Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ литературных источников и постановка задач исследования 8
1.1. Обзор методов регулирования параметров УЭЦН 8
1.2. Выводы о способах регулирования характеристики УЭЦН 19
1.3. Обзор критериев, ограничивающих диапазон частот вращения .. 20
1.4. Обзор критериев гидравлической части 23
1.4.1. Перекачивание газированной жидкости 23
1.4.1.1. Влияние изменения режимных параметров центробежного колеса на критическое газосодержание 27
1.4.1.2. Влияние изменения геометрических параметров центробежного колеса на критическое содержание газа 31
1.4.1.3. Влияние изменения скорости вращения колеса 39
1.4.2. Осевая сила 41
1.4.3. Изменение оптимальной рабочей области 44
1.5. Выводы о влиянии гидравлических факторов 51
1.6. Обзор методик проектирования ступени насоса 52
1.7. Выводы о методах проектирования ступеней 56
1.8. Выбор диапазона скоростей для исследования 56
1.9. Выводы по первой главе 59
1.10. Постановка задач исследования 61
Глава 2 Теоретическая часть 62
2.1. Система сил, действующая на частицу жидкости в проточной части колеса насоса 62
2.2. Расчеты в программе SolidWorks, Flo Works 71
2.2.1. Описание компьютерной модели 75
2.2.2. Результаты программных расчётов 83
2.3. Выводы из компьютерных расчетов 85
Глава 3 Экспериментальная часть 87
3.1. Технология изготовления ступеней 87
3.2. Геометрия испытуемых ступеней 88
3.3. Описание стенда 92
3.4. Методика проведения испытаний 97
3.4.1. Снимаемые в ходе испытаний параметры и приборы для их измерения 97
3.4.2. Методика проведения испытаний и обработки результатов эксперимента 97
3.4.3. Определение величин погрешностей экспериментальных данных 100
3.4.4. Погрешность измерения частоты вращения вала насоса 100
3.4.5. Погрешность измерения напора насоса 101
3.4.6. Погрешность определения мощности на валу насоса 102
3.4.7. Погрешность измерения подачи насоса 103
3.4.8. Погрешность определения к.п.д. насоса 103
3.5. Результаты натурных экспериментов 104
3.5.1. Анализ результатов натурных экспериментов 112
3.5.2. Сравнение результатов натурных и компьютерных экспериментов 114
3.6. Методика проектирования ступени частотно-регулируемого погружного электроцентробежного насоса 117
Заключение 130
Литература 132
Приложение1
- Обзор критериев, ограничивающих диапазон частот вращения
- Влияние изменения геометрических параметров центробежного колеса на критическое содержание газа
- Расчеты в программе SolidWorks, Flo Works
- Снимаемые в ходе испытаний параметры и приборы для их измерения
Введение к работе
Значительное количество нефти, добывается в России с использованием установок погружных электроприводных центробежных насосов (УЭЦН). При этом большая доля добычи приходится на районы со сложными климатическими условиями, и удалённые от производителей нефтепромыслового оборудования, что влечёт за собой повышенные затраты на доставку и хранение насосных установок.
Добыча нефти сопровождается осложнениями, параметры которых могут изменяться в широких пределах в течение достаточно короткого промежутка времени (сравнимого с межремонтным периодом УЭЦН). Это вызвано ухудшающейся в процессе добычи проницаемостью пород, изменением режимов отбора жидкости и закачки для поддержания пластового давления (1ШД); изменением обводнённости, плотности жидкости, газового фактора, вязкости жидкости и т.д. При достаточно больших межремонтных периодах работы насосной установки (300-900 суток) эти осложнения приходятся на период эксплуатации одной установки. Все эти параметры оказывают существенное влияние на режим работы системы скважина — насосная установка. Кроме того, существует значительное число различных осложнений, которые могут и не изменяться в процессе работы насосной установки, однако они также сильно влияют на её эксплуатацию. Наиболее часто встречающаяся проблема — это большое содержание нерастворённого (свободного) газа (большой газовый фактор) в жидкости на приёме насоса. Большой газовый фактор сопутствует эксплуатации УЭЦН как на ранних стадиях разработки, так и на завершающих. Кроме того форсированный отбор нефти, получающий всё большее распространение ведёт к высокому газосодержанию на приёме насоса. Однако, газ имеет двоякое влияние: с
одной стороны отрицательное, с другой- положительное. Высокое входное газосодержание, приводит к существенному снижению развиваемого давления и подачи насосной установки. Нередки случаи, когда повышенное газосодержание на приёме насоса приводит к срыву подачи установки. Однако, актуальную задачу сокращения потребления электроэнергии можно решить при помощи использования полезной работы газа в насосно-компрессорных трубах (НКТ). То есть необходимо, чтобы как можно больше газа попадало в НКТ. Поэтому создание УЭЦН способного перекачивать газожидкостную смесь с высоким содержанием свободного газа является актуальной задачей.
Эффективное использование УЭЦН в течение его периода эксплуатации требует согласования параметров системы скважина-погружная установка. Однако этого не всегда удаётся добиться в связи с тем, что существующие установки имеют достаточно небольшую рабочую зону. Диапазон рабочих параметров ограничивается целым рядом разносторонних факторов.
В связи с этим, безусловно, актуальной является задача синхронизации параметров системы "скважина-насос", т.е. необходимость регулирования параметров (обычно расход и напор) насосной установки. Представляется перспективным осуществление такой синхронизации путем изменения частоты вращения вала насоса (частотное регулирование). За последние годы произошло существенное развитие оборудования, позволяющего задавать частоту вращения ротора'насосной установки'более 10000 об./мин. Разработка новых конструкций высокооборотных (т.е. выше 3000 об./мин.) УЭЦН является комплексной задачей, которая требует не только применения новых материалов, но и новых конструктивных схем, новой геометрии проточных каналов, новых конструкций электродвигателей и т.д.
Поэтому применение насосных установок способных адаптироваться к
изменяющимся в широких пределах параметрам скважины и перекачивать при этом газожидкостные смеси с большим содержанием нерастворенного газа является актуальной задачей.
Учитывая изложенное выше, целью данной диссертации является повышение эффективности эксплуатации скважин УЭЦН с частотно-регулируемым электроприводом при повышенных частотах вращения.
Обзор критериев, ограничивающих диапазон частот вращения
Для выявления направлений совершенствования УЭЦН с частотно-регулируемым приводом необходимо определить какие-либо параметры установки и рассматривать их зависимость от частоты вращения независимо друг от друга.
Это в первую очередь гидравлические, механические и электрические параметры. Поэтому при анализе влияния изменения частоты вращения при эксплуатации УЭЦН, необходимо учитывать изменение названных факторов и ограничений, которые они накладывают на диапазон изменения частоты. В! связи с этим при проведении анализа влияния частоты вращения на работу УЭЦН нужно разделить критерии на: механические, гидравлические, электрические.
При увеличении скорости вращения вала насоса происходит увеличение подачи и напора насоса, следовательно, это приводит к росту потребляемой мощности, т.е. к росту нагрузок на силовые элементы (например вал, шлицевые и шпоночные соединения, лопасти центробежных колес).-Повышение нагрузки и скорости вращения увеличивает скорость изнашивания. Увеличение скорости вращения увеличивает силы трения , что приводит к увеличению нагревадеталей, поэтому сюда же относится тепловой критерий. Таким образом, к механическим критериям относятся: прочностные, трибологические, тепловые. Кроме того увеличение частоты вращения требует повышения сбалансированности ротора УЭЦН [22].
С точки зрения гидравлики увеличение подачи насоса вследствие увеличения скорости вращения приводит к увеличению гидравлического сопротивления, что может привести к дегазации жидкости (кавитации) из-за снижения давления в проточных каналах за лопатками центробежных колес в начальных ступенях. Вследствие того, что поток жидкости поворачивает в центробежном колесе, то есть происходит изменение импульса скорости жидкости. Кроме того, из-за различных размеров площадей дисков колеса, на колесо действует осевая сила, которая увеличивается с ростом числа оборотов ротора насоса. Так же необходимо принимать во внимание нагрев перекачиваемой жидкости, а, соответственно, связанное с этим изменение её свойств. То есть к гидравлическим критериям относятся такие как: сепарация составляющих жидкости (кавитация), изменение осевой силы, действующей на колёса, изменение коэффициента полезного действия (КПД), тепловой нагрев жидкости и как следствие снижение вязкости, выделение газа, отложение солей.
Электрооборудование насосной установки так же накладывает ряд ограничений. В настоящий момент, управление частотой вращения ротора насосной установки происходит за счёт изменения частоты питающего электрического тока. Увеличение частоты тока приводит к росту реактивных потерь, что компенсируется увеличением напряжения. Повышенное значение напряжения негативно сказывается на долговечности электроизоляционных материалов, полупроводниковых элементах станции управления. Отмечается [84], что станции частотного регулирования генерируют во внешнюю сеть электрические колебания, что приводит к невозможности установки на кусте скважин нескольких УЭЦН с частотными преобразователями без использования активно-ёмкостных фильтров. Классификация вышеупомянутых критериев представлена на рисунке 6.
В настоящее время задача повышения механической прочности и износостойкости решается за счёт подбора материалов и в настоящее время можно считать решена. Задача снижения влияния электрических факторов представляется не менее значимой, чем остальных, однако целью данного исследования она не является.
Поскольку целью работы является повышение эффективности откачки-скважинной жидкости с помощью ЭЦН с возможностью частотного регулирования, а повысить эффективность предполагается за счет изменения геометрии ступени ЭЦН, то далее будут рассмотрены только гидравлические факторы. Рассмотрим гидравлические критерии по порядку: разделение жидкости на составляющие, изменение осевой силы, изменение КПД и других удельных величин, тепловые
Пластовая жидкость представляет собой смесь нефти воды и свободного и растворенного в них газа. При давлении выше давления насыщения весь газ растворён в жидкости. При снижении давления до давления насыщения и ниже газ выделяется из жидкости.
Как правило, в процессе добычи на приёме насоса находиться определенное количество газа.
Наличие газа действует двояко: с одной стороны он имеет негативное влияние на напорную характеристику насоса (рис. 7), а с другой стороны газ, попавший в НКТ, поднимаясь вместе с жидкостью, совершает работу. За счет такого эффекта газлифта, который может достигать 300-700 метров [28,29,30] можно снизить необходимый напор насоса, а соответственно и потребляемую мощность, кроме того, насос, способный пропускать больше газа при его прорыве из пласта не приводит к остановке откачки, что увеличивает эффективность добычного оборудования. Поэтому представляется интересным повысить допустимое газосодержание на входе в насос.
Перекачке газожидкостных смесей ЭЦН посвящено множество исследований [1-4, 43,51,62]. Эти исследования в основном были направлены на создание дополнительных устройств позволяющих или отделять газ, или подготавливать (например, диспергировать) жидкость перед входом в насос. Отдельного внимания заслуживает компоновка насосного оборудования по схеме «Тандем» [27, 28, 29], которая позволяет подавать выделившийся газ в НКТ через насос-эжектор, что значительно расширяет область применения УЭЦН. Однако погружной насос, как и прежде, нуждается (в случае большого количества свободного газа) в газосепараторах, диспергаторах.
Известно, что характер снижения напорной характеристики, а так же области выделения газа из жидкости и скопления в проточных каналах схожи явлениями происходящими во время процесса кавитации [36,44]. Поскольку исследований по предотвращению кавитации за счет изменения геометрии проточной части центробежного насоса, предвключенных устройств, а так же по возможности работы насоса при возникновении паровых полостей и за счёт других мер больше, чем работ по возможности перекачивания газожидкостной смеси ЭЦН, то часть графиков далее будет приведена из работ по исследованию кавитации. Вследствие достаточно большого погружения ЭЦН под уровень жидкости, то есть достаточно большого давления на приёме насоса кавитация возникать не будет. Однако, дальнейшее употребление этого термина в работе будет происходить из-за схожести явлений при возникновении кавитации и при перекачки газожидкостных смесей.
Влияние изменения геометрических параметров центробежного колеса на критическое содержание газа
Результаты экспериментальных и исследований потока в межлопастных каналах, представленные в работах [43,62], позволяют представить картину течения жидкости в рабочем колесе при различных режимах работы центробежного насоса и достаточных для предотвращения кавитации значениях давления на входе (рис. 13). Так, при малых подачах Q, значительно меньших оптимальной QonT, область рабочего колеса у входных кромок лопастей лишь частично занята активным потоком, движущимся вдоль напорной поверхности лопасти к выходу из рабочего колеса. Большая часть ее, прилегающая к переднему диску, заполнена потоком, движущимся в обратном направлении. Сильно закрученный в сторону вращения рабочего колеса обратный поток постепенно размывается основным потоком и увлекается снова в рабочее колесо. Образующаяся при этом вихревая зона не участвует в расходе жидкости через рабочее колесо (режимы 1 на рис. 13 а) [36].
С увеличением подачи (при постоянной частоте вращения) ширина активного потока, поступающего на лопасти рабочего колеса, увеличивается, а размеры вихревой зоны" соответственно уменьшаются. При подачах, близких к оптимальной, практически все сечение межлопастного канала занято потоком жидкости, лишь у выходных кромок лопастей с обеих сторон могут быть небольшие застойные зоны (режимы 2 на рис. 13 а) [36].
При подачах, превышающих оптимальную, несмотря на то, что межлопастной канал по всей высоте занят активным потоком, поток отрывается от лицевой поверхности лопасти, что приводит к уменьшению его сечения на выходе из рабочего колеса и увеличению среднего значения относительной скорости, следствием чего является уменьшение напора (режимы 3 на рис 13 а) [36].
При пониженном давлении на входе в насос кавитация в проточной части рабочего колеса происходит на всех режимах работы с подачей, значительно отличающейся от оптимальной. При очень малых подачах кавитационные пузыри, возникая в толще активного потока, увеличивают несколько его сечение, уменьшая тем самым размеры вихревой зоны. С увеличением подачи количество кавитационных пузырей уменьшается, течение стабилизируется, однако возможно образование небольшой устойчивой кавитационной зоны вдоль входной кромки лопасти с тыльной стороны (режимы на рис. 13 б) [36].
На режимах, близких к оптимальному Q = (0,8 - 1,0) QonT, кавитационная зона исчезает, уровень шума резко падает. При Q = QonT КПД-насоса достигает максимума; режимы с подачами Q = (1,00 - 1,05) QonT характеризуются безударным входом потока на лопасти рабочего колеса и соответственно наименьшими значениями требуемого кавитационного запаса [36].
Дальнейшее увеличение подачи происходит в условиях спокойной, бескавитационной работы насоса. Однако при подачах Q = (1,2 - 1,25) QonT вновь возникает кавитация на входных кромках лопастей, теперь уже с лицевой стороны. С появлением в этой области устойчивой, пусть даже небольшой по размерам, кавитационной зоны уменьшается живое сечение активного потока, что вызывает уменьшение напора и КПД. Именно этот режим 2 (см. рис. 13 б), рассматривают обычно в качестве первого критического, соответствующего началу изменения энергетических характеристик насоса вследствие кавитации [36].
Расчеты в программе SolidWorks, Flo Works
Основной задачей компьютерного моделирования в настоящей работе является получение картин линий токов жидкости и распределения давления в проточных каналах ступени. Имея такие данные, можно будет представить эффективность предлагаемых изменений и оценивать дальнейшие пути улучшения работоспособности ступени при перекачке газожидкостных смесей.
Чтобы рассчитать физический процесс, т. е. изменение физических параметров в пространстве и времени, его надо сначала математически смоделировать.
Поскольку физические процессы — результат действия законов физики, то наиболее адекватные физическим процессам математические модели представляют собой систему отражающих законы физики дифференциальных и/или интегральных уравнений (с привлечением, если надо, полуэмпирических и эмпирических констант и зависимостей) с граничными и начальными условиями, привязывающими данную математическую модель к поставленной конкретной физической (инженерной) задаче, т. е. определяющими данные физические процессы в этой задаче [8].
Поскольку используемые в математической модели системы дифференциальных и/или интегральных уравнений обычно не имеют аналитического решения, они приводятся к дискретному виду и решаются на некоторой расчетной сетке. Естественно, решение математической задачи существенно зависит как от способа дискретизации уравнений, так и от способа решения полученных в результате уравнений. Очевидно, решение математической задачи будет тем точнее, чем лучше расчетная сетка разрешает области нелинейного поведения решения уравнений, что, как правило, достигается использованием более мелкой расчетной сетки в этих областях. В основе COSMOSFloWorks, как и любой другой расчетной методики, лежит, во-первых, математическая модель рассчитываемых физических процессов и, во-вторых, способ решения поставленной математической задачи [8].
COSMOSFloWorks базируется на последних достижениях вычислительной газо- и гидродинамики и позволяет рассчитывать широкий круг различных течений: двумерные и трехмерные, ламинарные, турбулентные и переходные, несжимаемые, сжимаемые, с до-, транс- и сверхзвуковыми областями, стационарные и нестационарные течения многокомпонентных текучих сред в каналах и/или вокруг тел, с. учетом гравитации, пограничного слоя, в том числе с учетом шероховатости стенок, с конвективным теплообменом между текучей средой и твердым телом, которое, в свою очередь, может состоять из нескольких материалов; с одновременным расчетом теплопередачи в твердых телах, т. е. с решением задачи сопряженного теплообмена, в том числе с учетом радиационного теплообмена между поверхностями; течения газовых смесей с равновесной конденсацией содержащегося в них водяного пара; течения воды с равновесной кавитацией или равновесным кипением; течения через пористые среды как через рассредоточенные сопротивления; ламинарные течения неньютоновских жидкостей; течения сжимаемых жидкостей; двухфазные течения как движение жидких или твердых частиц в потоке текучей среды [8]. Чтобы яснее очертить круг решаемых задач, отметим, что в настоящее время в COSMOSFloWorks не рассматриваются: изменения геометрии проточного тракта или внешней поверхности тела, которые не могут быть заданы вращением тела в выделенной осесимметричной подобласти расчетной области; течения смеси жидкости и газа с высокой объемной долей жидкости, не позволяющей задать жидкость каплями, в частности свободные поверхности жидкости; химические реакции; влияние частиц (капель) двухфазной среды на движение газовой фазы [8].
В COSMOSFloWorks движение и теплообмен текучей среды моделируется с помощью уравнений Навье — Стокса, описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды. Кроме того, используются уравнения состояния компонентов текучей среды, а также эмпирические зависимости вязкости и теплопроводности этих компонентов среды от температуры. Кроме того, неньютоновские жидкости задаются зависимостью их коэффициента вязкости от скорости сдвиговых деформаций и температуры; сжимаемые жидкости задаются зависимостью их плотности от давления. Этими уравнениями моделируются турбулентные, ламинарные и переходные (между ламинарными и турбулентными переход определяется критическим значением числа Рейнольдса) течения. Для моделирования турбулентных течений (они встречаются в инженерной практике наиболее часто) упомянутые уравнения Навье - Стокса осредняются по Рейнольдсу, т. е. используется осредненное по малому масштабу времени влияние турбулентности на параметры потока, а крупномасштабные временные изменения осредненных по малому масштабу времени составляющих газодинамических параметров потока (давления, скоростей, температуры) учитываются введением соответствующих производных по времени. В результате уравнения имеют дополнительные члены — напряжения по Рейнольдсу, а для замыкания этой системы уравнений в COSMOSFloWorks используются уравнения переноса кинетической энергии турбулентности и ее диссипации в рамках к - е модели турбулентности [8].
Снимаемые в ходе испытаний параметры и приборы для их измерения
2. Напор насоса Н и перепад давления на насосе АРН. в данном случае эти величины были равнозначны (APH=pgH), т.к., во-первых, диаметры трубопроводов на входе и выходе из насоса одинаковы, что позволяет исключить из расчета напора расчет разницы скоростных напоров на выходе и входе насоса, и, во-вторых, для исследуемых насосов доля разницы скоростных напоров в напоре насоса невелика вследствие малой подачи насосов и больших напоров. Вопросы определения зависимостей H=f(Q) (APH=f(Q)), 4=f(Q) в общем случае достаточно хорошо отработаны методически для широкого круга насосов [62,68], поэтому ниже будут рассмотрены лишь общие соображения по измерению указанных величин, а также особенности проведения измерений применительно к данной работе. Подача насоса определялась с помощью расходомера электроиндукционного. Перепад давлений на насосе определялся по разнице показаний датчиков давления на выходе из насоса (Рвых, кгс/см ) и на входе в насос (Рв„ кгс/см2). К.п.д. насоса вычислялась как отношение полезной мощности к мощности на валу насоса Мощность на валу насоса определялась следующим образом где F— усилие на конце плеча торсиометра при работе насоса, кг; F — усилие на конце плеча торсиометра при «холостом ходе» насоса, кг; /=0,285 м- длина плеча торсиометра; п— частота вращения вала насоса, об/мин. С целью представления данных в форме, удобной для дальнейшего анализа, полученные характеристики пересчитывались на постоянную частоту вращения вала насоса 2910 об/мин. При этом использовались общие формулы подобия лопастных гидромашин [62,68]. Испытания проводились в следующей последовательности.
На стенд устанавливались три ступени, перед первой ступенью устанавливалась втулка, в которую подавался воздух. Давление на входе измерялось после первой ступени и после третьей. В качестве испытуемой жидкости применялась техническая вода (плотность 1020кг/мЗ, температура от 17 до 22 С). После установки пакета ступеней производился запуск насоса, выставлялся режим близкий к оптимальному и сборка обкатывалась в течение 15-20 минут, затем в течение 15-20 минут режим работы изменялся от. нулевой, подачи до максимальной, только потом происходило снятие характеристики. Запуск насоса производился на режиме нулевой подачи (закрытая задвижка) и измерения начинали производиться исходя из этого режима. Записывались данные по 15-17 точкам режимов. Характеристика снималась по 5 раз. Снятие характеристик при частотах вращения отличающихся от номинальной производилось аналогично. Снятие характеристики на водовоздушной смеси начиналось из режима максимальной подачи (открытая задвижка).
Определялись следующие показатели: давление на входе и выходе, расход воды и воздуха, реактивный момент статора электромотора, скорость вращения приводного вала. Характеристики на воде и на водовоздушной смеси были измерены при скоростях вращения вала 2000, 2985, 4000 об/мин. В ходе испытаний непосредственно определялись следующие величины: - частота вращения вала насоса; - давление нагнетания насоса; - давление всасывания насоса; - подача насоса; - усилие на конце плеча торсиометра при работе и при «холостом ходе» насоса. Косвенным путем определялись: - напор насоса; - мощность на валу насоса; - к.п.д. насоса. Порядок измерения данных величин изложен в п. 3.4.2. Частота вращения вала насоса п, об/мин, определялась индукционным датчиком USV «MICRO SWITCH». Датчик установлен на корпусе электродвигателя напротив стального диска, закрепленного на валу электродвигателя и имеющего г=10 пазов. Абсолютная погрешность измерения не превышает величины Относительная погрешность измерения частоты вращения определяется по формуле Средняя квадратичная относительная погрешность измерения напора насоса накапливалась из-за неточности измерения исходных величин и определялась по формуле: где ет0Р - относительная погрешность измерения давления на входе насоса; аор — относительная погрешность измерения давления на выходе насоса; а 2 2 — относительная погрешность измерения разницы скоростных напоров на выходе и входе насоса. Поскольку диаметры патрубков, на которых производился замер давления на входе и выходе из насоса, равны, то величину разницы скоростных напоров на выходе и входе насоса считаем равной нулю. Согласно документации на датчики дифференциального давления испытательного стенда, их максимальная относительная погрешность составляет не более 0,25 %, т.е. апр = упр = 0,25%. Исходя из выше изложенного, средняя квадратичная относительная погрешность измерения напора равна
