Технология энергосберегающей добычи

А.И. Рабинович


ТЕХНОЛОГИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ  ДОБЫЧИ НЕФТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  ПОГРУЖНЫХ
ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ


Анализ проблем и пути их решения















Пермь
2017

УДК 622.276.054-048.34
ББК 33.361
Р12

Рецензенты:
заведующий кафедрой машин и оборудования  нефтяной
и газовой промышленности, профессор, доктор технических наук,
лауреат премии имени академика И.М. Губкина В.Н. Ивановский (Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина);
академик РАЕН, действительный член Академии инженерных наук
им. А.М. Прохорова, доктор технических наук, профессор В.В. Кульчицкий (Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина)

Рабинович, А.И.
Р12            Технология энергосберегающей добычи нефти с использова- нием погружных электроприводных центробежных насосов. Анализ проблем и пути их решения. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2017. – 72 с.

ISBN 978-5-398-01734-2

     Дана подробная информация по основам проектирования и примене- ния погружных энергосберегающих насосных систем для добычи нефти. Изложены сведения о разработках, исследованиях, промысловых испыта- ниях и представлены сравнительные оценки стоимости владения серийным и инновационным оборудованием.
     Предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, исследованиями, производством, эксплуатацией оборудо- вания и технологиями добычи нефти. Может быть полезна студентам горных, геофизических, электротехнических специальностей высших и средних учеб- ных заведений. Представляет интерес для специалистов проектных организа- ций и сферы материально-технического обеспечения.

УДК 622.276.054-048.34
ББК 33.361



ISBN 978-5-398-01734-2	? Рабинович А.И., 2017



ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ................................................................................................. 4
Глава 1. Научно-технические аспекты разработки погружных энергосберегающих электроцентробежных установок..................... 7
1.1. Технология энергосберегающей добычи............................. 7
1.2. Концепция энергоэффективных насосных систем ............. 8
1.3. Основные принципы проектирования
энергосберегающих насосов ................................................. 9
1.4. Вентильный привод. Базовые преимущества..................... 21
1.5. Цеховые (лабораторные) испытания
энергоэффективных систем в ОКБ БН ............................... 27
1.6. О комфортности для потребителя процесса внедрения инновационного оборудования.......................................... 29
1.7. Результаты эксплуатации
энергосберегающих установок ........................................... 39
Глава 2. Надежность инновационного оборудования
и экономическая целесообразность его эксплуатации..................... 46
2.1. Статистика по надежности................................................... 46
2.2. Факторы, определяющие экономическую эффективность нового оборудования
для всех участников процесса ............................................. 51
2.3. Стоимость владения.............................................................. 54
2.4. Особенности расчета эффективности внедрения
установок малой производительности ............................... 61
Выводы ................................................................................................ 65
Список литературы.............................................................................. 67

       Основа успешного развития отрасли – не импортозамещение, а опережающие разработки



ВВЕДЕНИЕ

    Для добычи нефти с 2008 года достаточно активно ис- пользуются энергосберегающие установки электроприводных центробежных насосов (УЭЦН). «Новометом» за это время выпущено более 3000 единиц такого оборудования. Его экс- плуатация показала, что, по сравнению с типовым, энерго- сберегающее  снижает  потребление  электроэнергии  на  25–
30 %. Его надежность при этом не уступает надежности тра- диционного оборудования. Казалось бы, все вопросы, связан- ные с эксплуатацией этой достаточно сложной разработки, за эти годы должны были быть решены.
    Однако, как выясняется на встречах с нефтяниками, кол- легами-конкурентами, представителями вузов, всестороннего понимания, что такое энергоэффективное оборудование и как его оптимально использовать, у специалистов нет.
Поэтому главная цель автора – попытка подробно отве-
тить на постоянно и многократно задаваемые вопросы:
– Откуда берется столь существенная экономия электро-
энергии?
    – Действительно  ли  разработка  «Новомета»  опередила лучшие зарубежные образцы?
    – Как  связаны  между  собой  изменения  КПД  насосов и скорости их вращения?
– От чего зависит цена установки, можно ли при их при-
менении увеличить добычу нефти?

    Одновременно в работе рассматриваются и такие нетри- виальные вопросы, как стоимость владения – это действи- тельно главный аргумент для принятия решения по закупкам? Почему нефтяники массово не приобретают энергосбере- гающее оборудование? Нужны ли вообще российским нефтя- никам подлинные инновации или достаточно обойтись мо- дернизацией на уровне рацпредложений?
    Безусловно, автор как один из разработчиков нового обо- рудования пытается склонить сомневающихся специалистов к позитивному взгляду на энергосберегающую технологию до- бычи нефти.
Поэтому в публикации рассмотрены основные положения
этой современной технологии, подробно изложена концепция проектирования  энергоэффективных  УЭЦН,  потребляющих на 25 % меньше электроэнергии, чем их серийные аналоги1.
    Показаны технологические замеры экономии, полученные в разных  компаниях,  и  результаты  надежности  эксплуатации нового оборудования. Объяснено, почему при сравнении уста- новок, работающих в скважинах, величина экономии может достигать 30–40 %, а в отдельных случаях доходить и до 50 %.
    Сделан вывод о том, что технология энергосберегающей добычи – тренд развития отрасли, и потому в расчетах удель- ных затрат на одну добывающую механизированную скважи- ну эту информацию, безусловно, учитывать необходимо.



    1 Комплектация последних включает насос, предназначенный для работы при синхронной частоте 3000 об/мин, предвключенные устройст- ва, асинхронный двигатель, станцию управления с прямым пуском или с частотным преобразователем, кабельную линию и повышающий транс- форматор.

Обозначены вопросы, необходимые для сравнения стоимо-
сти владения серийным и энергосберегающим оборудованием.
    Показаны соотношения между осевыми размерами серий- ных и новых насосов в зависимости от изменения частоты вра- щения. Приведены расчетные данные об экономии электро- энергии, получаемой на установках габарита 5А. Эти результа- ты могут стать ориентиром для принятия решения о покупке того или иного типа оборудования. Показано, в каких случаях и за счет каких процессов при применении высокооборотных УЭЦН может происходить увеличение добычи жидкости.
    Кроме подробного анализа технико-экономических про- блем внедрения инновационных УЭЦН, в публикации сделана попытка объяснить причины многолетнего отрицательного от- ношения отечественных потребителей к покупке многих других уникальных изделий российского производства. А для лучшего понимания влияния социально-психологических факторов на различное отношение к отечественным и зарубежным новинкам вводится термин «комфортность внедрения» или «комфорт- ность принятия решения об их использовании».
    Автор выражает благодарность всем сотрудникам груп- пы компаний «Новомет» за активное участие в проектирова- нии, изготовлении и внедрении энергосберегающего обору- дования  и  за  плодотворное  сотрудничество  в  подготовке и оформлении данного материала. Особенно хотелось бы вы- разить искреннюю признательность единомышленникам – соавторам многочисленных статей, методик и докладов, чьи имена   упоминаются   в   библиографии:   О.М.   Перельману, Ш.Р. Агееву, А.М. Санталову, Ф.Ф. Хафизову, О.Е. Иванову, Д.Н. Мартюшеву, С.Д. Слепченко, С.Н. Пещеренко, П.А. Хар- ламову, И.П. Меретякову, Е.Е. Григоряну.




Глава 1
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ  АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ  ПОГРУЖНЫХ  ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ УСТАНОВОК

1.1. Технология энергосберегающей добычи

Этапы технологии:
    1. Разработка для каждого габарита полного ряда энерго- сберегающих насосов и двигателей, которые совместно уве- личивают КПД погружной установки в 1,2–1,35 раза по срав- нению с серийными изделиями. Для получения таких резуль- татов ступени насоса должны быть гидравлически совершен- ными, привод установки вентильным, а станция управления (СУ) должна комплектоваться частотным преобразователем. В этом случае общий КПД УЭЦН, в зависимости от габарита, подачи и глубины спуска, будет на 14–17 пунктов больше, чем у используемого сейчас оборудования, а сокращение электропотребления из сети достигнет 20–25 %.
При этом все секции и узлы системы должны соответст-
вовать  требованиям,  прописанным  в  ГОСТе  Р  56830–2015
«Установки скважинных электроприводных лопастных насо- сов. Общие технические требования» [1], и быть работоспо- собными в абразивной среде при скорости вращения вала системы до 6000 об/мин.
2.  Подбор  оптимальной комплектации  УЭЦН  для  кон-
кретной скважины с учетом возможных изменений исходных

данных по пласту за время эксплуатации предлагаемого обо-
рудования.
    3. Спуск установки в скважину и вывод ее на выбранный режим эксплуатации. В процессе эксплуатации периодическое определение изменений характеристик насоса и корректировка его режима регулированием скорости вращения частотным пре- образователем. Это позволяет, как будет показано далее, при эксплуатации уменьшить энергопотребление еще на 5–10 %.

1.2. Концепция энергоэффективных насосных систем

    В погружных центробежных насосных системах 80–90 % потерь мощности происходит в насосе и двигателе. Осталь- ное приходится на кабель, СУ и трансформатор. Поэтому наибольший эффект по сбережению электроэнергии можно получить, подняв КПД именно насоса и привода. При этом будет   и   заметный   синергетический   эффект,   связанный с уменьшением величины тока. Кабель, СУ и трансформатор будут нагреваться меньше.
Концепция создания энергосберегающих насосных сис-
тем состоит в следующем:
? Переходим на вентильные приводы, имеющие КПД на
8–9 % выше, чем асинхронные.
    ? Разрабатываем гидродинамически совершенные ступе- ни  с более  высоким,  чем  у  серийных  аналогов,  КПД.  При этом, к сожалению, проигрываем в их напорности.
? Для создания требуемой величины напорности увели-
чиваем рабочую скорость вращения вала насоса.

    ? С целью сохранения надежности модернизируем сис- тему радиальных и осевых подшипников всех узлов УЭЦН. При этом конструкции должны быть работоспособны в диа- пазоне скоростей 3000–6000 об/мин.
    ? Меняем критерий подбора установок к скважинам. Вместо положения «один типоразмер – одна номинальная подача» переходим на принцип «один типоразмер – диапа- зон номинальных подач».
    Обязательное наличие в вентильном приводе частотного преобразователя позволяет осуществить такой переход без особых  затрат  и  проблем.  Кроме  того,  изменение  частоты в широких пределах, как минимум вдвое, уменьшает количе- ство требуемых типоразмеров и обеспечивает функционирова- ние установок всегда в точке с максимально возможным КПД.
    ? Принцип создания погружных установок малого (2А и 3)  габарита  принципиально  не  отличается  от  концепции, представленной   выше.   Исключение   составляет   появление в габарите 2А модуля смещения вала насоса.

1.3. Основные принципы проектирования энергосберегающих насосов

Полезная гидравлическая работа насоса практически пол-
ностью определяется КПД ступеней, из которых он состоит.
    В настоящее время в серийных погружных лопастных насосах применяются гидравлически неоптимальные ступени из-за необходимости обеспечения достаточно большого напора  (до  3650  м)  при  скоростях  вращения  в  диапазоне
3000–3600 об/мин.

    Напор, подача и КПД – основные параметры ступеней. Прямых зависимостей между этими параметрами, если мы бу- дем рассматривать разные типоразмеры и конструкции, не имеется. Есть корреляционные зависимости. Одна из них: чем больше мы стремимся получить КПД, тем меньше будет напор ступеней. Соответственно, чтобы сохранить напор, число сту- пеней в насосе придется увеличивать. Это приведет к удоро- жанию насоса, затруднит монтаж, усложнит транспортировку.
    Сейчас в мире сложился определенный компромисс ме- жду стоимостью насоса, его длиной, напором, числом ступе- ней и КПД.
    Если просто увеличить КПД и длину насоса, такое изде- лие станет на рынке неконкурентоспособным по цене. Необ- ходимо при сохранении высокого КПД увеличить напорность ступеней, т.е. напор на единицу монтажной высоты. Для ре- шения этой задачи «Новомет» выбрал путь повышения часто- ты вращения установки, так как напор ступеней с повышени- ем частоты вращения возрастает в квадратичной зависимости. Это позволяет при высоком КПД сделать длину насоса даже меньшей, чем у серийных изделий. Подробно этот аспект мы рассмотрим во второй части публикации в разделе «Стои- мость владения».
    Сравнение КПД гидравлически оптимальных энергосбе- регающих и серийных насосов 5-го габарита отечественных производителей показано на рис. 1, а. Данные взяты из ката- логов заводов-изготовителей. Согласно им, увеличение КПД энергосберегающих насосов по сравнению с серийными со- ставило 7–10 пунктов. При этом наибольший эффект достиг- нут на малых подачах. Кроме того, на предприятии проводит-

ся подготовка производства к выпуску насосов 5-го габарита с подачами 13–20 м3/сут и с КПД 44–48 %. Чтобы не загро- мождать рис. 1, а, более подробная информация представлена на рис. 12. Здесь же показаны уровни энергоэффективности согласно классам e1, e2, e3 ГОСТ Р 56624–2015, где e1 – уро- вень КПД для насосов со стандартными (серийными) ступе-
нями; e2 – уровень для насосов с повышенным КПД; e3 –
уровень для насосов с высоким КПД [2].
    Видно, что серийные насосы «Новомета» соответствуют уровню e2, а энергосберегающие – даже превосходят e3!
    Более сложная картина по анализу рабочих органов габа- рита 5А представлена на рис. 1, б. Если сравнивать только конструкции отечественных изготовителей, то насосы с ин- новационными ступенями так же, как и в габарите 5, по КПД выше на 7–10 пунктов.
    В сравнении с лучшими зарубежными образцами КПД новых насосов в основном на 2–4 пункта больше. В отдель- ных случаях совпадают и соответствуют уровню класса e3. Но преимущество новометовского оборудования в этом слу- чае заключается в существенно более высокой напорности ступеней за счет функционирования установок на повышен- ных оборотах и использовании энергосберегающего электро- привода. Подробно о последнем будет сказано в главе 1.4.
Для  примера  сравним  параметры  насосов  «Centrilift»  и
«Новомета» (табл. 1). Из этих данных следует, что для одинако- вых подач длина активной части российского насоса окажется кратно меньше. Соответственно, это оказывает существенное влияние на себестоимость изделий. Теоретически раскрутить зарубежные насосы на большие обороты можно. Напорность их

при этом возрастет, но никто не даст гарантии, что наработки на отказ установок на повышенных оборотах останутся на прежнем уровне. Для этого необходима модернизация всех их основных узлов.


Рис. 1. Уровни энергоэффективности
и КПД энергосберегающих (э) и серийных насосов при 2910 об/мин:
а – 5-го габарита; б – габарита 5А

Таблица  1

Сравнение параметров насосов «Centrilift» и «Новомета»


Наименование ступени
Параметр


Подача,
м3/сут

КПД, %

Напорность,
м/м
Разница
в напорности,
разы
Centrilift 400 P18
250
70
81

5,2
Новомет ЭЦН5А-250Э
(4410/180Э)

250

66

419

Centrilift 400 P43
590
72
49

2,7
Новомет ЭЦН5А-590Э
(4190/410Э)

590

73

131


Объем рынка установок габарита 5А с подачами менее
100 м3/сут в настоящее время сравнительно небольшой. По- этому, хотя в «Новомете» и есть несколько вариантов энегос- берегающих ступеней с малыми подачами, мы пока не видим целесообразности в обсуждении проблем установок с такими подачами в этом габарите.
    Энергоэффективность серийных насосов наших россий- ских конкурентов в основном ниже уровня e2, а уровни КПД энергосберегающих насосов как 5-го, так и 5А габаритов соот- ветствуют классу е3 для насосов с высоким номинальным КПД (ГОСТ 56624-2015) [2].
    Есть еще три момента, хотя и менее существенных, но также свидетельствующих о целесообразности повышения скорости вращения.
    Как  было  показано  П.Д.  Ляпковым  еще  в  1955  году, на сборках ступеней как осерадиального, так и диагонального типа существует явная тенденция повышения КПД на 3–4 % с увеличением скорости вращения от 3000 до 5000 об/мин:

?n = 1 – (1 – ?2910)(2910/n)0,15,

где ?n – КПД насоса при частоте вращения n, об/мин [3].
    Ранее эта формула приводилась многократно во многих публикациях [4–6].
    Аналогичную экспериментальную работу, но уже с исполь- зованием насосных секций со ступенями осерадиального и энергосберегающего типа провел и «Новомет» – рис. 2, а, б [7].



Рис. 2. Зависимость максимального КПД от частоты вращения:
а – серийные насосы; б – энергосберегающие насосы

    Видно, что КПД насосов с осерадиальными ступенями при скоростях вращения в интервале 4000–5000 об/мин дос- тигает максимума. У насосов со ступенями энергосберегаю- щей конструкции в исследуемом диапазоне скоростей (3000–
6000 об/мин) прирост КПД пропорционален частоте враще- ния. Это, возможно, связано с другим соотношением диамет- ров направляющих аппаратов и рабочих колес.
    Второй момент связан с улучшением надежности работы как самих насосов [8] (рис. 3), так и газосепараторов в средах с большим содержанием свободного газа.




Рис. 3. Предельное газосодержание на входе
в насос ВНН5А-50 в зависимости от частоты вращения

    На (рис. 4) показано максимально возможное газосодер- жание на входе газосепаратора от подачи жидкости при по- стоянном остаточном газосодержании 25 % на разных часто- тах вращения [9].



Рис. 4. Влияние оборотов на работу газосепаратора ГН5-200

    Последний момент связан с меньшей деградацией рабо- чих характеристик относительно испытаний на воде лопаст- ных ступеней при работе в вязких средах на повышенных скоростях вращения (по сравнению с серийными ступенями, работающими при скорости вращения в районе 3000 об/мин). Согласно  исследованиям  П.Д. Ляпкова,  число  Рейнольдса в лопастных машинах равно



Re ?

3  Q 2 n  
,
?


где Q – подача в оптимуме; n – число оборотов; ?  – кинема-
тическая вязкость.
    Поэтому относительная вязкость среды с повышением оборотов условно как бы снижается. Это и приводит к срав- нительно лучшим характеристикам функционирования сту- пеней на повышенных оборотах [6, 10].
    Негативной стороной повышения скорости вращения будет снижение надежности насоса, если его конструкция останется неизменной. Пришлось построить специальный стенд испыта- ний насосных секций в абразивной среде при скоростях враще- ния до 6000 об/мин. Это позволило в довольно короткое время так изменить конструкцию радиальных и осевых подшипников, что период безаварийной работы на высокоскоростных секциях стал не меньше, чем у обычных насосов при одинаковых усло- виях испытаний. Правда, себестоимость единицы длины секции возросла. Но с учетом общего уменьшения длины насоса цено- вой компромисс стал возможен. Насос получился достаточно конкурентоспособным, особенно если за критерий оценки брать не цену изделия, а стоимость владения. Возможен и переход на

методику, где базовым критерием оценки конкурентоспособно- сти будет величина удельных затрат на скважину. Подробнее об этих вариантах – во второй главе работы.
    Согласно концепции, изменяя в широком диапазоне час- тоту вращения насоса, мы получаем, вместо рабочего интерва- ла характеристики насоса, рабочее поле, в котором для каждо- го расхода можно подобрать оптимальную частоту вращения для достижения максимума КПД. Кроме того, используя дан- ный  эффект,  можно  существенно  сократить  применяемую в нефтедобыче номенклатуру ступеней и, как следствие, сни- зить затраты на сервисное обслуживание.
    В табл. 2 для 5-го габарита, а в табл. 3 для габарита 5А представлено сравнение рядов серийных и энергосберегаю- щих ступеней по подачам, напорности и частотам вращения. При этом значение номинальной подачи в наименованиях энергосберегающих ступеней так же, как и в серийных ступе- нях, определяется при скорости вращения 2910 об/мин.
    Напорность ступеней «Новомет» вычисляли как отноше- ние напора в номинале к монтажной высоте ступеней. Для изделий  конкурирующих  фирм  напорность  рассчитывалась по данным, взятым из их каталогов, где приводятся значения напора, длины насосных секций и числа ступеней в них.
    Так как при подборе энергосберегающих установок к скважинам во многих случаях по подачам имеются несколько вариантов типоразмеров насосов, мы рекомендуем для экс- плуатации выбирать изделия с более высокой напорностью. По технико-экономическим соображениям это оказывается более целесообразным, нежели, например, выбор насоса с не- сколько большим КПД или меньшей скоростью вращения.





Таблица  2

Сравнение рядов серийных и энергосберегающих ступеней 5-го габарита


Номинал

  Наименование серийных ступеней
Напорность, м/м,
в номинале при
2910 об/мин
Режим эксплуатации энергосберегающих ступеней
(напорность, м/м/число оборотов, об/мин)



ВНН5-10Э
ВНН5-20Э
ВНН5-35Э
ВНН5-80Э
10


157 / 2910



15
ВНН5-15М1
246
354 / 4365



20
ВНН5-20
211
629 / 5820
166 / 2910


25
ВНН5-25М1
243

260 / 3640


30
ВНН5-30
184

375 / 4365


35
ВНН5-35
178

511 / 5095


40
Алнас ЭЦНАКИ5-40
181

665 / 5820
238 / 3330

45
ВНН5-45
207


301 / 3745

50
ВНН5-50
208


371 / 4160

60
ВНН5-59
209


535 / 4990

70
Алмаз 0ЭЦНДП5-65
182


727 / 5820

80
ВНН5-80М1
232



175 / 2910
90





222 / 3275
100
ВНН5-100
221



274 / 3640
125
ВНН5-125
199



428 / 4550
140





537 / 5095
160





700 / 5820







Ок ончан и е  табл .  2


Номинал

  Наименование серийных ступеней
Напорность, м/м,
в номинале при
2910 об/мин
Режим эксплуатации энергосберегающих ступеней
(напорность, м/м/число оборотов, об/мин)



ЭЦН5-140Э
ЭЦН5-210Э
ЭЦН5-320Э
ЭЦН5-400Э
160


176 / 3330



200
ЭЦН5-200
46
274 / 4160



250


428 / 5200
157 / 3465


300
Борец ЭЦНМИК5-300
61

226 / 4160


350



307 / 4850


400



401 / 5545
87 / 3640

450




110 / 4095

500
ВНН5-500
45


136 / 4550

550




164 / 5000

600




195 / 5460
133 / 4365
650





156 / 4730
700





181 / 5095
750





208 / 5460
Пр име ч ан ие : красным выделены режимы, не рекомендованные для эксплуатации по причине их относительно
низкой напорности.



Таблица  3
Сравнение рядов серийных и энергосберегающих ступеней габарита 5А


Номинал

  Наименование серийных ступеней
Напорность,
м/м, при
2910 об/мин
Режим эксплуатации энергосберегающих ступеней
(напорность, м/м/число оборотов, об/мин)



ВНН5А-
100Э
ЭЦН5А-
165Э
ЭЦН5А-
200Э
ЭЦН5А-
320Э
ЭЦН5А-
410Э
ЭЦН5А-
500Э
125
ВНН5А-124
282
200 / 3640





140
Reda DN1100 (145 м3/сут)
213
251 / 4075





160
ВНН5А-159
290
328 / 4660





180
Reda D1400N (180 м3/сут)
183
415 / 5240
232 / 3175




200
ВНН5А-199
267

287 / 3530




225
Centrilift 400 P16 (225 м3/сут)
165

363 / 3970




250
ВНН5А-240
201

448 / 4410




280
ВНН5А-280
160

562 / 4940
325 / 4080



320
ЭЦН5А-320Nr



424 / 4660



360
Алмаз 1ЭЦНДИ5А-360
108


536 / 5240



400
ЭЦН5А-400
96


661 / 5820
103 / 3640


450





130 / 4095


500
ВНН5А-500
75



161 / 4550


550
Reda D4300N (560 м3/сут)
48



195 / 5005


600
Wood Group TD4300 (600 м3/сут)
50



232 / 5460
135 / 4260

650






158 / 4615

700
ВНН5А-700
52




184 / 4970

750
Reda D5800N (760 м3/сут)
50




211 / 5325

800
Алмаз 1ЭЦНЛИ5А.1-800
56




240 / 5680
129 / 4660
850







145 / 4950
900







163 / 5240
Пр име ч ан ие : красным выделены режимы, не рекомендованные для эксплуатации по причине их относительно
низкой напорности.

    Видно, что в 5-м габарите диапазон подач и напорность возросли,  число  типоразмеров  ступеней  сократилось  с  16 до 8, а число типоразмеров насосов увеличилось с 16 до 35.
    В габарите 5А диапазон подач увеличился незначитель- но, напорность в ряде случаев возросла в 4–5 раз, количество типоразмеров ступеней изменилось с 17 до 8, а число типо- размеров насосов возросло с 17 до 27. Последнее позволяет подобрать  установку  с любой  требуемой  подачей  и  макси- мально возможным КПД.

1.4. Вентильный привод. Базовые преимущества

Рассмотрим, какие причины обусловливают в УЭЦН пе-
реход с асинхронного привода на вентильный.
    Основной   положительный   момент   –   это   повышение у вентильных двигателей с диаметром 117 мм и более КПД с 84,5 до 93 % [11]. Это даже превышает значения КПД, не- обходимые для отнесения погружных двигателей к классу энергоэффективных согласно п. 5.2 ГОСТ Р 56624–2015 [2].
    Здесь  можно  отметить,  что  в  2013  году  стандарт ISO/DIS 15551-1 Electric submersible pump systems for artificial lift (Системы электроцентробежных погружных насосов при механизированной эксплуатации) определил погружные вен- тильные электродвигатели для приводов электроцентробежных насосов как серийное оборудование.
    Вторая причина – особенность энергетической характе- ристики.  При  существенном  изменении  частоты  вращения и снимаемой мощности, которые необходимы по рассматри- ваемой технологии, у вентильного привода изменение КПД,

по ряду конструкционных особенностей, очень небольшое (рис. 5). Это позволяет не только оптимизировать отбор энер- гии из сети, но и уменьшить осевые размеры двигателей. Как известно, габариты электродвигателя коррелируют с количе- ством выделяемого в нем тепла.


Рис. 5. Влияние скорости вращения (а) и мощности вентильного двигателя (б) (117 мм) на КПД

Потери Р в двигателе и его КПД (?) связаны выражением

Р = Р2(1 – ?)/?,

где Р2 – мощность на валу двигателя.
    Поэтому при переходе с конструкции, обеспечивающей КПД 0,85, на дизайн, при котором КПД 0,93, тепловыделение в двигателе уменьшается в два раза! Соответственно, длину

активной части, без нарушения температурного режима дви- гателя, также можно уменьшить в два раза. В этом и заключа- ется главный смысл красивого инженерного решения перехо- да с асинхронного привода на вентильный.
    Из анализа формулы (при высоких значениях КПД) сле- дует, что прирост КПД даже на один процент существенно сказывается на тепловыделении в изделии.
    Если сравнить теплопотери при КПД 92 и 93 %, то их со- отношение составит 1,16. Таким образом, увеличение КПД вентильного электродвигателя на 1 % позволяет снизить теп- лопотери  в  нем  на  16  %.  Если  допустить,  что  все  потери в двигателе пропорциональны квадрату тока, то даже в этом случае можно либо снять с двигателя дополнительно около
10 % его мощности, либо уменьшить на эту величину длину активной части без нарушения его температурного режима [12].  Поэтому  практическое  значение  увеличения  КПД  на
1–2 % за счет, например, питания двигателя синусоидальным напряжением или за счет повышения частоты вращения до
4500–6000 об/мин более чем очевидно [13].
    Для двигателя диаметром 81 мм разница в КПД, в зависи- мости от типа привода, еще более возрастает. Поэтому для га- баритов 3, 2А инженерно и экономически нецелесообразно про- ектировать насосные системы на базе асинхронного привода.
    Здесь необходимо пояснить, каким методом можно измерять эффективность приводов при высоких скоростях вращения.
    Сейчас для прямого измерения КПД погружных двигате- лей под нагрузкой с частотами вращения до 3600 об/мин ос- новными  средствами  служат  специализированные  стенды,

в состав  которых  в  обязательном  порядке  должны  входить моментная муфта, нагрузочный генератор и ряд других узлов, цена  которых  существенно  зависит  от  скорости  вращения и передаваемого момента. В связи с этим стоимость стенда, позволяющего проводить испытания двигателей с диапазо- ном частот вращения до 6000 об/мин и мощностью до 1 мВт, выходит за рамки экономической целесообразности. Поэтому таких стендов для погружного электродвигателя в мире нет. И в обозримом будущем не предвидится.
    Однако ГОСТ 25941–83 [14] для электрических машин предусматривает возможность использования, кроме метода непосредственного измерения, еще по крайней мере пяти косвенных способов определения КПД путем измерения по- терь в двигателе. Практическое значение для испытаний по- гружных электродвигателей имеют: метод двух машин, метод ненагруженного двигателя и калориметрический метод. «Но- вомет» использует так называемый метод ненагруженного двигателя, причем вносит в него изменения, позволяющие повысить его точность.
    Для определения КПД проводятся два опыта. В первом определяются потери холостого хода Рхх, т.е. основные поте- ри в стали Рст, механические Рмех и добавочные потери холо- стого хода Рдхх, при этом

Рхх = Рст + Рмех + Рдхх.

    Для этого двигатель приводится во вращение с номи- нальной частотой вращения на холостом ходу, измеряется подводимая к двигателю мощность холостого хода в зависи- мости от температуры внутри него. Согласно п. 3.3.3 ГОСТ

новные потери в меди Рм рассчитать по известной формуле

P  ? mI 2 R,

где m – число фаз; Iн  – номинальный ток двигателя; R – ак- тивное сопротивление фазы при рабочей температуре. До- полнительные потери при нагрузке Рдн рекомендуется при- нять, согласно п. 6.2.5, равными 0,5 % от потребляемой мощ- ности Р1. КПД определяется по выражению

? = 1 – (Pм + Рхх + 0,005Р1)/Р1.

По существу, ГОСТ 25941–83 [14] предполагает исполь-
зование расчетных значений Р1 и Iн.
    Поскольку «Новомет» имеет возможность испытывать двигатели в составе УЭЦН на стендах-скважинах, то прово- дится второй опыт при нагрузке, близкой к номинальной, при котором величины Р1  и Iн  определяются экспериментально. Это позволяет повысить точность расчета КПД.
    Кроме того, в настоящее время существует возможность более точного определения дополнительных потерь при на- грузке Рдн  с помощью, например, пакета программ ANSYS. В своих расчетах «Новомет» пользовался именно этой про- граммой, причем величина Рдн получалась несколько выше, чем 0,005Р1.
Неоднократно проводилось сравнение величин КПД, по-
лученных описанным методом и прямым измерением вра- щающего момента на испытательном стенде для мощностей до 200 кВт и при частотах вращения до 3600 об/мин. Разница

в величинах КПД составила не более 0,5 пункта, что соответ-
ствует рекомендации ГОСТ 25941–83 [12, 13].
    Основное достоинство данного метода состоит в том, что он позволяет определить КПД двигателя для любой частоты вращения и мощности. Необходимо лишь иметь возможность нагрузить двигатель при номинальной частоте вращения лю- бым способом, в том числе насосом в составе УЭЦН до но- минальной мощности.
    Для полноты картины отметим еще один конструктив- ный момент, связанный с развитием электроприводов, кото- рый в случае его использования влияет на энергопотребление из сети.
    Можно  заметно  уменьшить  потребляемый  установкой ток без существенного изменения мощности, температурного режима и КПД двигателя. Для этого статорную обмотку дви- гателя, не важно, асинхронного или вентильного типа, нужно выполнить из более тонкого провода (увеличив число витков) и подать на нее более высокое напряжение. Этот прием – на данный момент развития кабельной электроизоляционной техники – позволяет в погружных насосных системах сэко- номить 5–7 % [15] электроэнергии, в основном за счет уменьшения потерь в кабеле.
    При разработке вентильных двигателей в «Новомете» вы- шеописанный эффект был сразу использован, поэтому в случае замены в серийных УЭЦН любых производителей асинхронно- го двигателя на вентильный двигатель «Новомета» суммарная величина экономии энергии, с учетом синергетического эффек- та (в зависимости от параметров установки и длины кабельной линии), составляет 14–16 %.

УЭЦН, собираемых на сервисных базах, эта экономия сохраня- ется в течение всего срока эксплуатации. При этом никаких специальных затрат сервисных служб на это не требуется.
    Параметры таких высоковольтных асинхронных и вен- тильных двигателей разных габаритов и мощностей пред- ставлены в каталоге (www.novomet.ru).

1.5. Цеховые (лабораторные) испытания энергоэффективных систем в ОКБ БН1

    Расчет величин энергосбережения УЭЦН, изготовленных по рассмотренной концепции, показал, что в среднем предло- женные конструкции при испытании на воде (!) по сравнению с серийными новометовскими аналогами будут экономить до
25 % энергии. По сравнению с оборудованием других отечест- венных производителей экономия составит 25–30 %. А по срав- нению с лучшими (не средними) зарубежными образцами на больших подачах – до 15 %, на средних – до 20 %, а малых по- дач у иностранных конкурентов просто нет. Расчеты основыва- лись на данных, взятых из каталогов. Полученное скачкообраз- ное  изменение  величины  одного  из  основных  параметров УЭЦН кажется на первый взгляд неправдоподобно большим. Однако объяснение простое: изменены параметры одновремен- но в двух основных элементах установки. И при этом размер экономии энергии от модернизации как насоса, так и двигателя был одного порядка.


1  Особое конструкторское бюро бесштанговых насосов. «Коннас»,
Москва.

    Кроме того, все привыкли, что многие годы российские инженеры только «догоняли» зарубежных производителей, улучшая характеристики изделий. А здесь взяли и вышли вперед!..
    Оба утверждения требуют серьезной доказательной базы. С этой целью в ОКБ БН были подготовлены две скважины с соответствующим приборным и компьютерным оснащени- ем. На них можно параллельно испытывать полнокомплект- ные установки, выбранные для сравнения в строго контроли- руемых условиях.
    Проведенные на скважинах в 2010 году сравнительные испытания, в том числе в присутствии заказчиков и незави- симых наблюдателей, подтвердили, что по сравнению с се- рийными отечественными аналогами новое оборудование действительно экономит до 25 % электроэнергии [11, 16].
    Полученный   результат,   по   нашему   мнению,   связан с тем, что, обращаясь к данной теме, мы поставили задачу создать УЭЦН с максимально возможным в настоящее вре- мя КПД, используя для этого последние достижения в про- ектировании  насосных  ступеней,  вентильных  двигателей и станций управления.  Более  того,  цель проекта  включала разработку для всех основных габаритов полных рядов но- вых установок, подготовку производства к их массовому выпуску,  обучение  специалистов  оптимальной  работе  на них, организацию сервисных центров для внедрения инно- вационного оборудования за пределами России. Такой ком- плексный подход к внедрению новинок, к сожалению, не типичен для нашей страны…

1.6. О комфортности для потреби.......................