Электроцентробежный насос (ЭЦН) является основным узлом установки. В отличие от штангового насоса, сообщающего напор перекачиваемой жидкости посредством возвратно-поступательного движения плунжера, в центробежном насосе перекачиваемая жидкость получает напор на лопатках быстро вращающегося рабочего колеса. При этом происходит превращение кинетической энергии движущейся жидкости в потенциальную энергию давления.
Поскольку ЭЦН – центробежный насос, созданный для эксплуатации нефтяных скважин, это повлекло за собой ряд конструктивных особенностей, присущих только этому классу насосов, а именно:
а) насос должен иметь минимальные габариты, ограничиваемые диаметром скважин;
б) насос должен иметь широкий диапазон производительностей и напоров;
в) насос подвешивается в вертикальном положении и недоступен осмотру и обслуживанию.
Основными конструктивными элементами ЭЦН являются: рабочее колесо, направляющий аппарат, вал, корпус, гидравлическая пята, уплотнения, подшипники, (см. рис. 6.2).
Рабочее колесо является основным рабочим органом насоса. Оно выполнено в виде двух дисков - переднего (по ходу жидкости) с отверстием большого диаметра в центре и заднего - сплошного диска со ступицей (втулкой в центре), через которую проходит вал. (рис. 6.3)
Диски расположены на некотором расстоянии один от другого, а между ними находятся лопатки, отогнутые назад по направлению вращения колеса. Колеса ЭЦН изготовляют из легированного чугуна, полиамидной смолы, углепластика и других материалов.
Направляющий аппарат предназначен для изменения направления потока жидкости и преобразования скоростной энергии в давление. Он состоит из двух неподвижных дисков с лопатками, напоминающими лопатки рабочего колеса, закрепленных неподвижно в корпусе насоса.
Рабочее колесо, совместно с направляющим аппаратом, образует ступень насоса. Каждая ступень развивает напор 4-7 м (рис. 6.4).
Рис. 63. Рабочее колесо ЭЦН
Рис. 6.4. Ступень насоса:
1 - вал; 2 - шпоночный паз; 3 - шайба; 4 - рабочее колесо; 5 – направляющий аппарат.
Учитывая, что глубина, с которой приходится поднимать нефть, может достигать 1,5-2 км и более, можно рассчитать потребное количество ступеней для конкретного насоса.
Таким образом, электроцентробежный насос является многоступенчатым и, кроме того, секционным, так как в один корпус большое количество ступеней установить невозможно.
Вал предназначен для передачи вращения рабочим колесам. Представляет собой цилиндрический стержень со шпоночным пазом для крепления рабочих колес. Длина и диаметр вала регламентируется габаритами насоса. Вал ЭЦН работает в весьма жестких условиях, так как имеет небольшой диаметр (17-25 мм), значительную длину (до 5000 мм) и несет не себе большое количество рабочих колес (до 300).
Материалом для валов являются легированные стали.
Валы отдельных секций насоса, а также его модулей соединяются с помощью шлицевых муфт.
Опорами вала являются радиальные подшипники скольжения, установленные верхней и нижней части корпуса. Каждый направляющий аппарат осуществляет разгрузку осевых усилий посредством упора перемещающегося колеса в аппарат и скольжения его по текстолитовой шайбе.
Такая конструкция позволяет передавать осевые силы равномерно на все направляющие аппараты. На вал практически действует сила от собственного веса и сила осевого давления, достигающая у серийных насосов 400 Н (разность сил со стороны нагнетания и всасывания).
Ротор насоса — собранные на валу и вращающиеся вместе с ним рабочие колеса.
Корпус насоса - специальная труба, диаметры которой у современных насосов составляют 86,92,103 и 114 мм, а длина зависит от числа собранных в ней ступеней.
Корпус сверху заканчивается резьбой, с помощью которой он присоединяется к колонне НКТ, и ловильной головной, обеспечивающей захват насоса при его падении в скважину.
Снизу корпус снабжен фильтром и присоединительными фланцами для соединения с очередной секцией или протектором. Новые насосы соединяются со своими узлами с помощью быстро сборных байонетных соединений.
Уплотнения в ЭЦН представлены сальником, расположенным в нижней части насоса, представляющим набор колец, выполненных из свинцовой ваты с графитом. В связи с созданием новой гидрозащиты изменилась и функция сальника, которая теперь сводится к предотвращению попадания механических примесей из насоса в протектор.
Кроме того, соединяемые между собой на резьбе части корпуса насоса снабжены уплотнительными кольцами круглого сечения.
Насос работает следующим образом (см. рис. 6.2).
Скважинная жидкость через сетку фильтра 13 поступает в полость направляющего аппарата 9, а затем - в рабочее колесо 8. Далее движение жидкости следует по такой же схеме: «аппарат - колесо».
На выходе из последнего рабочего колеса жидкость приобретает необходимый напор и выбрасывается в корпус модуля 4, а затем в головку 1 и присоединенные к ней НКТ,
Рабочие колеса укреплены на валу 5, который вращается в подшипниках верхнем 7 и нижнем 10.
Гидравлическая пята 6 предотвращает движение ротора насоса от действия силы, направленной вниз, возникающей при выбросе жидкости. В основании 12 размещена сетка-фильтр 13, втулка подшипника 14 и защитная втулка 15.
Основными параметрами насоса являются: подача, напор, частота вращения, потребляемая мощность и коэффициент полезного действия (КПД). Они вносятся в паспорт насоса и составляют его техническую характеристику (табл. 6.2).
Под подачей (Q) понимают объем перекачиваемой жидкости, проходящей через напорный патрубок насоса в сутки (м7сут).
Напор (Н) - величина подъема жидкости на определенную высоту, выраженная в метрах.
Частота вращения (n)- количество оборотов, совершаемое ротором насоса в минуту.
Коэффициент полезно действия (КПД) — отношение полезной мощности насоса или установки к потребляемой соответственно насосом или установкой.
Рабочая характеристика насоса — система графических зависимостей напора, мощности и КПД от производительности (рис. 6.5).
Рис 63. Рабочие характеристики УЭЦН:
Q - производительность; Н - напор; N - мощность; т)-КПД,%
Паспортная номинальная характеристика - система зависимостей полученная в результате испытания насоса на пресной воде после его изготовления на пресной воде.
Реальные характеристики – зависимости, полученные на жидкостях, приближенных по физическим свойствам к скважинным.
П0ГРУЖН0Й ЭЛЕКТР0ДВИГАТЕЛЬ (ПЭД)
В качестве привода электроцентробежного насоса используется асинхронный маслозаполненный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. В соответствии со спецификой эксплуатации ПЭД выполнен цилиндрическим и сильно развит в длину (рис. 6.6).
Отечественная промышленность освоила выпуск 18 типов ПЭД мощностью от 12 до 300 кВт, с диаметрами корпусов 96,103,117, 123,130 мм для колонн диаметром 112; 121,7; 123,7;144,3; 148,3 мм.
Основными узлами ПЭД являются статор, ротор, опорная пята, вал. Назначение статора и ротора и принцип их работы аналогичны электродвигателю обычной (наземной) конструкции.
Положение ПЭД в скважине — вертикальное, поэтому нормальная его работа обеспечивается опорной пятой и подшипниками скольжения, расположенными на валу и фиксируемыми в статоре ПЭД. Вал имеет сквозное отверстие, через которое циркулирует масло, принудительно перекачиваемое турбинкой. Масло смазывает подшипники и охлаждает ПЭД.
Рис. 6.6. Погружной электродвигатель:
1 - шлицевая муфта; 2 - головка; 3 - пята; 4 - подпятник; 5 - колодка кабельного входа; 6 - турбинка; 7 - радиальные подшипники скольжения; 8 - статор; 9 -пакет магнитных жестей; 10 - ротор; 11 - вал; 12- корпус; 13 - масляный фильтр; 14-основание.
Напряжение на обмотку статора подается через специальный герметичный кабельный ввод.
Погружной двигатель имеет следующую маркировку: ПЭДС90-117МВ5, что означает: П - погружной, Э - электрический, Д - двигатель, С - секционный, 90 - мощность в кВт, 117-диаметр корпуса в мм, М - модульное исполнение, В - климатическое исполнение, 5-диаметр обсадной колонны (5").