Введение

1. Введение

Значительную часть добываемой в России нефти получают из сква-жин, оборудованных для механизированной добычи, которую осуществляют насосным и компрессорным способами. Для насосной добычи используют штанговые плунжерные насосы или бесштанговые погружные центробежные электронасосы. Область экономически целесообразного применения того или другого вида насосной установки определяется сочетанием суточной произ-водительности скважины и глубины подвески насоса.

Бесштанговые погружные насосы используют на скважинах с форси-рованным отбором жидкости при значениях 400 – 500 м3/сут и на скважинах и на скважинах с меньшей производительностью 40 – 300 м3/сут при глубине скважины от 400 до 2800 м.

Промышленностью выпускаются центробежные насосы ЭЦН около 30 типоразмеров с подачей от 40 до 500 м3/сут и номинальным напором 445 – 1480 м.

Для работы в сильнообводненных скважинах с содержанием в жид-кости повышенных количеств песка разработаны и внедрены в эксплуатацию износостойкие насосы ЭЦН с некоторыми конструктивными изменениями (применены резина, пластмасса, хромистые стали), повышающими стойкость насоса против износа и коррозии.

Данная работа посвящена проектированию и выбору элемен-тов электрооборудования ЭТКС УЭЦН: кабельной линии и промысловому трансформатору.

2. Основные часть

2.1. Структура ЭТКС у УЭЦН

На производствах промышленности, на нефтегазовых промыслах зна-чительная часть рабочих процессов выполняется механизмами и машинами с помощью электроэнергии и электротехнических систем (ЭТС). Различают следующие виды ЭТС:

· электротермические;

· сварочные;

· электромеханические;

· электротехнологические;

· пьезоэлектрические;

· специальные.

Все эти ЭТС вне зависимости от своего назначения имеют общие свойства и в частности общую структуру.

ИЭ – источник электроэнергии. К нему относятся промышленная сеть, сеть постоянного тока, аккумуляторы и т. д.

ПЭ – преобразователь электроэнергии. Он преобразовывает электро-энергию с одними параметрами в электроэнергию с другими параметрами (преобразователь частоты, трансформатор, вентиль и др.).

ЭТУ – электротехнологическое устройство. Оно преобразует электри-ческую энергию в технологическую (химическую, тепловую, световую, меха-ническую, акустическую, гидравлическую и т. д.).

ПУ – преобразовательное устройство. Оно осуществляет преобразова-ние технологической энергии с одними параметрами в технологическую энергию с другими параметрами (редукторы в электроприводах).

РМ – рабочий механизм. К нему относится часть ЭТС, которая обес-печивает реализацию рабочих процессов и приводит в действие, например, электродвигателями: в металлорежущих станках используют резец, шпин-дель, поворотный стол; в химической промышленности термокамерами при-водит в действие нагревательную установку.

ТО – технологический объект. Он подвергается преобразованию в хо-де рабочего процесса.

УУР – устройство управления и регулирования. Оно поддерживает не-обходимое течение рабочего процесса и управляет его параметрами, воздей-ствуя на все эти узлы. Он содержит: измерительную, вычислительную, управляющую, защитную части.

Структурная схема ЭТКС УЭЦН представлена в приложении 5.1.

2.2. Выбор КЛ

Выбор сечения кабельной жилы производим с учетом условий нагрева, допустимых потерь напряжения и мощности и термической устойчивости к токам короткого замыкания. Из всех значений, полученных условий, выбирается наибольшее сечение.

Сечение жил выбираем таким образом, чтобы они соответствовали минимальным приведенным годовым затратам на эксплуатацию кабельной линии, которые в существенной степени определяются потерями энергии в линии. Это требование сводится к применению нормативной экономической плотности тока и определению расчетного экономического сечения токопроводящей жилы Sэк по формуле:

(2.1)

где Iм. р – максимальный расчетный ток в кабельной линии при нормальном режиме работы;

jэк – экономическая плотность тока, А/мм2, принимается на основе опыта эксплуатации.

Принимаем режим работы электродвигателя номинальным. Тогда величина тока Iм. р определяется из выражения:

(2.2)

где Рном, Qном, Sном – активная, реактивная и полная мощности, потреб-ляемая ЭЦН из промысловой сети.

(2.3)

(2.4)

где Рп. д – необходимая мощность на валу приводного электродвигателя, потребляемая центробежным насосом;

η – КПД электродвигателя.

Для выбора значения jэк необходимо знать материал токопроводящей жилы (медь) и величину времени использования максимальной (номиналь-ной) нагрузки Тм кабельной линии за год (в часах). Тогда экономическую плотность тока можно определить из аналитической формулы:

(2.5)

где j(эк)0 – нулевая экономическая плотность тока при Тм = 0, либо найти в нормативной таблице j(эк) = F(Тм).

Будем считать, что для установок с ЭЦН Тм составляет более 5000 ча-сов. Величина j(эк)0 для кабеля с резиновой и полиэтиленовой изоляцией и медными жилами составляет 3,9 А/мм2. Тогда аналитическое значение плотности тока:

Значение экономической плотности тока для кабелей с резиновой и полиэтиленовой изоляцией с медными жилами при Тм более 5000 часов составляет 2,7 А/мм2. Учитывая сложные условия эксплуатации кабельной линии в установках ЭЦН для добычи нефти принимаем j(эк) = 2,5 А/мм2 и определяем расчетное экономическое сечение жил кабельной линии:

(2.6)

Схема КЛ распределенная представлена в приложении 5.2.

Выбираем ближайшее стандартное значение Sст = 10 мм2 и марку кабеля на 2300 В КПБК с данными, приведенными в табл. №1.

Таблица №1

Число и сечение жил, мм2	Конструкция жилы	Толщина изоляции, мм	Толщина оболочки мм	Диаметр кабеля, мм	Масса, кг/км
3×10

Кабель с полиэтиленовой изоляцией круглый для погружных ЭЦН, с гибкой ленточной броней, с разрывным усилием 156,8 кН, напряжением 2300 В при температуре окружающего воздуха от – 60 до + 45˚С и пластовой жидкости при температуре до + 95˚С, давлении 20 МПа, газовом факторе до 180 м3/т, местном перепаде давления до 4 МПа и спуско-подъемных операций не ниже – 50˚С. Минимальный радиус изгиба не менее 300 мм. ТУ 16.505.129-75.

Круглый кабель КПБК является основным и служит для подвода элек-троэнергии трехфазного тока к погружному электродвигателю на участке от питающего трансформатора до нижней насосно-компрессорной трубы. На участке между электродвигателем и первыми насосными трубами применяет-ся плоский кабель – удлинитель, соединенный с основным кабелем неразъем-ной соединительной муфтой (сросткой). В качестве кабеля-удлинителя выби-раем плоский кабель марки КПБП с данными, приведенными в табл. №2.

Таблица №2

Число и сечение жил, мм2	Конструкция жилы	Толщина изоляции, мм	Толщина оболочки, мм	Размеры кабеля, мм Н х В	Масса, кг/км
3×10

Проверяем возможность размещения погружного агрегата (кабель + центробежный насос) в скважине:

;

Условия размещения выполняются. Проверяем выбранные сечения по длительно допустимому току Iдл. доп. Согласно ПУЭ допустимый длительный ток Iдл. р для кабелей с медными жилами, с резиновой или пластмассовой изоляцией, бронированных, трехжильных, находящихся в земле составляет 90 А для сечения токопроводящей жилы 10 мм2. Этот ток принят для темпе-ратуры жилы + 65 ˚С и земли + 15 ˚С. Длительно допустимый ток при другой температуре окружающей среды можно определить с помощью поправочно-го коэффициента k(t) который, если считать коэффициент теплоотдачи неиз-менным, выражается формулой:

(2.7)

где tдл. доп – длительно-допустимая температура для кабеля КРБК,

равная + 85˚С;

tо. р – расчетная температура окружающей среды;

tо. с – температура среды, окружающей кабель, которую условно можно принять равной температуре пластовой жидкости, окружающей кабельную линию в скважине.

Длительно допустимый ток погружного кабеля КРБП:

(2.8)

Выбранный кабель проходит по нагреву, т. к. соблюдается условие:

Потери напряжения и мощности в кабельной линии.

Потери напряжения и мощности в кабельной линии создаются соб-ственной распределенной индуктивностью LA, LB, LC его фаз, сопротивлени-ями фаз RA, RB, RC, собственной распределенной емкостью СА, СВ, СС отно-сительно экрана (приложение 5.2), а также межфазными взаимными индук-тивностями МАВ, МВС, МАС и взаимными емкостями САВ, СВС, САС. При длине кабельной линии не более 20 км можно воспользоваться для расчета потерь напряжения и мощности упрощенной Г – образной схемы замещения (рис. 2.2) с сосредоточенными параметрами.

UA; Uad – комплексные фазные напряжения питающей сети и двигателя;

IВ – комплексный ток проводимости кабельной линии;

Gl – активное сопротивление жилы кабеля;

Rл – активное сопротивление линии, определяемое по формуле:

(2.9)

где l – длина кабеля в км;

R0 – активное сопротивление кабеля, равное

(2.10)

где λ – удельная проводимость при 20 ˚С, принимаемая для меди с учетом отбавки на скрутку и нагартовку жил, равной 51 МСм/мм2;

α – температурный коэф. сопротивления для меди равный 0,004 град –1;

tкаб – температура жилы кабеля в ˚С.

В скважинах кабели КПБК и КПБП работают в крайне сложных температурных условиях. Некоторая часть его длины, иногда значительная, погружена в жидкость с высокой температурой (до 60 – 90) ˚С, а часть кабеля находится в скважине вне жидкости. При этом весь кабель касается насосно-компрессорных труб, которые нагреваются потоком восходящей жидкости. Часть кабеля может оказаться прижатой к обсадной колонне, температура которой соответствует температуре почвы на данной глубине. Наконец часть кабеля находится на поверхности земли при температуре окружающего воз-духа. Вследствие изложенного условно принято считать, что температура жилы кабеля соответствует температуре жидкости в скважине.

Индуктивное сопротивление линии вычисляется по формуле

(2.11)

где Х0 – индуктивное сопротивление на единицу длины кабельной линии.

Для определения Х0 воспользуемся известной из теоретических основ электротехники формулой

(2.12)

где – среднегеометрическое

расстояние между фазными проводниками

кабеля (рис. 2.3);

r – приведенный (с учетом формы сечения

и поверхностного эффекта) радиус фазного

проводника.

Принимаем отношение Dср / r равным 2,42 с учетом наличия у кабеля изоляции.

Тогда

Потери напряжения ΔUл в номинальном режиме работы установки ЭЦН равны

(2.13)

и не должны превышать в нормальном режиме (5…7) % от номинального расчет-ного напряжения. В качестве последнего используем номинальное напряже-ние погружного электродвигателя. Это напряжение зависит от мощности, ди-аметральных размеров, рода изоляции и других условий и поэтому не бывает одинаковым у всех типов двигателей. Одинаковое напряжение для всех типо-размеров погружных электродвигателей нецелесообразно, т. к. это ухудшает их характеристики и усложняет их производство.

или в относительных единицах

%, (2.14)

что можно считать допустимым (5,8 < 10 %), т. е. кабельная линия проходит по потерям напряжения.

Величина активных ΔРл, реактивных ΔQл и полных ΔSл потерь мощ-ности в кабельной линии зависит от активного Rл и реактивного Хл сопротив-ления фаз токопроводящего кабеля. Приближенно нагрузочные потери мощ-ности в линии можно определить по номинальному напряжению погружного электродвигателя

(2.15)

(2.16)

(2.17)

или в сравнении с общими активными потерями мощности в установке ЭЦН

% (2.18)

что можно считать приемлемым, т. к. допустимые потери мощности в кабеле относительно общих потерь при условии правильного подбора кабеля по параметрам установки ЭЦН и скважины составляют 8 – 18 %.

Напряжение в начале кабельной линии, которое должен обеспечивать трансформатор промысловой станции управления для получения номиналь-ного напряжения на погружном электродвигателе составляет:

(2.19)

Емкостной ток на зарядку-разрядку кабельной линии

(2.20)

Вl – емкостная проводимость кабельной линии;

В0 – емкостная проводимость кабельной линии на единицу длины.

(2.21)

Реактивная мощность, генерируемая кабельной линией

(2.22)

Полная реактивная мощность установки ЭЦН с учетом зарада-разряда

(2.23)

Полная мощность на входе кабельной линии

(2.24)

2.3. Выбор трансформатора

Трансформатор выбираем по напряжению Uн. к = 1482,59 В и полной мощности S∑ = 65,52 кВА. Трансформатор марки ТМПН -100/1160 с номиналь-ной мощностью 100кВА (Sном > S∑) и напряжением ХХ вторичной обмотки U2хх=1270÷1610 В. Параметры трансформатора представлены в табл. №3.

Таблица №3

Номинальная мощность, кВА	Напряжение хх вторичной обмотки, В	Ступень регулирования, В	Потери хх, кВт	Потери КЗ, кВт	Ток хх, %	Напряжение кз, %
100	1270 – 1610	85	0,365	1,97	2,6	5,5

Величина потерь активной мощности в трансформаторе

(2.25)

где k3 – коэфф. загрузки трансформатора, который находится по формуле:

(2.26)

Величина потерь реактивной мощности

(2.27)

(2.28)

(2.29)

где ΔQнам – потери реактивной мощности на намагничивание;

ΔQрас – потери реактивной мощности рассеяния в трансформаторе при номинальной нагрузке;

Sном. тр – номинальная мощность трансформатора.

Параметры Г – образной схемы замещения.

– приведенная нагрузка;

– приведенные активные

и индуктивные сопротивления

обмоток;

Втр – проводимость намагничива-

ния;

Gтр – проводимость активных по-

терь (потери в стали).

(2.30)

(2.31)

Проводимость активных потерь

(2.32)

Проводимость намагничивания

(2.33)

Потери напряжения в трансформаторе

(2.34)

Напряжение хх вторичной обмотки трансформатора

(2.35)

Расчет ступени регулирования в трансформаторе

(2.36)

Принимаем n = 3 (Uст. ср – среднее значение ступени регулирования).

Фактическое значение напряжения на погружном электродвигателе

Отклонение напряжения на погружном электродвигателе

% (2.37)

Отклонение напряжения δUдв не превышает предельно допустимое зна-чение 5 %. Следовательно, кабель и трансформатор выбраны верно.

3. Приложения

3.1. Структурная схема ЭТКС УЭЦН

Структура схема ЭТС.

ИЭ – источник электроэнергии;

ПЭ – преобразователь электроэнергии;

ЭТУ – электротехнологическое устройство;

ПУ – преобразовательное устройство;

РМ – рабочий механизм;

ТО – технологический объект;

УУР – устройство управления и регулирования.

Структурная схема ЭТКС УЭЦН.

ЭС – электрическая сеть;

КТУ – комплектное трансформаторное устройство;

КЛ – кабельная линия;

ПЭД – погружной электродвигатель;

ГЗ – гидрозащита ПЭД;

ЭЦН – электроцентробежный насос;

ПЖ – пластовая жидкость;

СУ УЭЦН с ПЧ – станция управления устройства ЭЦН с преобразова-телем частоты.

3.2. Схема КЛ с распределенными параметрами

Uab; Ubc; Uac – межфазные напряжения;

IA; IB; IC – фазные токи в жилах кабеля;

Ia; Ib; Ic – фазные токи асинхронного электродвигателя;

Z0 – сопротивления фаз электродвигателя;

Сa; Сb; Сc – собственная распределенная емкость относительно экрана;

Cab; Cbc; Cac – взаимные емкости;

МАВ; МВС; МАС – межфазные взаимные индуктивности.