Рабочие характеристики ЭЦН с предвключенным диспергатором при работе на газожидкостной смеси

Performance curves of ESP fitted with a primary gas handler when operating on gas-liquid mixture

S. PESHCHERENKO, CJSC Novomet-Perm, A. KAPLAN, JSC Gazprom neft NGG
M. PESHCHERENKO, A. IVASHOV, CJSC Novomet-Perm

Предлагается способ увеличения эффективности работы ЭЦН с предвключенным диспергатором при перекачке жидкости, содержащей нерастворенный газ.

Suggestions to improve performance efficiency of ESPs fitted with a primary gas handler while pumping liquids containing undissolved gas.

Стенд для испытаний на ГЖС

В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал о влиянии свободного газа в откачиваемой жидкости на работу центробежного насоса (например [1, 2]). Известно, что характеристики центробежного насоса на газожидкостной смеси ухудшаются по сравнению с его характеристиками на воде. Характерный вид напорно-расходных кривых при различных содержаниях газа в смеси приведен на рис. 1.

Рис. 1. Напорно-расходная и энергетическая характеристики насосной секции ВНН5А-50 (161 ступень) при газосодержаниях от 0% до 55% и давлении на входе 3 атм

Из рис. 1 видно, что:

заметно уменьшается пропускная способность насоса (без газа максимальная подача 100 м³/сут, а при 50% газа — только 38 м³/сут);
снижается величина напора, развиваемого насосом;
возникает немонотонная зависимость напора от подачи в левой зоне рабочей характеристики, которая может привести к нестабильной работе насоса в сети.

Экспериментальное изучение распределения давления вдоль насосной секции (рис. 2), выполненное по аналогии с [1, 2, 3], дополняет картину явления — в присутствии газа первые ступени насоса могут вообще не создать давления, являясь гидродинамическим сопротивлением. В них происходят интенсивное перемешивание газожидкостной смеси, измельчение крупных газовых пузырьков и создание квазиоднородной эмульсии. Чем выше газосодержание в смеси, тем большее число ступеней вовлечено в процесс подготовки смеси и выключено из процесса перекачивания, поэтому эффективность работы насоса становится низкой.

Рис. 2. Распределение давления вдоль насосной секции ВНН5А-50 (161 ступень) при газосодержаниях 0%, 35%, 45%, 50%, начальная подача по жидкости 50 м³/сут

Одним из способов повышения эффективности работы насоса при повышенном газосодержании без использования дополнительных предвключенных устройств является применение так называемых конических насосов, состоящих из пакетов ступеней различных типов с разными номинальными подачами. При этом ступени с большей производительностью размещаются на входе в секцию, с меньшей производительностью — далее по потоку [4]. Считается, что ступени большой производительности пропускают относительно большие объемы нерастворенного газа, постепенно сжимая газ и подавая на следующий пакет ступеней меньшей производительности газожидкостную смесь с меньшим газосодержанием. Тем самым обеспечивается более устойчивая работа «конической» насосной секции с газом по сравнению с обычным центробежным насосом. Однако фактически первые ступени не сжимают газ (т. к. не развивают давления) до тех пор, пока не произошла диспергация смеси (рис. 2: при 45% газа первые 70 ступеней не создают напор). Только после того, как газожидкостная смесь доведена до состояния квазиоднородной эмульсии, каждая последующая ступень насоса вносит свой вклад в повышение давления секции. Поэтому при перекачке жидкости, содержащей нерастворенный газ в любой компоновке секции, первые ступени работают как диспергирующие, а не как напорные. Следовательно, для повышения эффективности насоса возникает необходимость переложить функции подготовки смеси на отдельное предвключенное устройство.

Однако существует возможность напрямую понизить содержание свободного газа в смеси путем отделения большей части нерастворенного газа от жидкости. В этом случае в качестве предвключенного устройства используется газосепаратор, направляющий отделенный газ в затрубное пространство. Такой способ имеет ряд ограничений (например, наличие пакеров, работа в боковых стволах, на горизонтальных участках скважин, запрет на сброс газа в затрубье) и не является универсальным.

В том случае, когда насосом перекачивается вся продукция скважины, в качестве предвключенных устройств используются диспергаторы [5,6] или мультифазные насосы [7,8], основное назначение которых – приготовить и передать в основной насос мелкодисперсную квазиоднородную эмульсию газ-вода-нефть. Интенсивное перемешивание газожидкостной смеси вихревым течением в диспергаторах любых типов или в мультифазных насосах с диспергирующими отверстиями [9] успешно решает проблему приготовления эмульсии. Далее о том, как передать подготовленную смесь в основной насос, сохранив достигнутый уровень дисперсности.

Обычно предвключенное устройство собирается в виде отдельного модуля, устанавливаемого перед нижней секцией основного насоса. В этом случае эмульсия, приготовленная в предвключенном устройстве, перетекает в основной насос через межсекционный промежуток, имеющий некоторую протяженность и вращающиеся детали в виде вала и соединительных муфт, закручивающих поток. Закрутка потока в безлопаточном канале вызывает разделение компонентов газожидкостной смеси на фазы, способствует укрупнению газовых пузырьков и ухудшению дисперсности, частично возвращая состояние, в котором находилась смесь до прохождения предвключенного устройства. В лучшем случае это приводит к снижению устойчивости работы установки в целом, в худшем — к срыву подачи.

Мы предлагаем оптимизировать способ использования предвключенного диспергирующего устройства и максимально повысить эффективность работы установки при наличии свободного газа в перекачиваемой жидкости. С этой целью целесообразно ступени предвключенного насоса размещать на входе в насосную секцию непосредственно перед ступенями основного насоса в одном корпусе с ними. Между ступенями предвключенного и основного насоса тогда помещается направляющий аппарат, являющийся одновременно промежуточным подшипником, обеспечивающим прямолинейность вала. Таким образом, диспергированная газожидкостная смесь, приготовленная в предвключенном устройстве, перетекает в первую ступень основного насоса по переходному каналу минимальной длины, причем стенки проточной части переходного канала, образованные неподвижными поверхностями переходного направляющего аппарата, не вращаются, а значит, не создают закрутку и нежелательную сепарацию потока. В качестве ступеней предвключенного насоса в зависимости от подачи основного насоса могут использоваться либо ступени диспергаторов любого типа, либо ступени лопастных насосов диагонального или осевого типов с диспергирующими элементами.

Преимущества предложенной компоновки подтверждены экспериментами, проведенными нами на стенде для испытаний насосных секций на газожидкостных смесях (рис. 3 – 6).

Рис. 3. Напорно-расходная характеристика насосной секции ВНН5А-50 с предвключенным диспергатором ДН5А-250, смонтированными в разных корпусах, давление на входе 3 атм

Рис. 4. Напорно-расходная характеристика насосной секции ВНН5А-50 с предвключенным диспергатором ДН5А-250, смонтированными в одном корпусе, давление на входе 3 атм

Рис. 5. Напорно-расходная характеристика насосной секции ВНН5А-50 с предвключенным диспергатором ДН5А-250, смонтированными в разных корпусах, давление на входе 5 атм

Рис. 6. Напорно-расходная характеристика насосной секции ВНН5А-50 с предвключенным диспергатором ДН5А-250, смонтированными в одном корпусе, давление на входе 5 атм

В ходе испытаний снимались напорные характеристики 3-метровой насосной секции (128 ступеней) 5А габарита с номинальной подачей 50 м³/сут с предвключенным диспергатором ДН5А-250 (6 ступеней лабиринтного типа по патенту [6]), смонтированными в виде отдельных модулей (рис. 3, 5) и той же насосной секции с тем же предвключенным устройством, смонтированными в одном корпусе (рис. 4,6). Давление на входе поддерживалось на уровне 3 атм (рис. 3, 4) и 5 атм (рис. 5, 6), частота вращения вала составляла 2910 об/мин, рабочая жидкость представляла собой смесь вода + воздух + ПАВ (0,05% дисолвана), газосодержание в смеси изменялось от 0% до предельного, с которым насос продолжал устойчиво работать. Число ступеней основного насоса и число ступеней диспергатора во всех экспериментах оставалось одним и тем же, длина переходного канала между предвключенным и основным насосом при сборке в одном корпусе сократилась в 2 раза.

Из рис. 1 и 3 видно, что использование предвключенных диспергирующих ступеней позволяет избавиться от немонотонного хода напорной кривой в области малых подач, а также увеличить рабочий интервал подач (без диспергатора максимальная подача при 50% газа — 38 м³/сут, с диспергатором – уже 53 м³/сут). Если же поместить предвключенные ступени внутрь насосной секции (рис. 4), предельное газосодержание, с которым насос продолжает устойчиво работать, вырастет до 55% (т. е. еще на 5%), максимальная подача также возрастет (до 62 м³/сут при 55% газа), и напор, развиваемый секцией, увеличится. Все эти тенденции сохраняются и при давлении на входе 5 атм (рис. 5, 6).

Выводы

Устойчивая работа насосной секции на жидкостях, содержащих нерастворенный газ, требует предварительной диспергации смеси в устройстве специальной конструкции — диспергаторе. Предвключенные ступени, предназначенные исключительно для сжатия смеси, также сначала будут диспергировать, а уже потом сжимать смесь, поэтому их использование без дополнительных диспергирующих элементов не оправдано.
Эффективность работы установки, состоящей из предвключенного диспергатора и основного насоса, можно увеличить, размещая диспергирующие ступени непосредственно перед ступенями основного насоса в одном корпусе с ним. При этом увеличатся также рабочий диапазон подач, напор, развиваемый насосом, и величина предельного газосодержания, с которым насосная секция будет устойчиво работать.

Сергей 24.03.2012, 10:12 ссылка

Как же это мы определяем кпд, когда насос, по сути, работает и как компрессор одновременно?

Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей

Сергей 24.03.2012, 10:45 ссылка

И вообще, можно ли говорить о кпд насоса, когда несколько секций ступеней не работает?

Комментарии посетителей сайта