Содержание к диссертации
Введение
1 Обоснование методики выбора технических параметров секционных центробежных насосов типа ЦНС, предназначенных для закачки воды в пласт 8
1.1 Современное состояние технического уровня и эффективности применения насосов ЦНС для закачки воды в нефтяные пласты 8
1.2 Обоснование разработки нормального ряда насосов типа ЦНС, предназначенных для закачки воды в нефтяные пласты 17
1.3 Разработка методики выбора насосного оборудования для системы ППД 22
1.4 Формулирование технико-экономических требований к насосам типа ЦНС для закачки воды в пласт 34
2 Разработка критериев экономичности и надежности работы насосов типа ЦНС для закачки воды в нефтяные пласты 39
2.1 Технологические и экономические критерии для оценки эффективности работы насосных агрегатов ЦНСА системы ППД 39
2.2 К.п.д. насоса и определяющие его факторы. Пути повышения к.п.д. насосов типа ЦНС 42
2.3 Удельные затраты электроэнергии на закачку воды в нефтяные пласты 44
2.4 Определение остаточного ресурса насосов ЦНС для закачки воды в пласт 47
3 Разработка мероприятий и предложений по повышению эффективности насосов типа ЦНС, применяемых в системе ППД 51
3.1 Исследование влияния изменения зазоров в щелевых уплотнениях рабочих колес на характеристики насоса типа ЦНС 51
3.2 Параметрическая диагностика ЦНСА. Приближенная аналитическая связь напора секционного насоса ЦНС с к.п.д. по мере износа щелевого уплотнения рабочего колеса 61
3.3 Анализ потерь энергии в узлах гидравлического уравновешивания осевого усилия 66
4 Разработка технических предложений по созданию новых и модернизации существующих насосов ЦНС для системы ППД 70
4.1 Обоснование наиболее экономичной и надежной схемы компоновки насоса ЦНС с низким ns на примере ЦНС 25-1400 70
4.2 Модернизация и унификация насосов ЦНС в процессе проведения капитального ремонта 74
4.3 Разработка эффективного способа для изменения напора насоса ЦНС 80
Основные результаты и выводы 85
Список использованной литературы 87
- Современное состояние технического уровня и эффективности применения насосов ЦНС для закачки воды в нефтяные пласты
- Технологические и экономические критерии для оценки эффективности работы насосных агрегатов ЦНСА системы ППД
- Исследование влияния изменения зазоров в щелевых уплотнениях рабочих колес на характеристики насоса типа ЦНС
- Обоснование наиболее экономичной и надежной схемы компоновки насоса ЦНС с низким ns на примере ЦНС 25-1400
Введение к работе
Ещё в начале 90-х годов прошлого века на старых нефтяных месторождениях велись интенсивные работы по увеличению нефтеотдачи пластов на поздней стадии разработки. Результаты научных исследований, проведенных в ОАО «Татнефть» и ОАО «АНК «Башнефть», показали, что извлечение остаточных запасов основных месторождений может стабилизировать добычу нефти на продолжительное время. Для этого потребуются разработка и внедрение новых методов увеличения нефтеотдачи пласта, а также коренная реконструкция систем поддержания пластового давления (ППД) с модернизацией и заменой эксплуатируемого оборудования.
При освоении нефтяных месторождений на поздней стадии разработки необходимо оптимизировать объемы закачиваемой воды и добываемой жидкости на различных площадях и участках. Для достижения этого необходимо применять адресную подачу воды в пласты с различной проницаемостью, используя насосы на малые подачи, оптимизировать сеть водоводов.
Внедрение технологии циклической закачки, необходимость регулирования объемов и давлений закачки из-за подключения в эксплуатацию пластов различной проницаемости требуют создания и применения в системе ППД насосов с широким диапазоном параметров назначения.
Возникают проблемы создания и внедрения параметрического ряда насосов, отвечающих требованиям, предъявляемым более прогрессивной технологией.
По данным ОАО «Татнефть», использование насосов на малые подачи снижает объемы закачки воды на одну тонну добываемой нефти на 10 %, а потребляемую электроэнергию на закачку 1 м3 на 11 %.
Появилась острая необходимость разработки методики выбора насосов для системы ППД, обеспечивающей оптимальные режимы работы системы «кустовая насосная станция (КНС) - трубопроводные коммуникации - нагнетательные скважины - пласт».
На эффективность работы системы ППД значительно влияет техническое состояние эксплуатируемого оборудования. Применяемая система планово-предупредительного ремонта и обслуживания оборудования не отвечает современным требованиям. В начале 2000 г. некоторые нефтяные компании начали переходить к более прогрессивному направлению - организации технического
обслуживания насосного оборудования по фактическому техническому состоянию на основе мониторинга основных параметров. Это потребовало разработки методических основ мониторинга с учетом конструктивных особенностей насосов и условий эксплуатации.
Поэтому научные исследования и разработка методов и технических решений, направленные на повышение эффективности работы системы ППД путем оптимизации технологии, совершенствования характеристик и повышения технического уровня насосного оборудования, являются актуальными проблемами.
Цель работы
Повышение эффективности работы системы ППД путем оптимизации технологии закачки воды в пласт, совершенствования характеристик и технического уровня насосов ЦНС.
Основные задачи работы
Анализ и разработка методов выбора рациональных технологических и технических параметров работы секционных центробежных насосов типа ЦНС, предназначенных для закачки воды в пласт.
Разработка технических и экономических критериев для оценки технического уровня и эффективности работы насосов типа ЦНС в системе ППД.
Исследование и разработка технических решений, направленных на совершенствование характеристик и повышение эффективности работы насосов типа ЦНС в системе ППД.
Разработка и внедрение новых наиболее экономичных и надёжных конструкций насосов типа ЦНС, отвечающих современным требованиям системы ППД.
Научная новизна
Предложены уравнения баланса подачи насосов и объема закачиваемой в пласт жидкости, баланса давлений в системе «насос - трубопроводные сети -нагнетательная скважина», позволяющие оптимизировать технические параметры насосов типа ЦНС по критерию минимальных суммарных затрат на закачку воды. Уравнения легли в основу методики выбора насосного оборудования для системы ППД.
Предложены критерии для оценки технического уровня и эффективности работы насосов ЦНС, учитывающие условия эксплуатации насосов в системе ППД.
Предложена эмпирическая зависимость для определения остаточного ресурса работы насосов ЦНС для закачки воды в пласт, основанная на изменении удельных энергетических затрат в зависимости от времени эксплуатации.
Обоснована эффективность разработки и применения высокооборотных насосов ЦНС со встречным расположением рабочих колёс при значениях коэффициента быстроходности ns < 50.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработан параметрический ряд динамических насосов, который внедрен при создании и модернизации насосов ЦНС в диапазоне подач от 25 до 180 м3/ч и напоров от 700 до 1900 м.
Разработан и внедрен Стандарт предприятия СТП 03-167-2005 «Методика выбора насосного оборудования для закачки воды в пласт в системе поддержания пластового давления».
Уравнения для определения остаточного ресурса и аналитической связи напора с к.п.д. в зависимости от степени износа щелевого уплотнения рабочего колеса насоса использованы при разработке Методики проведения технического аудита насосных агрегатов типа ЦНСА системы ППД ОАО «Татнефть» и стандартов предприятия СТП 03-166-2004 «Агрегаты электронасосные центробежные нефтепромысловых систем. Методика проведения технического аудита на предприятиях ОАО «АНК «Башнефть» и СТП 16-15283860-003-2004 «Руководство по организации эксплуатации оборудования насосных станций систем сбора, подготовки нефти и ППД на предприятиях ОАО «АНК «Башнефть».
Установлены границы рабочей зоны характеристик насосов типа ЦНС в зависимости от свойств закачиваемой жидкости, которые включены в техническую и эксплуатационную документацию на насосы.
Обоснованные автором технические решения по разработке и применению высокооборотных насосов ЦНС со встречным расположением рабочих колес при значениях коэффициента быстроходности ns < 50 реализованы при разработке и внедрении насоса ЦНС 25-1400 УХЛ4. Насос успешно внедряется в системах ППД с малым объемом закачки воды в пласт.
Предлагаемые научно-технические решения использованы при разработке нового поколения насосов, модернизации и унификации насосов с подачей от 25 до 250 м3/ч и напором от 800 до 2240 м.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на: II Всероссийской научно-практической конференции «Новое погружное и наземное оборудование для добычи и транспортировки нефти и газа», г. Лысьва, 2000 г.;
I международной научной конференции «Современные проблемы нефтеотдачи
пластов. Нефтеотдача - 2003», г. Москва, 2003 г.;
II и IV Конгрессах нефтегазопромышленников России, г. Уфа, 2000 г. и 2003 г.;
III Российском энергетическом форуме, г. Уфа, 2003 г.;
III Всероссийской научно-практической конференции «Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа», г. Томск, 2004 г.;
11-й Международной научно-технической конференции «Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования», г. Сумы, 2005 г.;
техническом совещании по вопросу «Пути оптимизации и унификации насосного парка системы ППД ОАО «Татнефть», г. Альметьевск, 2006 г.
Научные разработки автора по созданию и внедрению ряда насосных агрегатов ЦНСА для закачки воды в пласт в системе ППД удостоены медали и премии им. акад. И.М. Губкина.
Комплекс работ по созданию и внедрению параметрического ряда высоконапорных центробежных насосных агрегатов типа ЦНСА для закачки воды в нефтяные пласты отмечен дипломом Союза производителей нефтегазового оборудования в номинации «За внедрение достижений науки в производство».
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, получены 1 патент и 1 авторское свидетельство.
Благодарность
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам отдела №4 ГУП «ИПТЭР» за оказанную помощь и ценные советы при выполнении работы.
Современное состояние технического уровня и эффективности применения насосов ЦНС для закачки воды в нефтяные пласты
Ещё в начале 90-х годов прошлого века на старых нефтяных месторождениях велись интенсивные работы по увеличению нефтеотдачи пластов на поздней стадии разработки. Результаты научных исследований, проведенных в ОАО «Татнефть» и ОАО «АНК «Башнефть», показали, что извлечение остаточных запасов основных месторождений может стабилизировать добычу нефти на продолжительное время. Для этого потребуются разработка и внедрение новых методов увеличения нефтеотдачи пласта, а также коренная реконструкция систем поддержания пластового давления (ППД) с модернизацией и заменой эксплуатируемого оборудования. При освоении нефтяных месторождений на поздней стадии разработки необходимо оптимизировать объемы закачиваемой воды и добываемой жидкости на различных площадях и участках. Для достижения этого необходимо применять адресную подачу воды в пласты с различной проницаемостью, используя насосы на малые подачи, оптимизировать сеть водоводов. Внедрение технологии циклической закачки, необходимость регулирования объемов и давлений закачки из-за подключения в эксплуатацию пластов различной проницаемости требуют создания и применения в системе ППД насосов с широким диапазоном параметров назначения. Возникают проблемы создания и внедрения параметрического ряда насосов, отвечающих требованиям, предъявляемым более прогрессивной технологией. По данным ОАО «Татнефть», использование насосов на малые подачи снижает объемы закачки воды на одну тонну добываемой нефти на 10 %, а потребляемую электроэнергию на закачку 1 м3 на 11 %. Появилась острая необходимость разработки методики выбора насосов для системы ППД, обеспечивающей оптимальные режимы работы системы «кустовая насосная станция (КНС) - трубопроводные коммуникации - нагнетательные скважины - пласт». На эффективность работы системы ППД значительно влияет техническое состояние эксплуатируемого оборудования. Применяемая система планово-предупредительного ремонта и обслуживания оборудования не отвечает современным требованиям. В начале 2000 г. некоторые нефтяные компании начали переходить к более прогрессивному направлению - организации технического обслуживания насосного оборудования по фактическому техническому состоянию на основе мониторинга основных параметров. Это потребовало разработки методических основ мониторинга с учетом конструктивных особенностей насосов и условий эксплуатации. Поэтому научные исследования и разработка методов и технических решений, направленные на повышение эффективности работы системы ППД путем оптимизации технологии, совершенствования характеристик и повышения технического уровня насосного оборудования, являются актуальными проблемами. Цель работы Повышение эффективности работы системы ППД путем оптимизации технологии закачки воды в пласт, совершенствования характеристик и технического уровня насосов ЦНС. Основные задачи работы 1. Анализ и разработка методов выбора рациональных технологических и технических параметров работы секционных центробежных насосов типа ЦНС, предназначенных для закачки воды в пласт. 2. Разработка технических и экономических критериев для оценки технического уровня и эффективности работы насосов типа ЦНС в системе ППД. 3. Исследование и разработка технических решений, направленных на совершенствование характеристик и повышение эффективности работы насосов типа ЦНС в системе ППД. 4. Разработка и внедрение новых наиболее экономичных и надёжных конструкций насосов типа ЦНС, отвечающих современным требованиям системы ППД. Научная новизна 1. Предложены уравнения баланса подачи насосов и объема закачиваемой в пласт жидкости, баланса давлений в системе «насос - трубопроводные сети -нагнетательная скважина», позволяющие оптимизировать технические параметры насосов типа ЦНС по критерию минимальных суммарных затрат на закачку воды. Уравнения легли в основу методики выбора насосного оборудования для системы ППД. 2. Предложены критерии для оценки технического уровня и эффективности работы насосов ЦНС, учитывающие условия эксплуатации насосов в системе ППД. 3. Предложена эмпирическая зависимость для определения остаточного ресурса работы насосов ЦНС для закачки воды в пласт, основанная на изменении удельных энергетических затрат в зависимости от времени эксплуатации. 4. Обоснована эффективность разработки и применения высокооборотных насосов ЦНС со встречным расположением рабочих колёс при значениях коэффициента быстроходности ns 50. Практическая ценность и реализация результатов работы Разработан параметрический ряд динамических насосов, который внедрен при создании и модернизации насосов ЦНС в диапазоне подач от 25 до 180 м3/ч и напоров от 700 до 1900 м. Разработан и внедрен Стандарт предприятия СТП 03-167-2005 «Методика выбора насосного оборудования для закачки воды в пласт в системе поддержания пластового давления». Уравнения для определения остаточного ресурса и аналитической связи напора с к.п.д. в зависимости от степени износа щелевого уплотнения рабочего колеса насоса использованы при разработке Методики проведения технического аудита насосных агрегатов типа ЦНСА системы ППД ОАО «Татнефть» и стандартов предприятия СТП 03-166-2004 «Агрегаты электронасосные центробежные нефтепромысловых систем. Методика проведения технического аудита на предприятиях ОАО «АНК «Башнефть» и СТП 16-15283860-003-2004 «Руководство по организации эксплуатации оборудования насосных станций систем сбора, подготовки нефти и ППД на предприятиях ОАО «АНК «Башнефть». Установлены границы рабочей зоны характеристик насосов типа ЦНС в зависимости от свойств закачиваемой жидкости, которые включены в техническую и эксплуатационную документацию на насосы. Обоснованные автором технические решения по разработке и применению высокооборотных насосов ЦНС со встречным расположением рабочих колес при значениях коэффициента быстроходности ns 50 реализованы при разработке и внедрении насоса ЦНС 25-1400 УХЛ4. Насос успешно внедряется в системах ППД с малым объемом закачки воды в пласт. Предлагаемые научно-технические решения использованы при разработке нового поколения насосов, модернизации и унификации насосов с подачей от 25 до 250 м3/ч и напором от 800 до 2240 м. Основные положения и результаты работы докладывались на: II Всероссийской научно-практической конференции «Новое погружное и наземное оборудование для добычи и транспортировки нефти и газа», г. Лысьва, 2000 г.; I международной научной конференции «Современные проблемы нефтеотдачи пластов. Нефтеотдача - 2003», г. Москва, 2003 г.; II и IV Конгрессах нефтегазопромышленников России, г. Уфа, 2000 г. и 2003 г.; III Российском энергетическом форуме, г. Уфа, 2003 г.; III Всероссийской научно-практической конференции «Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа», г. Томск, 2004 г.; 11-й Международной научно-технической конференции «Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования», г. Сумы, 2005 г.; техническом совещании по вопросу «Пути оптимизации и унификации насосного парка системы ППД ОАО «Татнефть», г. Альметьевск, 2006 г. Научные разработки автора по созданию и внедрению ряда насосных агрегатов ЦНСА для закачки воды в пласт в системе ППД удостоены медали и премии им. акад. И.М. Губкина. Комплекс работ по созданию и внедрению параметрического ряда высоконапорных центробежных насосных агрегатов типа ЦНСА для закачки воды в нефтяные пласты отмечен дипломом Союза производителей нефтегазового оборудования в номинации «За внедрение достижений науки в производство».
Технологические и экономические критерии для оценки эффективности работы насосных агрегатов ЦНСА системы ППД
Насосные агрегаты для закачки воды в пласт в системе поддержания пластового давления относятся к наиболее сложным и энергоемким видам нефтяного оборудования.
На основании исследований, проведенных автором [33, 37, 39,44], установлено, что в течение последних 10 лет различными предприятиями и организациями, работающими в области нефтяного машиностроения и военно-промышленного комплекса, ведется интенсивная работа по созданию высокоэффективных насосных агрегатов для системы ППД. Однако требования к конструкции НА до сих пор окончательно не сформулированы и не разработаны в виде отраслевого стандарта.
Поэтому оценка эффективности НА, в особенности на стадии разработки технического задания (ТЗ), рабочей конструкторской документации (РКД) и изготовления опытных образцов, производится приближенно.
Многолетний опыт автора [75, 77, 79, 87, 91, 103, 120] и других исследователей [6, 15, 28, 44, 47, 82, 97, 98, 111, 114] по разработке, совершенствованию и исследованию конструкций НА для систем ГТГТД показывает, что на эффективность и надежность работы системы ППД с применением насосов ЦНС влияет множество взаимосвязанных факторов. На рисунке 1.12 представлена структурная схема этих факторов. Факторы, которые оказывают наибольшее влияние на эффективность работы системы ППД с применением насосов ЦНС, приведены в затемненных прямоугольниках.
Как видно из схемы, эффективность работы системы ППД значительно зависит от правильного выбора режимов эксплуатации и технического уровня применяемых насосов. Поэтому в данной работе сделана попытка сформулировать технико-экономические требования к насосам ЦНС с целью повышения эффективности и надежности системы ППД. Автором сформулированы и предлагаются следующие основные требования: - приемлемые для технологического процесса показатели назначения (подача, давление нагнетания или напор), согласованность напорной и энергетической характеристик с характеристиками трубопроводов и скважин. Возможность изменения характеристики НА в широком диапазоне без значительного снижения энергетических показателей; - высокие показатели эффективности, в том числе минимальные капитальные, энергетические и другие эксплуатационные затраты на закачку 1 м3 воды в пласт; - высокие показатели надежности в существующих условиях эксплуатации (средняя наработка на отказ не менее 6300 ч при работе на сточной воде, в т.ч. с содержанием сероводорода; 8000 ч - при работе на пресной воде. Средний ресурс до капитального ремонта соответственно 20000 и 30000 ч, нормативный срок службы - 10 и 15 лет); - приемлемые конструктивные параметры (простота конструкции, разумные габариты, монтажеспособность, ремонтопригодность и т.д.); - удобство технического обслуживания и ремонта; - безопасность, в том числе соответствие нормам и правилам Ростехнад-зора по безопасности в нефтяной отрасли; - соответствие параметров и конструкции НА стандартам; - приемлемая конкурентоспособная цена. Изучение мнений специалистов нефтедобывающих предприятий в части конструктивных достоинств НА для системы ППД, полученных автором по методу экспертной оценки [18], показывает, что главными показателями, по которым проводится оценка конструкции НА, являются: - соответствие характеристик НА требованиям технологии и экономичности; - простота, надежность конструкции и приспособленность к реальным условиям эксплуатации; - удобство технического обслуживания и ремонта; - конкурентоспособная цена. Мнения специалистов потребителя о достоинствах центробежных НА отличаются от тенденции развития насосостроения в России и за рубежом (малая металлоемкость, высокие обороты, применение регулируемого привода, двух-корпусные насосы, насосы с горизонтальным разъемом). По мнению автора, это связано с тем, что обслуживающему персоналу трудно преодолеть психологический барьер в части эксплуатации высокооборотных, сложных по конструкции, НА. Кроме того, некоторые конструкции насосов, в том числе высокооборотные центробежные и плунжерные насосы, предъявляют жесткие требования к качеству закачиваемой воды, монтажу, режимам эксплуатации и культуре обслуживания [95, 109, 131] . Требования к качеству воды, изложенные в работах [26, 45, 76] , на практике не всегда выполняются, что приводит к ускоренному износу оборудования и ухудшению параметров нефтяного пласта. Поэтому внедрение их сегодня в системе ППД имеет свои трудности. Есть разные подходы при оценке эффективности применения НА на стадии разработки и внедрения. Например, в некоторых нефтяных компаниях в качестве критериев эффективности применяются удельные энергетические затраты на закачку воды [46, 47]. При этом потребляемая энергия определяется с учетом только потребляемой мощности насоса и электродвигателя. Эти данные принимаются по номинальной точке характеристики насоса, что не совсем корректно. Во-первых, к потребляемой НА энергии необходимо присовокупить энергию, потребляемую всеми вспомогательными системами, без которых НА не может функционировать (системами смазки, охлаждения, вентиляции, отопления и др.). Во-вторых, насосы эксплуатируются не только в номинальной точке характеристики. Кроме того, в зависимости от показателей надежности насоса величина к.п.д. будет снижаться в процессе эксплуатации; причем это снижение для насосов различной конструкции будет проходить по-разному. В-третьих, необходимо ввести показатели, характеризующие интенсивность изменений таких показателей НА как напор, к.п.д. и удельные энергетические затраты в зависимости от наработки. При этом удельные затраты на закачку воды являются одними из основных составляющих и должны рассматриваться как критерии оценки совершенства конструкции насоса. Предлагается следующий подход к оценке эффективности конструкции вновь создаваемого или внедряемого НА. Условия сравнения по применяемости должны быть строго сопоставимы (требуемые объем и давление закачки, свойства перекачиваемой среды и режимы в сравниваемый период времени должны быть одинаковы). В статью капитальных затрат должны быть включены все затраты, требуемые исходя из конструктивных особенностей сравниваемых НА (строительство фундамента для НА, помещение насосной и т.д.). Помимо этого необходимо определить затраты на техническое обслуживание и ремонт в сравниваемый период. На стадии ТЗ, РКД затраты на ремонт определяются по показателям надежности, указанным в ТЗ, на стадии внедрения - по фактическим показателям.
Исследование влияния изменения зазоров в щелевых уплотнениях рабочих колес на характеристики насоса типа ЦНС
Интенсивно внедряются центробежные насосы с подачей от 12,5 до 80 м3/ч включительно. Наиболее трудной задачей является создание насоса ЦНС с подачей менее 63 м /ч, отвечающего современным требованиям системы ППД, изложенным в разделе 1.4 настоящей работы и работах [106,107,124].
Для реализации этих требований автором была предложена нетрадиционная для системы ППД схема компоновки насоса ЦНС. Компоновка включает: осевой подвод жидкости в проточную часть насоса; симметричное расположение рабочих колес , которое позволяет компенсировать осевые нагрузки на ротор; тем самым не требует применения специального разгрузочного устройства; применение плавающих щелевых уплотнений рабочих колес, обеспечивающих зазор 0,10...0,15мм; применение комбинированных опор ротора. Со стороны входа жидкости применен подшипник скольжения, работающий в перекачиваемой среде. С противоположной стороны - подшипник качения. Предложенная компоновочная схема применена при разработке конструкции насоса ЦНС 25-1400 под научным руководством и при непосредственном участии автора [90,102, 108,129]. За основу конструкции рабочего колеса насоса была принята модель рабочего колеса с параметрами Q = 13 м3/ч, Н = 33 м, к.п.д. = 49 %, полученными при частоте вращения 3000 с-1. В процессе проектирования в конструкцию рабочего колеса были внесены немодельные изменения, в т. ч. направленные на повышение к.п.д. и прочностных характеристик. Краткая техническая характеристика насоса: номинальная подача 25 м3/ч, напор 1400 м, частота вращения ротора 6000 об/мин, количество ступеней 8, полученный на приемочном испытании к.п.д. = 58 %, допустимый кавитационный запас 12 м. Результаты приемочных испытаний опытного образца показали, что насос устойчиво работает при кавитационном запасе 7 м. Применение указанных выше нетрадиционных (оригинальных) конструктивных решений позволило получить высокое значение к.п.д. Предусмотрены два вида привода насоса: от электродвигателя с частотой вращения 3000 об/мин через одноступенчатый мультипликатор и от высокооборотного частотно-регулируемого электродвигателя [90,129,133]. Опытные образцы в первом варианте исполнения в количестве двух штук испытаны и рекомендованы к серийному производству. Характеристики насоса, полученные в ходе приемочных испытаний, приведены на рисунке 4.2. Испытание агрегата со вторым видом привода планируется в IV квартале 2006 года на объектах филиала «Башнефть-Уфа» ОАО «АНК «Башнефть». Общий вид насоса с приводом от высокооборотного частотно-регулируемого электродвигателя приведен на рисунке 4.3 [124], расчетная напорная характеристика приведена на рисунке 4.4 [129,133]. Большой диапазон напорной характеристики насоса позволяет применять его в системах ППД, где по условиям технологии закачки жидкости требуются частые изменения давления и расхода. Малые габариты агрегата делают его привлекательным для применения на морских платформах, где ограничены возможности размещения оборудования. Исследования, проведенные автором, показывают [78, 88, 93] высокую эффективность работ по модернизации и унификации оборудования при реконструкции системы ППД. Технологическая оснащенность ремонтных предприятий нефтяных компаний находится на более высоком уровне, чем многих машиностроительных предприятий, выпускающих насосы. Это позволяет выполнить модернизацию насосного и другого оборудования, в том числе насосов ЦНС системы ППД, в процессе проведения капитального ремонта. В процессе модернизации можно получить более оптимальные характеристики насоса для конкретного технологического процесса, чем серийно выпускаемого насоса. По оценкам автора данной работы, стоимость модернизированного насоса ЦНС в условиях капитального ремонта составляет не более 60 % от стоимости нового насоса [129]. Рассмотрим проблемы модернизации и унификации насосов ЦНС, разработанных с участием автора в условиях капитального ремонта на ремонтном предприятии ОАО «Татнефть».
В системе ППД ОАО «Татнефть» с 1996 года был внедрен ряд насосных агрегатов на подачи 40, 63, 80 м3/ч, серийно изготавливаемых ФГУП «Боткинский завод» по технической документации, разработанной ГУП «ИПТЭР» [67-69,106,124].
За время серийного освоения этих насосов был разработан и внедрен целый ряд конструктивных изменений отдельных узлов и деталей с целью обеспечения их надежности. Всего было разработано и внедрено 13 конструктивных разновидностей насосов ЦНС. В основном подвергались изменению подшипниковые узлы, система их смазки и охлаждения, торцовые уплотнения, узлы гидроразгрузки и др. В таблице 4.1 представлены разновидности подшипниковых опор системы смазки и охлаждения подшипников насосов ЦНС, применяемых в системе ППД ОАО «Татнефть».
Обоснование наиболее экономичной и надежной схемы компоновки насоса ЦНС с низким ns на примере ЦНС 25-1400
Как видно из характеристик, потери к.п.д. и удельные затраты электроэнергии (ЕУд) на регулирование дросселированием у насосов с крутой формой напорной характеристики гораздо больше (ГНУ 750-1500), что делает проблематичным их применение в системе ППД. Использование ГНУ целесообразно в случае применения частотного регулируемого привода [61].
С учетом рекомендации, изложенной в [15] для энергетических насосов, автором предложен простой и надёжный способ уменьшения напора насоса снятием рабочего колеса и направляющего аппарата [48]. Вместо снятых рабочих колёс на валу устанавливаются втулки, вместо направляющих аппаратов - специальные цилиндры, обеспечивающие организованный подвод жидкости на вход рабочего колеса. Разработаны и опробованы три варианта доработки конструкции насоса со снятием рабочих колёс и направляющих аппаратов: с первой или после первой и последующих ступеней со стороны входа; через одну ступень, начиная с первой ступени; со средних ступеней насоса. На рисунке 4.11, а представлен вариант, когда после первой ступени с расширенным входом, который часто встречается на практике, сняты рабочие колёса и направляющие аппараты трёх ступеней. Если в конструкции насоса не предусмотрена первая ступень с расширенным входом, рабочие колеса и направляющие аппараты снимаются, начиная с первой ступени. Применение 3-его варианта целесообразно на высоконапорных насосах с количеством ступеней 16 с целью снижения нагрузки и, как следствие, уменьшения прогиба вала. ОН до снятия р.к. Ок.п.д. до снятия р.к. XН после снятия р.к. Q, м/ч О к.п.д. после снятия р.к. Д N до снятия р.к. Ж N после снятия р.к. Рисунок 4.12 - Экспериментальная характеристика насоса ЦНС 25-1400 (1800) до и после снятия рабочих колес Эффективность предложенного автором способа уменьшения напора заключается в том, что к.п.д. насоса и монтажные размеры остаются без изменения. При необходимости можно вернуться к первоначальной характеристике, установив снятые детали. Данный способ применяется не только в процессе ремонта насоса. Есть согласованное решение между Разработчиком, Изготовителем и Поставщиком о том, что по требованию Заказчика завод-изготовитель может изготовить и поставить насосы с уменьшенным напором, кратным напору одной секции, за счёт снятия рабочих колёс и направляющих аппаратов. Данное решение эффективно, когда вместо насоса с избыточным напором, отработавшего ресурс, можно устанавливать насос с уменьшенным напором без изменения монтажных размеров. Предложенный способ уменьшения напора насоса внедрен ФГУП «Боткинский завод» при изготовлении новых насосов; в Техническом центре ОАО «Торговый дом «Боткинский завод» и АЦБПО ЭПУ - при текущем и капитальном ремонтах насосов. 1. Впервые выполнен комплексный анализ технического уровня и эффективности эксплуатации насосов ЦНС для закачки воды в нефтяные пласты в течение десятилетнего периода их работы. Результаты анализа позволили разработать требования к насосам и предложить критерии по оценке эффективности их эксплуатации в системе ППД, а также технического уровня насосов. Обоснован и предложен ряд параметров назначения для динамических насосов, применяемых для закачки воды в пласт в системе ППД. Он удовлетворяет потребность нефтяных компаний в насосах и позволяет повышать эффективность системы ППД за счет унификации технологических схем, удобства выбора и применения насосов со стандартными параметрами. 2. Предложены уравнения, описывающие энергетический баланс в системе ППД, решение которых позволяет оптимизировать затраты на закачку воды в нефтяные пласты. На базе уравнений разработана методика выбора насосного оборудования для закачки воды в пласт на уровне стандарта предприятия для использования в процессе проектирования новых и реконструкции существующих объектов системы ППД ОАО «АНК «Башнефть». 3. На основании результатов исследования изменения удельных энергетических затрат на закачку воды в пласт в процессе эксплуатации насоса ЦНС 63 предложена эмпирическая зависимость для определения его остаточного ресурса по экономическим критериям. Зависимость позволяет определить сроки вывода насоса на капитальный ремонт при закачке пресной и пластовой воды по результатам проведения технического аудита. 4. Получено уравнение зависимости напора и к.п.д. насоса типа ЦНС при изменении зазора в щелевых уплотнениях. Зависимость позволяет анализировать результаты технического аудита насосов ЦНС и более точно оценивать изменения их характеристик и техническое состояние в процессе эксплуатации. 5. Результаты исследования работы насосов в системе ППД позволили автору предложить следующие методы и технические решения по совершенствованию характеристик и технического уровня насосов высокооборотных насосов ЦНС со встречным расположением рабочих колёс и плавающими уплотнениями при значениях коэффициента быстроходности ns 50. Предложена рациональная схема компоновки насоса. Результаты обоснования и схема компоновки легли в основу разработки конструкции высокоэффективного насоса ЦНС 25-1400 с пологой напорной характеристикой, широким диапазоном рабочей части [(0,7...1,4) QH] и значением к.п.д. 58 %. Серийное производство насоса и насосного агрегата на его базе освоено на ФГУП «Боткинский завод». Насос успешно внедряется в технологических схемах, где требуется закачка малых объемов воды. 5.2 Разработаны и внедрены технические решения по модернизации и унификации конструкции насосов на подачи от 40 до 220 м3/ч. Расчетное снижение стоимости капитального ремонта от внедрения технических решений по унификации конструкций насосов составляет около 30 %. Технические решения внедрены при капитальном ремонте и модернизации насосов ЦНС 40-1400; ЦНС 63 - 1000...1800; ЦНС 80 - 1400... 1800 (Технический центр ОАО «Торговый дом «Боткинский завод»; АЦБПО ЭПУ ОАО «Татнефть»); ЦНС 200(220)-1000...1900(2000) (НПФ «Инженерный центр «Союз»). 5.3 Предложен метод изменения напорной характеристики насоса за счёт снятия рабочих колёс и направляющих аппаратов без изменения монтажных размеров и с сохранением к.п.д. насоса. Внедрение способа в производство позволило исключить регулирование режима работы насосного агрегата дросселированием, снизило удельные энергетические затраты на закачку воды в пласт.
