электрические центробежные нефтяные насосы
Установка электроцентробежного насоса (УЭЦН) - относится к погружным бесштанговым насосным установкам.
УЭЦН предназначен для поднятия пластовой жидкости (смесь нефти, попутной воды и нефтяного газа) на поверхность
Область применения установки ЭЦН для: эксплуатации высокодебитных, глубоких и наклонных скважин
- с дебитом 20-1000 куб. м /сут.
- высотой подъема жидкости 500-2000 м
История
Первый центробежный насос для добычи нефти был разработан в 1916 г. российским изобретателем Армаисом Арутюновым.
Во время революции Арутюнов эмигрировал в США, и в 1928 году основал фирму Bart Manufacturing Company.
Эта компания в 1930 была переименована в «REDA Pump» (аббревиатура от Russian Electrical Dynamo of Arutunoff), которая многие годы была лидером рынка погружных насосов для нефтедобычи.
В СССР большой вклад в развитие электрических погружных насосов для добычи нефти внесло Особое конструкторское бюро по конструированию, исследованию и внедрению глубинных бесштанговых насосов (ОКБ БН), созданном в 1950 г.
1- компенсатор,
2 - ПЭД,
3 - протектор,
4 - приёмная сетка
5 - газосепаратором,
6 - насос,
7 - ловильная головка,
8 - обратный клапан насосный,
9 - спускной клапан,
10 - колонна НКТ,
11 - колено,
12 - выкидная линия,
13 - обратный клапан устьевой,
14 и 16 - манометры,
15 - устьевая арматура,
17 - кабельная линия,
18 - клеммная коробка,
19 - телеметрическая система (ТМС),
20 - трансформатор,
21 - динамический уровень жидкости в скважине,
22 - пояса для крепления кабельной линии к НКТ и насосному агрегату
23 - эксплуатационная колонна скважины.
Внешний вид подземного оборудования УЭЦН
1 – Газосепаратор;
2 – Насос;
3 – Протектор (верхняя часть);
4 – Протектор (нижняя часть);
5 – Погружной кабель;
6 – Двигатель (Верхняя часть);
7 – Двигатель (Нижняя часть;
8 – Датчик погружной телеметрии.
• Максимальное содержание попутной воды ……………………………................. 99%
• Водородный показатель попутной воды ………………………………......... 5,0-8,5 рН
• Плотность жидкости ……………………………………………………………...... 700-1400 кг/м3
• Максимальная кинематическая вязкость однофазной жидкости,
при которой насос работает без изменения напора и КПД ………1 мм2/сек
• Максимальная массовая концентрация твердых частиц
для насосов:
- обычного исполнения ………………………………………………………………….............. 0,1 г/л
- коррозионностойкого исполнения (К) ………………………………………........... 0,5 г/л
- коррозионноизносостойкого исполнения (КИ) …………………………........ 1,0 г/л Максимальное содержание свободного газа па приеме насоса ……... 25 %
• Максимальная концентрация сероводорода (H2S) для насосов:
- обычного исполнения ……………………………………………………………….............. 0,01 г/л
- коррозионностойкого (К) и коррозионноизносостойкого (КИ) исполнений ...................................................................................................1,25 г/л
• Максимальная температура откачиваемой жидкости …………………. 150 °С
• Максимальное гидростатическое давление …………………………..250 кгс/см2
ESP electric submersible pump — электрический погружной насос
Насос относится к лопастным центробежным насосам динамического типа, в котором движение жидкости и необходимый напор создаются за счёт центробежной силы, возникающей при воздействии лопаток рабочего колеса на газожидкостную смесь.
Погружной центробежный насос изготавливают в исполнениях:
- секционном (ЭЦН);
- модульном (ЭЦНМ).
Насос в секционном исполнении (ЭЦН), в общем случае, содержит:
• нижнюю секцию с приёмной сеткой;
• среднюю секцию;
• верхнюю секцию с ловильной головкой.
Средних секций может быть несколько.
Секции конструктивно являются не взаимозаменяемыми.
Длина средней секции достигает 8300 мм.
Наружный диаметр корпуса у всех собранных секций одинаковый и зависит от поперечного сечения скважины.
1 - кольцо с сегментами;
2,3 - гладкие шайбы;
4,5 - шайбы амортизаторы;
6 - верхняя опора;
7 - нижняя опора;
8 - пружинное кольцо опоры вала;
9 - дистанционная втулка;
10 - основание;
11 - шлицевая муфтаСовременные насосы (ЭЦН) имеют модульную конструкцию,
в состав которых входит:
Модуль-головка - 1
Модуль секции (вал с пакетом в корпусе) - 2
Входной модуль – 3
Учитывая глубину, с которой приходится поднимать жидкость, а также противодавление, которое необходимо преодолеть насосу при транспортировке жидкости до ДНС, в насосе приходится устанавливать большое количество ступеней (до 650 штук).
При таком количестве ступеней в одном корпусе его длина достигала бы 20 м, что затрудняло бы его изготовление, транспортировку и монтаж на скважине.
Поэтому высоконапорные насосы составляются из нескольких секций (модулей), длиной не более 6 м (примерно по 120-200 ступеней).
Модуль-головка
Модуль-головка состоит из: корпуса, с одной стороны которого имеется внутренняя коническая резьба для присоединения обратного клапана (НКТ), с другой стороны – фланец для присоединения двух ребер для защиты кабеля и резинового кольца.
Ребра прикреплены к корпусу модуля-головки болтом с гайкой и пружинной шайбой.
Резиновое кольцо герметизирует соединение модуля-головки с модулем-секцией.
Модуль-секция
состоит из:
- корпуса,
- вала со шпонкой,
- пакета ступеней (рабочих колес и направляющего аппаратов),
- верхнего и нижнего подшипника,
- верхней осевой опоры,
- головки,
- основания,
- двух ребер
- резиновых колец.
Входной модуль
предназначен для приема и предварительной очистки от механических примесей перекачиваемой продукции и состоит из:
- основания с отверстиями для прохода пластовой жидкости,
- подшипниковых втулок и сетки,
- вала с защитными втулками
- шлицовой муфты для соединения вала модуля с валом гидрозащиты.
При помощи шпилек модуль верхним концом подсоединяется к модулю-секции.
Нижний конец входного модуля присоединяется к гидрозащите двигателя.
В тех случаях, когда требуется устранить вредное влияние свободного газа на работу насоса, вместо входного модуля устанавливается газосепаратор
Насосная ступень является основным рабочим органом скважинного центробежного насоса,
Каждая ступень насоса состоит из рабочего колеса и направляющего аппарата.
Подача насоса зависит от размера и конфигурации (типа) ступеней.
Применяют два основных типа (конструктивных исполнения) ступеней:
• ступени с цилиндрическими лопатками (применяются в насосах с низкой подачей - до 250 куб. м/сут) и
• ступени с наклонно-цилиндрическими лопатками (применяются в насосах с подачей свыше 250 куб. м/сут).
Работа насоса основана на взаимодействии лопаток вращающегося рабочего колеса и перекачиваемой жидкости.
Вращаясь, рабочее колесо сообщает круговое движение жидкости, находящейся между лопатками.
Вследствие возникающей центробежной силы жидкость от центра колеса перемещается к внешнему выходу, а освободившееся пространство вновь заполняется жидкостью, поступающей под действием создаваемого разрежения.
Из рабочего колеса жидкость забрасывается в направляющий аппарат, который по своим каналам направляет жидкость к центральной части следующего колеса.
Вследствие такого принудительного отклонения потока жидкости, на внутренних стенках направляющего аппарата создается давление.
Таким образом, скоростная энергия преобразуется в энергию давления.
Желтый цвет - рабочее колесо.
Коричневый цвет - направляющий аппарат
Ступень радиальной конструкции
(с цилиндрическими лопатками)
1 – направляющий аппарат;
2,4 – кольцевые безлопаточные камеры;
3 – рабочее колесо;
5 – нижняя опорная шайба;
6 – защитная втулка;
7 – верхняя опорная шайба;
Ступень радиально-осевой конструкции
(с наклонно-цилиндрическими лопатками
1 – направляющий аппарат;
2 – рабочее колесо;
3 – обойма (корпус) направляющего аппарата;
4 – опорные шайбы;
5 – вал;
6 – шпонка
Работоспособность ступеней насоса зависит от схемы сборки ступеней в корпусе насоса
Различают следующие схемы сборки:
• традиционная сборка («плавающее» рабочее колесо),
• «компрессионная» сборка
• «пакетная» сборка.
НАСОСЫ С «ПЛАВАЮЩИМ ТИПОМ» РАБОЧИХ КОЛЕС
В насосах такой конструкции, рабочие колеса не фиксированы на валу и могут перемещаться вдоль вала между двумя направляющими аппаратами, то есть «плавать».
Вал, который не несет на себе нагрузку от колес, подвешивается на осевой опоре.
При работе насоса, каждое рабочее колесо, опирается нижним диском на кольцевой бурт направляющего аппарата.
Для уменьшения силы трения в нижний диск рабочего колеса запрессована опорная шайба из износостойкого материала (текстолит, карбонит и т.п.).
Учитывая, что на некоторых режимах работы насоса (например, пусковой режим) рабочее колесо может «всплыть», т.е. переместиться до опорного бурта верхнего направляющего аппарата, в верхний диск колеса также запрессовывается опорная шайба.
В этом режиме падает КПД и ухудшаются условия прохождения по ступеням
НАСОСЫ КОМПРЕССИОННОЙ СБОРКИ
Соприкосновение рабочих колес обеспечивается за счет точной подгонки высоты ступиц.
Осевое усилие от каждого рабочего колеса передается на вал.
Вся осевая нагрузка от вала насоса передается на пяту гидрозащиты.
Преимущества «компрессионной» сборки:
- применение в условиях повышенного содержания механических примесей в добываемой продукции;
- разгрузка дисков рабочих колес от осевой нагрузки.
Недостаток «компрессионной» сборки: сложность монтажа.
В таких насосах за счет точной подгонки высоты ступиц рабочих колес, обеспечивается их соприкосновение друг с другом.
Такая «гребенка» колес фиксируется на валу.
Таким образом, осевое усилие от каждого рабочего колеса передается на вал.
Для восприятия такой осевой нагрузки требуется усиленная осевая опора, разместить которую в насосе не представляется возможным.
Поэтому вся осевая нагрузка от вала насоса передается на пяту гидрозащиты.
НАСОСЫ ПАКЕТНОЙ СБОРКИ
В таких насосах несколько рабочих колес и направляющих аппаратов (от 3 до 10 пар) собираются в пакеты, при этом высота ступиц рабочих колес подобрана таким образом, чтобы между колесами был небольшой зазор.
Особенность такой конструкции – способность насоса менять свои функции в зависимости от режимов работы, параметров перекачиваемой среды и интенсивности износа.
Рабочие колеса, изначально установленные «плавающими», по мере износа опорных шайб начинают передавать свою осевую нагрузку на нижние колеса, образуя «гребенку», характерную для компрессионных ступеней.
В результате весь пакет начинает передавать суммарную осевую нагрузку на специальную осевую опору, установленную в нижней части каждого пакета.
Нагрузка с опорных шайб колес снимается, и их износ практически прекращается, при этом протечки между ступенями минимальны, поскольку зазоры в уплотнениях близки к нулю.
«Пакетная» сборка обладает всеми преимуществами «компрессионной» сборки.
Лишена её главного недостатка - не требует подгонки при монтаже, что существенно уменьшает время монтажа и возможность ошибок монтажника.
Устройство рабочего колеса
Рабочее колесо состоит из двух дисков - нижнего, в виде кольца с отверстием большого диаметра в центре, и верхнего - сплошного диска со ступицей, через которую проходит вал.
Между дисками, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса.
Устройство направляющего аппарата
Направляющий аппарат состоит из диффузора, в виде стакана с отверстием большого диаметра в центре, и диска с отверстием, диаметр которого чуть больше диаметра втулки рабочего колеса. [направляющий аппарат]
Между диффузором и диском, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопатки, изогнутые в ту же сторону, что и лопатки рабочего колеса.
Дополнительные лопатки на заднем диске рабочего колеса исполняют роль диспергатора (турбулизатора), обеспечивая увеличение напора на 11%, и создавая более совершенную напорную характеристику Q-H
НРХ - графическая зависимость напора, потребляемой мощности и к.п.д. от подачи при постоянном числе оборотов называется
Основными параметрами насоса являются подача и напор.
Подача - объем жидкости, который перекачивает насос за определенный промежуток времени (Q, м3/сут).
Напор - это максимальная высота, на которую насос может поднять жидкость (Н, м), или давление, которое способен преодолеть насос, выраженное в метрах столба жидкости.
В зависимости от условий эксплуатации центробежные насосы имеют переменные подачи и напоры.
