыкающими кольцами. Питание обмотки возбуждения осуществля­ ется от сети переменного тока через полупроводниковый вы­ прямитель. Имеется схема питания этой обмотки через систему автоматического регулирования напряжения возбуждения и управления пуском электродвигателя. Эти двигатели при но­ минальной нагрузке работают с coscp=l, а при снижении на­ грузки генерируют реактивную мощность, отдавая ее в пита­ ющую сеть и тем самым повышая результирующий коэффици­ ент мощности сети, к которой присоединены асинхронные дви­ гатели.

Применяемый в настоящее время на всех промыслах СССР

асинхронный и новый синхронный привод станков-качалок не предусматривают регулирования частоты вращения электро­ двигателя. Между тем условия эксплуатации глубиннонасосной установки требуют применения регулируемого привода. Во-пер­ вых, в начальный период эксплуатации скважины должен быть установлен оптимальный режим отбора жидкости, обусловлен­ ный геологическими и технико-экономическими факторами. Для установления такого режима необходимо плавно изменять частоту качаний балансира, соответственно меняя темпы отбо­ ра жидкости из скважины и определяя ее дебит при каждом новом положении динамического уровня. Во-вторых, с течени­ ем времени по мере использования насоса производительность скважины начинает уменьшаться, все больше отклоняясь от оптимальной. Длительная работа скважины в оптимальном ре­ жиме может быть обеспечена, если по мере износа насоса бу­ дет соответственно увеличиваться частота качаний станка-ка­ чалки.

В настоящее время скважину останавливают и насос извле­ кают из нее для ремонта при уменьшении коэффициента пода­ ча насоса в 2 раза против начального значения. При регулиру­ емом электроприводе возможно увеличение межремонтного пе­ риода работы насоса и сокращение времени простоев скважи­ ны, обусловленных необходимостью смены насоса.

267

В-третьих, имеются такие скважины, на которых необходимо постепенно увеличивать частоту качаний после пуска скважи­ ны вследствие большого содержания песка в откачиваемой жидкости.

Смена шкивов не дает возможности плавно изменять часто­ ту качаний, вызывает простои скважины на время перестанов­ ки шкивов и может приводить к нежелательным изменениям режима скважины. Поэтому актуально создание нового регу­ лируемого электропривода станков-качалок.

Для регулирования частоты вращения двигателей можно использовать асинхронные каскады, двигатели постоянного то­ ка, питаемые от регулируемых выпрямителей, многоскоростные асинхронные двигатели, синхронные двигатели с коробками пе­ редач и др. Возможно применение двигателей переменного то­ ка с плавным регулированием частоты их вращения путем из­ менения частоты тока, достигаемого применением полупровод­ никового преобразователя частоты.

Исследования для создания регулируемых приводов по­ стоянного тока с двигателями, питаемыми через управляемые выпрямители, а также частотно-регулируемых приводов пере­ менного тока для станков-качалок ведутся в АЗИННЕФТЕХИМе им. Азизбекова. Институтом АЗНИИЭТИ разработан короткоцикловый электропривод станков-качалок на основе двухскоростного асинхронного двигателя на 750 и 1500 об/мин.

8.4. Электроснабжение и управление двигателями станков-качалок

Остановка большей части глубиннонасосных установок при прекращении подачи электроэнергии связана только с потерей нефти, определяемой прекращением ее откачки из скважины, и не вызывает серьезных осложнений при дальнейшей эксплуа­ тации. Такие установки относятся к II категории надежности электроснабжения. Глубинно-насосные установки в нефтенос­ ных районах со сложными условиями эксплуатации, где оста-

268

£(/0)/Д4кВ-

новка насоса приводит к осложнениям при последующем пуске скважин (например, вследствие образования песчаных пробок), относятся к I категории.

Питание глубиннонасосных установок осуществляется при напряжении 0,38 кВ от устанавливаемых на скважинах ком­ плектных трансформаторных подстанций (КТП) 6/0,4 кВ, пи­ таемых, в свою очередь, при помощи воздушных линий (рис. 8.4). На некоторых промыслах сохранились схемы с подведе­ нием к двигателям станков-качалок напряжения 380 В непо­

не снабженной АПВ и не имеющей связи с другими линиями, что могло бы обеспечить необходимое резервирование. Однако в настоящее время достижения в области исследования надеж­ ности электроснабжения позволяют установить категорийность объектов нефтедобычи с позиции таких экономических поня­ тий, как расчетные годовые затраты на электроснабжение, ми­ нимизация которых позволит выбрать схему электроснабжения и решить вопрос о целесообразности применения резервных линий электропередачи. Анализ в большинстве случаев не дает оснований считать глубиннонасосные установки, относящимися к I категории надежности, для которых необходимо предусмат­ ривать питание от двух независимых источников тока с авто­ матическим резервированием.

Для повышения надежности электроснабжения скважин, оборудованных глубиннонасосными установками, следует стре­

269