Р.С. Камалетдинов Применение приводов УЭЦН на основе вентильных электродвигателей.

Применение приводов УЭЦН на основе вентильных электродвигателей.

Р.С. Камалетдинов.

Успехи в совершенствовании конструкции и технологии производства установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) не снимают задачу улучшения их функциональных, ресурсных и энергетических характеристик.

Основные направления модернизации отечественных и зарубежных установок погружных электронасосов базируются на:

замене применяемых материалов на новые, характеристики которых более соответствуют условиям их работы;

конструктивных доработках отдельных узлов УЭЦН, среди которых следует выделить изменение конфигурации ступеней насосов с целью расширения их рабочей зоны напорно-расходной характеристики и повышения КПД.

Модернизация обеспечила существенный рост надежности выпускаемых УЭЦН. Однако добиться повышения КПД погружных электродвигателей за счет новых конструктивных решений и замены материалов пока не удалось. За последние 15 — 20 лет этот показатель практически не повышался, и сегодня он находится в интервале 82 — 85% (2-полюсные ПЭД для УЭЦН) и 70 — 78% (4-полюсные ПЭД для УЭВН). Таким образом, во всех серийно выпускаемых погружных асинхронных электродвигателях от 15 до 30% электрической мощности выделяется в виде тепла. При определенных режимах работы УЭЦН перегрев электродвигателей приводит к существенному снижению ресурса установки в целом.

Задача снижения перегрева двигателя сводится к проблеме повышения его КПД. В то же время КПД определяет уровень энергопотребления при эксплуатации УЭЦН, составляющего значительную часть расходов на извлечение нефти на поверхность.

Таким образом, создание погружного электродвигателя с высоким значением КПД обеспечивает не только существенное снижение энергопотребления при добыче нефти, но и повышение ресурса УЭЦН.

Возможности дальнейшего повышения параметров энергетической эффективности погружных асинхронных двигателей практически исчерпаны, поэтому около десяти лет назад по техническому заданию ОАО «ЛУКОЙЛ» были начаты работы по созданию приводов погружных центробежных насосов на основе вентильных электродвигателей с постоянными магнитами в роторе. Помимо улучшения, по сравнению с ПЭД, энергетических характеристик возможность регулирования частоты вращения вентильных электродвигателей существенно повышает технологические возможности при эксплуатации УЭЦН.

Вентильные электродвигатели типа ВД конструкции ООО «РИТЭК-ИТЦ» имеют принципиальное отличие от вентильных электродвигателей других разработчиков, которое определяется выбранным диапазоном частоты вращения: диапазон регулирования частоты вращения двигателей ВД — до 3600 об/мин.

Возможность регулирования частоты вращения, которая имеется у вентильных электродвигателей ВД, используется, в основном, для компенсации неточностей подбора оборудования, а также для оптимизации работы системы «насос — пласт» в случае изменений параметров пласта.

Можно также в определенных пределах по частоте вращения и времени работы УЭЦН увеличить частоту вращения для обеспечения требуемой подачи и напора при износе насоса. Оптимальным является диапазон регулирования частоты вращения 2500 — 3600 об/мин, который принят для УЭЦН с приводом на основе ВД.

Обоснованность такого подхода подтверждает диапазон регулирования частот — до 70 Гц, принятый в частотных преобразователях станций управления для УЭЦН с ПЭД.

Однако вентильные двигатели типа ВД обладают совокупностью характеристик, которые обеспечивают их существенные преимущества перед асинхронным приводом ЭЦН, имеющим возможность регулирования частоты вращения при работе с преобразователем частоты (табл.).

Снижение энергопотребления при замене в УЭЦН ПЭД на ВД обеспечивается за счет:

• более высоких значений КПД двигателей ВД. С учетом КПД станции управления вентильным электродвигателем КПДсу = 0,96 и КПДвд = 0,915 (в долях ед.) общее КПД вентильного привода КПДо = 0,96 х 0,915 = 0,88, то есть на 4% выше КПД асинхронного ПЭД.

• более низких значениях рабочего тока. Например, снижение потерь мощности в кабеле при номинальных значениях тока, приведенных в табл., составляет 35%;

• возможности регулирования частоты вращения. Так, при частоте вращения насоса 2800 об/мин потребляемая насосом мощность на 11% меньше, чем при номинальной частоте вращения 2910 об/мин.

Первые УЭЦН с вентильными приводами в ОАО «ЛУКОЙЛ» были запущены в эксплуатацию в начале 2002 г. По состоянию на ноябрь 2006 г. такими установками оборудовано 430 скважин.

Возможность регулирования частоты вращения вентильного привода реализована в 87% скважин, эксплуатируемых УЭЦН с КП ЭЦН ВД. (рис.), при этом 76% — ЭЦН с ВД работают при частотах вращения ниже номинальных значений, а 11% — с частотами вращения выше номинальных значений.

Работа УЭЦН с вентильными приводами с частотой вращения ниже номинального значения позволяет:

• компенсировать погрешность подбора насоса и снижения продуктивности скважины;

• отказаться от подъема установки для замены насоса на меньший типоразмер;

• работать при стабильном динамическом уровне и исключить его снижение до уровня, ниже минимально допустимого;

• отбирать продукцию из скважин с малыми притоками, которые с использованием серийного оборудования могут эксплуатироваться только в периодическом режиме.

Работа УЭЦН с частотой вращения выше номинального значения позволяет:

• увеличить отбор продукции из скважины без подъема установки;

• увеличить подачу насоса при его износе, приводящем к снижению производительности.

В последние годы фонд скважин, оборудованных винтовыми насосами, имеет тенденцию к увеличению. Выпускаемые отечественные винтовые насосы рассчитаны на частоту вращения 1380 об/мин. Общеизвестно, что винтовые насосы с поверхностным приводом, имеющие высокие наработки, работают в диапазоне частот вращения от 70 до 500 об/мин. Погружных асинхронных электродвигателей на такую частоту вращения нет. Попытки использовать в составе УЭВН понижающий редуктор пока положительных результатов не дали.

ООО «РИТЭК-ИТЦ» на базе вентильных электродвигателей ВД был разработан ряд низкооборотных высокомоментных вентильных электродвигателей с регулируемым диапазоном частоты вращения 250 — 1500 об/мин. В настоящее время действующий фонд скважин, эксплуатируемый УЭВН с низкооборотными вентильными электродвигателями, составляет более 80 единиц.

Так как отечественные низкооборотные винтовые насосы для УЭВН серийно не выпускаются, то установки укомплектованы в основном серийными насосами с подачей от 25 до 63 м3/сут., которые при рабочей частоте вращения в диапазоне 300 — 700 об/мин. обеспечивают требуемую подачу и напор. Незначительное снижение КПД насосов ЭВН при уменьшении частоты вращения компенсируется более высоким КПД ВВД по сравнению с 4-полюсным ПЭД. За счет снижения частоты вращения наработки на отказ установок увеличились в 2 — 10 раз. Внедрение низкооборотных УЭВН позволило не только поднять наработку на отказ установок, но и ввести в эксплуатацию ряд скважин из бездействующего фонда.

Несмотря на достигнутый рост наработки на отказ УЭВН с российскими ЭВН и вентильными приводами, их наработки ниже средних значений наработок на отказ импортных винтовых насосов с поверхностным приводом. Причина — недостаточный уровень качества эластомеров, применяемых в российских винтовых насосах.

Созданное ООО «РИТЭК-ИТЦ» с фирмой NETZSCH (Германия) совместное предприятие «РН-КНО» поставляет нефтедобывающим предприятиям установки УЭВН с винтовыми насосами NSPCP и приводами КП ЭВН ВВД.

Результаты эксплуатации привода на основе вентильного электродвигателя, полученные по итогам работы достаточно большого количества УЭЦН в различных нефтедобывающих регионах, позволяют сделать вывод о том, что поставленная разработчиками цель — повысить функциональные, энергетические и ресурсные характеристики УЭЦН с приводом на основе ВД — достигнута.