1387
.pdfДля плавного пуска и кратковременного регулирования ско рости в цепь ротора двигателя включены резисторы; управление осуществляется контроллером.
Привод вспомогательной лебедки плавучих морских буро вых установок осуществляется двигателем постоянного тока, питаемым от тиристорного выпрямителя.
Для повышения надежности работы основного электрообо рудования в схемах принято раздельное питание цепей осве щения и управления. Освещение буровой установки общей мощностью 14 кВт разбито на группы: вышка освещена 14 све тильниками; буровая площадка и блок двигателей— 16 све тильниками; насосный блок, система глиноприготовления и тер ритория— 12 светильниками; освещение «безопасности»— 12 В; аварийное освещение получает питание от аккумуляторной ба тареи. Члены буровой бригады и электромонтеры снабжены также переносными аккумуляторными фонарями.
Глава 8
Электрооборудование для насосной эксплуатации нефтяных скважин
Значительную долю добываемой в СССР нефти получают из скважин, оборудованных для механизированной добычи на сосным и компрессорным способами.
Насосная эксплуатация возможна при помощи как штанго вых плунжерных насосов, так и бесштанговых погружных цен тробежных электронасосов. Область экономически целесооб разного применения того или другого вида насосной установки определяется сочетанием суточной производительности сква жины Q и глубины подвески насоса Яп.
Для глубиннонасосных штанговых установок эта область ха рактеризуется значениями Q= 5—50 м3/сут при Яп до 1 600 м и доходит до Q = 300 м3/сут при уменьшении Яп до 400 м.
Бесштанговые погружные насосы |
используются на скважи |
||
нах с форсированным |
отбором жидкости при |
значениях Q= |
|
= 400—500 м3/сут и на |
скважинах |
с меньшей |
производитель |
ностью Q= 40—300 м3/сут при Я п от |
2 800 до 400 м. |
||
§43. Глубиннонасосные штанговые установки
Вглубиннонасосной установке (рис. 8.1, а) плунжерный глу бинный насос 1 подвешивается на колонне насосных труб 3. При помощи колонны штанг 4 плунжеру насоса сообщается воз вратно-поступательное движение и передается энергия от ба лансира 7 станка-качалки. Станок-качалка с электродвигате
лем 12 и редуктором 10 преобразует вращательное |
движение |
в возвратно-поступательное движение балансира. |
/, внутри |
Собственно насос (рис. 8.1, б) состоит из цилиндра |
которого перемещается плунжер 2. При ходе плунжера вверх открывается нижний (приемный) клапан 4 при закрытом верх нем клапане плунжера 5. Жидкость из скважины засасывается в цилиндр насоса.
При ходе плунжера вниз клапан 4 закрывается, а нефть через открывающийся клапан 5 выдавливается в пространство насосных труб, идущих от устья скважины, к которым прикреп лен насос с помощью верхней муфты 3.
Колонна штанг в нижней части соединена с плунжером на соса 2 (см. рис. 8.1, а), а на устье скважины она через устьевой шток 5 соединена с головкой балансира станка-качалки 6.
293
Балансир 7 с помощью шатунов 8 связан с кривошипами 9, вал которых через редуктор 10 и клиноременную передачу 11 свя зан с электродвигателем 12.
Изменяя расстояние от кривошипного вала до места присо единения шатунов к кривошипу, можно в определенных преде-
6
Рис. 8.1. Основные элементы глубиннонасосной установки:
а — общая схема установки; б — схема устройства глубинного плунжерного насоса
лах регулировать ход устьевого штока, т. е. длину хода точки подвеса штанг, а значит, и плунжера насоса.
Для уравновешивания нагрузки подвижной системы станкакачалки и двигателя при ходе колонны штанг вниз и вверх применены балансирный 13 и кривошипный 14 противовесы. Число качаний балансира может изменяться за счет установки шкивов различных диаметров у клиноременной передачи 11. Диапазон изменения числа качаний у разных типов станковкачалок составляет от 4,7 до 15 в минуту.
294
На промыслах распространены станки-качалки нормального ряда по ГОСТ 5866—66, согласно которому предусматривалось девять базовых моделей станков-качалок от 1СК до 9СК.
ГОСТ 5866—76 предусматривает 13 типоразмеров станковкачалок от СК.2-0,6-250 до СК20-4.5-12500 с наибольшей допу стимой нагрузкой на устьевой шток от 20 до 200 кН и макси мальной длиной хода устьевого штока от 0,3 до 6 м.
Если не снабдить станок-качалку приспособлениями для уравновешивания, то нагрузки приводного электродвигателя при ходе плунжера вверх и вниз будут резко отличаться друг от друга, что сильно ухудшит энергетические показатели привода. При ходе плунжера вверх в точке подвеса штанг приложена статическая нагрузка, создаваемая весом столба жидкости над плунжером, весом самих штанг и силами трения. Последние обусловлены трением плунжера о стенки цилиндра насоса, тре нием штанг о жидкость и внутреннюю поверхность насосных труб, гидравлическими сопротивлениями при перемещении жидкости через насос и трубы.
Эта нагрузка не прикладывается внезапно, а постепенно воз растает в начальный период хода вверх благодаря демпфирую щему действию упругих деформаций штанг и труб. Кроме ста тической нагрузки к точке подвеса штанг оказываются прило женными и динамические силы, возникающие из-за инерционных свойств масс штанг и столба жидкости и продольных колебаний последних.
Результирующая сила, приложенная в точке подвеса штанг, при ходе плунжера вверх направлена против движения и со здает момент сопротивления, который преодолевается двига телем. При ходе плунжера вниз результирующая статическая нагрузка в точке подвеса штанг действует в направлении дви жения и разгружает двигатель. Она определяется весом штанг за вычетом веса занимаемого ими объема жидкости и сил тре ния. Вес жидкости над плунжером не действует на штанги. Так как верхний клапан насоса открыт, а нижний закрыт, то этот вес через нижний клапан передается насосным трубам.
При изменении направления движения плунжера усилие в точке подвеса не принимает мгновенно своего установив шегося значения, а постепенно убывает из-за упругих деформа ций штанг и труб.
Момент, обусловленный динамическими силами, при ходе плунжера вниз направлен против движения. Результирующий момент сопротивления при ходе плунжера вниз у неуравнове шенного станка-качалки много меньше, чем при ходе плунжера вверх, и в ряде случаев он может менять знак, т. е. совпадать по направлению с направлением движения. При этом двига тель переходит на генераторный режим и работает в качестве рекуперативного тормоза с отдачей в сеть электрической энер гии. Точка подвеса штанг А (см. рис. 8.1, а) при работе станка*
295
качалки совершает колебательное движение, перемещаясь по вертикали благодаря цепной подвеске устьевого штока. Соот ветствующий конец балансира перемещается по дуге. В связи с этим скорость перемещения точки А изменяется по закону, близкому к гармоническому. При определенной нагрузке, при ложенной к точке подвеса штанг, момент и мощность будут из меняться гармонически во времени. На эти основные пульсации мощности накладываются дополнительные затухающие со вре менем пульсации, возникающие в результате продольных коле
баний штанг.
На рис. 8.2 показаны графики мощности электродвигателя уравновешенного и неуравновешенного станков-качалок, соответ
ствующие 10 качениям в минуту. За один цикл работы насоса (одно качание) каждый из показанных графиков имеет два максимума и два минимума. Максимумы от носятся к средним положе ниям балансира, а мини мумы— к крайним. Станок-
1 г 3 4 5 t,с качалка уравновешивается специальными противове сами, которые устанавли вают на плече балансира, противоположном точке подвеса штанг, либо на
кривошипах. В первом случае говорят о балансирном уравно вешивании, во втором — о кривошипном уравновешивании. Ча сто применяют комбинированное уравновешивание (см. рис. 8,1, а), при котором противовесы размещаются и на балан сире и на кривошипах.
При уравновешивании станка-качалки исходят из необходи мости обеспечения наименьшего среднеквадратичного значения вращающего момента за полный цикл работы, которому соот ветствуют ходы плунжера вверх и вниз. Опыт показывает, что при этом практически обеспечивается равенство максимумов вращающего момента за оба полуцикла, т. е. при ходе плун жера вверх и при ходе его вниз, а также равенство работ, со вершаемых двигателем за оба полуцикла.
Таким образом, достаточно уравновесить станок-качалку, чтобы соблюдалось условие равенства максимумов момента за оба полуцикла. Соблюдение этого условия может быть очень просто проверено, если вращающий момент электродвигателя пропорционален силе тока.
В этом случае по пиковым значениям тока статора двига теля / в при ходе плунжера вверх и / н — вниз можно судить о моментах. У применяемых для привода станков-качалок ко роткозамкнутых асинхронных двигателей при достаточно боль-
296
той загрузке ток статора и момент без больших погрешностей можно принимать пропорциональными друг другу. Поэтому при идеальном уравновешивании / в = / н.
Степень неуравновешенности станка-качалки характеризу ется величиной
е = 2 /в |
/н |
( |
8 |
. ) |
/в + |
/н |
|
1 |
|
|
|
|
При этом считается, что станок-качалку следует доуравновесить, если е^0,1. Силу тока обычно измеряют измерительными клещами, не включая прибор в рассечку провода сети.
§ 44. КПД и коэффициент мощности электродвигателя станка-качалки
Даже при идеальном уравновешивании станка-качалки гра фик нагрузки двигателя остается неравномерным, так как не уничтожаются ее пульсации, определяемые законом изменения скорости точки подвеса штанг. Вследствие этого КПД и cos ф асинхронного двигателя снижаются против номинальных, соот ветствующих постоянной нагрузке, даже при условии равен ства номинальной мощности Рн среднеквадратичной мощности нагрузки Рэ.
При ухудшении уравновешивания увеличивается коэффици ент формы нагрузочной кривой /Сф. Недогрузка двигателя по нагреву, т. е. работа при РЭ< Р н, в свою очередь снижает его КПД и cos ф.
При работе двигателя с периодически меняющейся нагруз кой его КПД и cos ф зависят от коэффициента формы нагру зочной кривой /Сф и соответственно от КПД и cos ф при посто янной во времени нагрузке.
При переменной циклической нагрузке КПД двигателя при
вода |
станка-качалки |
за цикл |
нагрузки |
выразится равенством |
||
Лц |
|
Рср |
|
|
|
(8.2) |
Лф + Ар ’ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
где Рср — среднее значение мощности |
на валу |
двигателя за |
||||
цикл; |
АР — среднее |
значение |
потерь |
мощности |
в двигателе |
|
за цикл. |
двигатель |
по эквивалентной (среднеквадратичной) |
||||
Выбрав |
||||||
мощности |
Рэ{Рн>Рэ) |
и обозначив КПД, соответствующий эк |
||||
вивалентной МОЩНОСТИ, Т|э получим |
|
|
||||
АР — Ц 1 Л1 . P s. |
|
|
|
(8.3) |
||
|
|
ha |
|
|
|
|
297
Подставив выражение |
(8.3) в равенство (8.2) при |
= /Сф, |
|
получим |
* |
с р |
|
Лэ_________ |
(8.4) |
||
Р ср_______ |
|||
^ = ------- |
Лэ + (1 — Лэ) |
|
|
^*ср + |
|
||
|
|
“Пи
Выражение (8.4) показывает, что Лц тем сильнее зависит от коэффициента формы нагрузочной кривой, чем меньше г ] э -
Эксплуатационный коэффициент мощности при циклической нагрузке cos <рц определяется из выражения
|
c o s ф ц = |
|
Р 1 ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
(8.5) |
|
|
VbUxh* ’ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где Pi ср — средняя |
активная |
мощность, потребляемая трехфаз |
|||||||||||
ным двигателем из сети за |
цикл |
нагрузки; |
1\э— среднеквад |
||||||||||
ратичное |
за |
цикл |
нагрузки значение |
тока статора |
двигателя; |
||||||||
U1 — линейное напряжение сети. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Учитывая, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Р 1ср |
Р ср |
Р э |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Лц |
/СфЛц |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
cos9„ = ------- ^ -------. |
|
|
|
|
|
|
(8.6) |
|||||
|
тц |
|
К ф Л ц / з а д э |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Коэффициент мощности при постоянной нагрузке, равной |
||||||||||||
среднеквадратичной,за цикл |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
C O S Ф э |
= |
- |
Р, |
|
|
|
|
|
|
|
|
(8.7) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Лэ/3 £/ills |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Из выражений (&6) и (8.7) получаем |
|
|
|
|
||||||||
|
C O S ф ц = С 0 5 ф э Лэ |
|
|
|
|
|
|
|
(8. 8) |
||||
|
|
|
|
^ФЛ1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Заменяя т]ц его выражением из |
(8.4), имеем |
|
|
|||||||||
|
c o s ф ц |
= |
|
/_Лэ__ |
Лэ+ l) |
|
|
|
|
|
(8.9) |
||
|
|
C O S ф э |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
и ф |
|
|
|
|
|
|
Таблица 8.1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Л и c o s ф э л е к т р о д в и г а т е л я |
п р и в о д а с т а н к а - к а ч а л к и |
||||||||||
|
|
|
|
|
п р и р а з л и ч н ы х з н а ч е н иКя3х |
|
|
|
|||||
|
|
|
COS ф э |
|
|
|
|
|
|
COS |
ф ц |
|
|
|
|
|
|
|
н е у р а в н о в е |
п о л н о с т ь ю |
н е у р а в н о в е |
п о л н о с т ь ю |
|||||
|
|
|
|
|
ш е н н ы й |
у р а в н о в е ш е н |
ш е н н ы й |
у р а в н о в е ш е н |
|||||
|
|
|
|
|
с т а н о к |
н ы й с т а н о к |
с т а н о к |
н ы й с т а н о к |
|||||
1 |
0,3 |
|
1 |
0,3 |
1 |
0,3 |
1 |
|
0,3 |
1 |
0,3 |
1 |
0,3 |
0,88 |
0,8 |
0,83 |
0,68 |
0,65 |
0,5 |
0,834 |
0,731 |
0,312 |
0,274 |
0,605 |
0,507 |
||
298
При помощи формул (8.4) и (8.9) можно вычислить значе ния г]ц и cos фц в зависимости от коэффициента формы кривой
р
К ф для различных степеней загрузки двигателяК3 = ——. От
Рн
величины /Сз зависят г]э и cos фэ данного двигателя. Как указы валось ранее, чем лучше уравновешен станок-качалка, тем меньше К ф . Например, для станка-качалки, приводящего в дей ствие насос диаметром 56 мм, при ускорении перемещения точки подвеса штанг 0,5 м/с2 коэффициент формы нагрузочной кривой изменяется от 1,46 при идеально уравновешенном стан ке-качалке до 3,94 при неуравновешенном.
Если применять здесь электродвигатель |
АОП2-52-4 мощ |
|||
ностью 10 кВт, 1465 об/мин, |
то для него при /С3= 1 |
т]э=0,88 и |
||
cos(p3 = 0,83 и |
при /С3 = 0,3 Т1э=0,8 и coscp3 = 0,68. |
значения |
||
Пользуясь |
выражениями |
(8.4) и (8.9), |
находим |
|
г)ц и cos фц при полностью уравновешенном и неуравновешенном станке-качалке и при загрузке двигателя по нагреву /С3=1 и
/С3 = 0,3. Результаты |
представлены |
в табл. 8.1. Как показы |
|
вают данные табл. 8.1, при полном |
использовании двигателя |
||
по нагреву |
(/С3=1) |
КПД цикла при |
переходе от уравновешен |
ного станка |
к неуравновешенному снижается от 0,834 до 0,65, |
||
a cos фц — от 0,605 до 0,312. |
уменьшаются, если двига |
||
Эти коэффициенты еще сильнее |
|||
тель не полностью нагружен, т. е. Кэ*<1- Но при самых благоприятных условиях, соответствующих
/С3=1, и при полностью уравновешенном станке-качалке, двига тель будет работать, имея rj4= 0,834 и созф = 0,605 вместо ri3 = = 0,88 и соэф = 0,83, соответствующих постоянной нагрузке.
§ 45. Определение мощности электродвигателей для станков-качалок
Для определения мощности электродвигателя для привода станка-качалки необходимо знать подачу насоса и глубины его подвески, а также некоторые параметры насоса и станка.
Существует несколько формул для определения мощности. Остановимся на двух из них, дающих достаточно хорошие ре зультаты при выборе двигателей по нагреву для станков-кача лок нормального ряда.
Согласно формуле, предложенной сотрудниками АЗИННЕФТЕХИМА им. Азизбекова Б. М. Плющом и В. О. Саркися ном, эффективная мощность электродвигателя
Р, = — (Kt + KfiQn, |
(8.10) |
Лп |
|
где G — масса (в кг) столба жидкости над плунжером, опреде ляемая полной площадью плунжера и высотой подачи жидко сти; s — длина хода устьевого штока, м; п — число качаний в 1 с;
299
г|п — КПД передачи от вала электродвигателя к валу криво шипа, которым учитываются потери в редукторе и клиноремен
ной |
передаче (0,96—0,98); К\ — коэффициент, зависящий от |
типа |
станка-качалки; К2 — коэффициент, значение которого мо |
жет быть найдено для. насосов диаметром 28—120 мм из выра жения
/С2= 1,26- 10-а 1 / 0 ,2 8 (1 + 3 ,6 - ^ - 106V + «n • |
(8.П) |
Здесь d — диаметр плунжера насоса, мм; ап — коэффициент по дачи установки, представляющий собой отношение фактической подачи установки Q к теоретической подаче QT, определяемой полным объемом, описываемым плунжером при равенстве хода последнего ходу устьевого штока 5.
Фактически ход плунжера меньше 5 из-за деформации штанг и труб. Часть объема, освобождающегося под плунжером при ходе его вверх, остается незаполненной вследствие наличия газа в цилиндре и запаздывания открытия и закрытия клапанов; часть жидкости утекает через неплотности. Значения ап прини маются для условий нового насоса и лежат в пределах 0,8—0,85.
Производительность насосной установки
Q= 0,785ап snd*10_вм3/с. |
|
|
(8.12) |
Ориентировочные значения коэффициента Ki |
|
||
Станок-качалка |
Ki |
Станок-качалка |
Ki |
СК2-0,6-250 |
1,2 |
СК Ю-3-5600 |
9,6 |
СКЗ-1,2-630 |
2,1 |
СКЮ-4,5-8000 |
13,2 |
СК5-3-2500 |
6,0 |
|
|
Согласно формуле Азинмаш эффективная мощность элект родвигателя
Рэ= П К оК ^Н т Ю -' + Ро, |
(8.13) |
где Ко — относительный коэффициент кривой вращающего мо мента на валу электродвигателя, равный отношению фактиче ского коэффициента формы кривой к коэффициенту формы для
синусоиды, равному 1,11, т. е./С0 = ; Ка — поправочный ко
эффициент, зависящий от отношения истинного пробега плун жера к длине хода устьевого штока (учитывающий влияние деформации штанг и труб); Н — высота подвеса насоса, м; Ро — постоянные потерн в станке-качалке, не зависящие от нагрузки (потерн «холостого хода»), кВт.
Например, для станка-качалки 8СК при s = 3,5 м, d = 44 мм, //=1200 м и л = 10 качаний в минуту /С0=2,62; /Са= 0,91; Р0= =0,3 кВт и по формуле (8.13) получаем Рэ= 33,7 кВт.
300