Легко ли добыть нефть. Что такое УЭЦН и как он работает. Часть 2
Часть первая: https://pikabu.ru/story/legko_li_dobyit_neft_chto_takoe_uyet...
ЭЦН – центробежный насос, основная его часть – ступень. Каждая ступень состоит из подвижной части – рабочего колеса и неподвижного направляющего аппарата. Рабочие колеса вращаются с большой скоростью и жидкость, которая попадает на них, приобретает кинетическую энергию. Направляющий аппарат представляет собой воронку раструбом вверх, жидкость, получившая энергию благодаря ему поднимается вверх. Одна секция может поднять жидкость всего на 4-5 метров, поэтому насос всегда многоступенчатый, ступени стоят одна над одной, энергия, придаваемая жидкости, увеличивается и может подниматься на несколько тысяч метров.
Некоторые варианты рабочих колес и направляющего аппарата
Разобранный отработавший ЭЦН. Хорошо видны секции, рабочие колеса забиты шламом, АСПО и, похоже, пропантом
Насос характеризуется габаритом, дебитом, напором и исполнением.
Габарит – это поперечный размер насоса с кабелем, определяющий в какую скважину его можно опустить. Габариты бывают 3, 4, 5, 5А, 6, 6А, 6Б, 7, 8, 9. Самые распространенные 5 и 5А. 3-4 - это уж для совсем тонких скважин – большая редкость. 6 и больше это для высокодебитных скважин, поэтому встречаются редко, и, в основном, используются в водозаборных скважинах
Насосы 5 габарита имеют наружный диаметр корпуса 92 мм, 5А – 103 мм. Плюс кабель который идет вдоль насоса. Самый большой диаметр у насоса 9 габарита – 185 мм, я не видел никогда такого монстра
Дебит – это количество жидкости прокачиваемой насосом за определенный период времени. Как-то так получилось, что мы измеряем дебит в метрах кубических в сутки. В США меряют в баррелях (каждый баррель 159 литров). Так вот, распространенные дебиты для габарита 5 – от 10 до 200, для габарита 5А – от 160 до 800. Есть насосы в габарите 5А с дебитом 25 – 125 м3/сутки. Дебит насоса зависит от применяемой ступени. То есть в каждом габарите есть ряд ступеней для определенных дебитов.
Напор – это высота водяного столба, на которую насос поднимает свой дебит. Тут диапазон широчайший… иногда надо 100 метров для какой-нибудь водяной скважины, иногда надо насос 3200 метров напором. Каждая ступень поднимает жидкость на высоту 4-6 метров, то есть что бы получить насос с напором 2000 метров нужно в среднем 400 ступеней. В один корпус столько ступеней просто физически не поместится, поэтому насосы секционные. стандартные длины 3, 4, 5 метров. В последнее время появились секции 4,5 метра и 6 метров (для более точного подбора и экономии количества секций). В каждую секцию помещается ( в зависимости от дебита (высоты ступени) и длины секции от 30 до 200 ступеней. Набирая насос из секций, мы подбираем необходимый напор.
Схема ЭЦН
Каждая секция это корпус нужного диаметра, в который последовательно набраны неподвижные аппараты и вращающиеся колеса. Колеса вращаются посредством вала, у которого есть шпон-паз и шпонка. В каждом колесе тоже есть шпон-паз. Набирая на валу части в последовательности аппарат – колесо – аппарат – колесо, получаем внутренности насоса. Эти внутренности запрессовываются в корпус, на концы которого вворачиваются концевые детали – головка (верх) и основание (низ). Через определенный промежуток устанавливаются промежуточные подшипники – они нужны, что бы повысить износостойкость насоса. Ставят их каждый метр, каждые полметра, каждые 0,35 метра, или, иногда даже каждые 200 миллиметров. Эти подшипники изготавливаются из специальных твердосплавных или керамических материалов – то есть очень износостойкие.
Опять же насосы бывают плавающие (это когда колесо немного ходит между аппаратами в осевом направлении), а так же пакетной сборки или компрессионной. Пакетной – это когда определенное количество колес зажато между подшипниками пакета аппаратов, и компрессионной – когда колеса закреплены на валу (специальными распорными втулками). Пакетная и компрессионная сборка так же нужна для повышения износостойкости насоса. Ступени обычно делают из специального чугуна. Для стандартного исполнения – из серого чугуна модифицированного, для износостойкого и коррозионостойкого ЭЦН из нирезиста (чугун с содержанием 14-16 % никеля). Достаточно часто ступени изготовляют методом порошковой металлургии – ступени прессуют из железного порошка, с различными добавками, который потом пропитывают в специальных печах медью. А еще есть ступени из нержавеющей стали – штампованные и потом сваренные разными способами. Такие ступени появились недавно. Есть пластмассовые ступени, узкий сектор, тоже имеет свою нишу – где не нужна большая теплостойкость, например.
Коррозионной стойкости добиваются путем применения специальных материалов для корпуса и концевых деталей (ступени из нирезиста, высоколегированного порошка или нержавейки уже стойки к коррозии), валы – тоже специальные нержавеющие стали (во всех исполнениях).
Секции друг с другом стыкуются болтами или шпильками. При этом валы соединятся при помощи специальных шлицевых муфт. Так и получаются насосы с нужными парметрами.
Погружной электродвигатель или ПЭД.
Это обычный асинхронный электродвигатель, только тонкий и длинный, и маслозаполненый. Он нужен для того, что бы вращать вал насоса
У асинхронного двигателя есть статор и ротор.
Статор это набранная из отдельных листочков специальной электротехнической стали такая длинная «колбас с 12, 18 или 24 пазами (секторными вырезами) и центральным отверстием. Получается такая толстостенная труба, с одним центральным отверстием под ротор и, например, с 18 пазовыми отверстиями под обмотку. В этих пазах укладывается обмотка статора (специальным высокотемпературным проводом). Так как двигатель трехфазный, то на каждую фазу приходится по 6 пазов или по три катушки (катушка – это два паза). Витков – может быть очень много (ну например 93 витка на фазу).
Комбинация различной длины двигателя, диаметра провода и количества витков позволяет получать различные по мощности двигатели. После намотки обмотка двигателя пропитывается специальным лаком. Двигатели, так же как и насосы, имеют различные габариты (диаметр) 96, 103, 117, 123, 130 мм (есть и другие, но они редкие). Основные габариты – это 103 и 117 мм.
Схема ПЭД
Ротор – это вал, на который последовательно надеты пакеты роторов и подшипники. Каждый пакет, а это цилиндр длинной 300-350 мм и диаметром 50-56 мм, так же набран из отдельных листочков электротехнической стали, с пазам под медные стержни. Таких медных стержней обычно 25. Эти стержни по краям пакета замыкаются специальными медными крайними листами и наглухо спаиваются. Получается такое медное колесо, заполненное листочками электротехнической стали. Таких пакетов в двигателе может быть от 2 до 66 (в трехсекционных мощных ПЭД).
Ротор вставляется в статор и очень легко там вращается. Внутри статора есть специальные пазы, в которые вставляются стопора подшипников (подпружиненные пластинки), которые фиксируют корпус подшипника от проворота. Так как эти подшипники находятся внутри мощного электромагнитного поля, создаваемого обмоткой статора, то делают их из специальных немагнитных материалов. Если сделать подшипник из обычной стали – мы получим вместо подшипника короткозамкнутый виток внутри статора – а он будет очень сильно нагреваться.
Сверху ПЭД – головка с узлом токоввода (штекер, куда мы подсоединяем кабель) и узлом пяты. Узел пяты – это опорный подшипник скольжения, который делается из специальной керамики – он нужен для того, что бы вал на чем то висел и не падал на основание ПЭД. В основании (низ двигателя) расположен фильтр, который внутренней полостью соединен с валом. В валу ПЭД есть осевое отверстие на всю длину, через которое прокачивается масло. Масло прокачивается не просто так, а при помощи турбинки, расположенной вверху вала. Так вот - масло проходит через фильтр, попадает в вал, поднимается по нему, по пути смазывая подшипники (в валу есть радиальные сверления напротив каждого подшипника), раскидывается турбинкой в верхней полости двигателя и стекает по обмоткам вниз, попутно охлаждая их. Масло очень специальное, жидкое и изоляционное (например, 2,5 мм масла держит 40-60 киловольт напряжения).
Секционные двигатели состоят из двух или трех секций, соединяемых узлами секционирования (специальные основания и головки с электроштеккерами). В секционных двигателях обмотки соединяются последовательно. Обмотки двигателя в итоге (три фазы) соединяются в звезду (то есть три фазы объединены в одну точку – от которой делается специальный отвод для присоединения ТМС). Узел токоввода – специальная трехфазная розетка в которую вставляется штекер кабеля (муфта по другому). Валы имеют шлицевые концы и соединяются при помощи шлицевых муфт.
Когда подается напряжение на одну из фаз (а оно по очереди подается так а-в-с-а-в-с-а-в-с и т.д.) в обмотке статора создается электромагнитное поле, которое взаимодействует со стержнями ротора, так как ротор – короткозамкнутый – в его стержнях создается очень большой то и ротор начинается вращаться от созданного электромагнитного поля. А так пакет ротора закреплен на валу (при помощи шпонки) – ему приходится вращать за собой вал, а вслед за ним и вал насоса, и ступени, и поднимать жидкость. Вот так вот электричество преобразовывается во вращение. А асинхронный он потому что чуть-чуть все время отстает от переключения напряжения в фазах (3000 оборотов напряжения в минуту) примерно на 5%.
Двигатель характеризуется мощностью и габаритом. У каждого габарита и мощности есть свои номинальные напряжения и токи. На каждом двигателе обязательно есть табличка, на которой кроме номера и типа (мощности и габарита) указаны еще его ток, напряжение, масса, дата выпуска. Эти параметры дублируются ударным шрифтом и на корпусе статора (так как это основной узел ПЭД).
Возьмем для примера какой-нибудь ПЭД, пусть ПЭД 45-117. Это двигатель имеет мощность 45 кВт, диаметр 117 мм, у него напряжение 1400 В, ток 27 А. Почему 1400?? Почему не стандартные 380? Это все для того, что бы экономить электроэнергию и кабель. Так как кабельная линия очень длинная – передавать через нее большой ток – значит половина будет уходить на потери. А можно увеличить напряжение и уменьшить ток – тогда можно передать большую мощность на большое расстояние с минимальными потерями и по тонкому кабелю.
Все ПЭД рассчитаны на работу при различных частотах питания (обычно от 40 до 70 Гц), соответственно и на разных частотах вращения. На 50 Гц вал двигателя вращается со скоростью 2850 об/минуту (за счет скольжения).