Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности

ние 5—6 с не закончится самозапуск двигателей второй группы, они будут отключены защитой, и создадутся благоприятные ус­ ловия для разгона двигателей третьей группы. И, наконец, если за 8—10 с не разгонятся двигатели третьей группы, и они будут также отключены.

Всистему самозапуска вводятся и асинхронные двигатели для водяных насосов охлаждения компрессоров, которые снаб­ жаются защитой с выдержкой времени 8—10 с, как у третьей группы.

Втом случае, когда длительность глубокого снижения или

полного исчезновения напряжения превышает 1,5 с. а также если восстанавливающее нормальное напряжение ниже номи­ нального, то часть двигателей компрессоров снабжается защи­ той, отключающей их от сети, и устройством для автоматиче­ ского повторного включения после завершения самозапуска неотключаемых двигателей. Отключаемые двигатели, выделяемые из состава трех групп, имеют защиту минимального напряжения

снапряжением и временем срабатывания соответственно 0,6 U„

и0,5 с и токовую защиту с выдержкой времени до 10 с.

Обычно число таких двигателей при 16 компрессорах со­ ставляет 3—4, они пускаются в ход системой АПВ при полной нагрузке компрессора.

Исследования, проведенные на компрессорных станциях с синхронными двигателями СМ-300-750 привода компрессоров, показали, что эти двигатели с глухоподключенным возбудите­ лем могут успешно разгоняться и входить в синхронизм после перерыва в питании от 0,6 с и более, если восстановившееся на­ пряжение на зажимах двигателя будет не ниже 0,85 £/„. Втяги­

ниях применяют устройство, блокирующее работу реле форси­ ровки в таких режимах. В тех случаях, когда восстановившееся напряжение на зажимах двигателя не превышает 0,82 £/„, дви­ гатель не втягивается в синхронизм, а.работает устойчиво в асинхронном режиме со скольжением около 0,16. Для повы­ шения уровня восстанавливающегося напряжения при снижении или исчезновении напряжения часть синхронных двигателей целесообразно отключать защитой с последующим включением устройством АПВ после втягивания в синхронизм оставшихся неотключенными самозапускающихся двигателей. В частности, на станции с 16 двигателями пять из них снабжается защитой минимального напряжения, срабатывающей при 0,45 UH с вы­ держкой времени 0,5 с и устройством АПВ однократного дей­ ствия, включающего двигатель при нагруженном компрессоре.

Неотключаемые синхронные двигатели разбиваются так же, как асинхронные, т. е. на три группы с разными выдержками времени токовой защиты от перегрузки при самозапуске.

341

§ 56. Электрооборудование промысловых насосных станций, требования к электроприводу насосов

На промысловых насосных установках применяют центро­ бежные, поршневые и роторные насосы. В центробежных насо­ сах жидкость подается в результате засасывания ее на рабочие лопатки быстро вращающегося рабочего колеса с выбросом в спиральную камеру под действием центробежной силы. Из спиральной камеры, пройдя напорную задвижку и обратный клапан, жидкость поступает в напорный трубопровод. В начале работы центробежный насос не может засасывать жидкость, так как из-за малой плотности воздуха, заполняющего насос, центробежная сила оказывается недостаточной для выброса воздуха в нагнетательный трубопровод и создания нужного разрежения.

Поэтому центробежные насосы в нефтяных насосных уста­ навливают таким образом, чтобы обеспечивался необходимый подпор жидкости на их приеме, либо снабжаются вакуум-насо­ сами для создания нужного разрежения. Основными преимуще­ ствами центробежных насосов по сравнению с поршневыми яв­ ляются.

возможность непосредственного соединения с приводным двигателем, так как рабочее колесо этих насосов имеет боль­ шую частоту вращения, чаще всего 1 500—3 000 об/мин, иногда 750—1 000 об/мин;

малые габариты и масса; возможность подачи больших количеств жидкости и регули­

рования ее в широких пределах; плавная подача жидкости, отсутствие клапанов, возмож­

ность запуска при закрытой задвижке на выходе.

Указанные свойства определяют преимущественное приме­

уровне жидкости, более низком, чем уровень насоса; могут раз­ вивать очень высокие давления; успешно работают при пере­

В роторных насосах всасывание и вытеснение жидкости осу­ ществляются воздействием на жидкость вытеснителей, установ­ ленных на роторе, вращающемся в корпусе насоса. В качестве таких вытеснителей используют зубчатые колеса, винты, пла­ стины и др. Эти насосы характеризуются малой подачей (на­ пример, для шестеренчатых насосов 0,25—40 м3/ч) и приме­

няются иногда на промысловых установках как вспомога­ тельные.

342

Для перекачки нефти и нефтепродуктов применяются специ­ альные центробежные насосы с подачей от 12 до 4 000 м3/ч и более, обеспечивающие напор на выходе от 21 до 740 м для различных типов насосов и режимов их работы.

Некоторые типы этих насосов используются и для закачки воды в пласт.

Необходимая мощность электродвигателя для привода на­ соса определяется по выражению (8.15) с введением -цпер — КПД передачи от двигателя к насосу, равного 1 при непосред­ ственном соединении валов двигателя и насоса, и 0,96—0,98 при

ляющая собой зависимость необходимого напора в начале тру­ бопровода Ятр от расхода жидкости Q, может быть найдена на основе сведений о вязкости перекачиваемой жидкости и данных трубопровода. Координаты точки пересечения М характери­ стик насоса и трубопровода (рис. 9.5) представляют собой зна­ чения подачи Q и напора Я. По значению Q, соответствующему этой точке, находится и КПД насоса. Напор Ятр складывается из статического напора, определяемого разностью отметок жид­ кости в приемной емкости и в конце напорного трубопровода,, и динамического. Последний представляет собой суммарную по­ терю напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах и пропорционален Q2. Статический напор можно определить ме­ тодами, изложенными в курсах гидравлики и проектирования

нефтегазопроводов.

Величины, характеризующие работу центробежного насоса, изменяются в зависимости от частоты вращения его рабочего колеса таким образом: подача Q= C\n\ напор Я = с2п2\ мощность, потребляемая на валу Р=сзп3\ момент сопротивления на валу М=с4п2, где сI, с2, Сз, с4— коэффициенты пропорциональности.

При изменении частоты вращения п меняется зависимость между подачей Q и напором Я, т. е. насос переходит на работу

343

с одной характеристики на другую, в связи с чем изменяется и КПД насоса. Оптимальный КПД соответствует номинальным

значениям подачи Q и напора Н.

Обычно пуск насосного агрегата производится при заполнен­ ном жидкостью насосе и при закрытой задвижке на выходе. Для успешного пуска в этих условиях достаточно, чтобы на­ чальный момент, развиваемый двигателем, составлял 0,25—0,3 от номинального и при скольжении 0,05 (например, входной мо­ мент синхронного двигателя)— около 0,6 от номинального.

Для тех случаев, когда насос пускается с открытой задвиж­ кой на выходе, а также в случае применения самозапуска элек­ тродвигателей насосов, момент двигателя при скольжении 0,05 должен быть близок к номинальному.

Режим рассматриваемых насосных станций с центробеж­ ными насосами для изменения их подачи и создаваемого ими напора можно регулировать, меняя число одновременно рабо­ тающих насосов, гидравлическое сопротивление системы за счет применения регулирующей задвижки на входе или на выходе насоса, частоту вращения рабочего колеса насоса п.

Регулирование изменением числа параллельно работающих насосов наиболее экономично в отношении потерь энергии, но неудобно из-за того, что производительность станции меняется резкими скачками и тем более резко, чем меньше насосных аг­ регатов содержит установка.

Регулирование задвижкой, установленной на входе в насос, дает возможность изменения подачи Q в небольшом диапазоне, так как при больших прикрытиях всасывающего трубопровода в насосе могут возникать кавитационные явления.

Регулирование задвижкой на выходе насоса может обеспе­ чивать широкий диапазон изменения подачи Q, но связано с уве­ личением потерь мощности и значительным снижением КПД установки.

Изменение частоты вращения рабочего колеса насоса может обеспечить широкий диапазон регулирования 4 с меньшими по­ терями энергии, чем при регулировании задвижкой на выходе. Но при этом требуется регулируемый электропривод. При ис­ пользовании асинхронного электродвигателя с изменением его скорости за счет включения реостата в цепь ротора существенно велики потери в реостате, снижающие общий КПД установки. Применение регулируемого привода постоянного тока с точки зрения потерь энергии более экономично, но требует преобра­ зовательной установки для выпрямления переменного тока, по­ лучаемого от промысловых сетей.

На рис. 9.6 приведены кривые, показывающие изменение потребляемой мощности Р при регулировании центробежного насоса задвижкой на выходе (1), изменением частоты вращения за счет введения реостата в цепь ротора асинхронного двига­ теля (2) и при использовании двигателя постоянного тока (3).

344

Например, при снижении подачи насоса Q на 35% потреб­ ляемая двигателем мощность снижается на 25, 55 и 75% (соот­ ветственно кривые 1, 2, 3). При этом одновременно снижается

иразвиваемый насосом напор.

Всвязи с развитием полупроводниковых преобразователей тока можно ожидать применения для насосных установок регу­ лируемого электропривода переменного тока с частотным ре­ гулированием.

центробежных, так и поршневых насосов осуществляется элек­ тродвигателями без регулирования частоты вращения.

§ 57. Электрооборудование насосных внутрипромысловой перекачки нефти

На насосных станциях внутрипромысловой перекачки нефти мощности двигателей и число установленных агрегатов зависят от принятой схемы сбора нефти и на промыслах, обустроенных 5—10 лет назад и ранее, варьируются в широких пределах.

Помещения нефтенасосных станций взрывоопасны и отно­ сятся к классу В-Ia. Устанавливаемое в них электрооборудо­ вание должно быть во взрывозащищенном исполнении.

При мощности двигателей до 160 кВт здесь применялись короткозамкнутые асинхронные двигатели во взрывонепрони­ цаемом исполнении на напряжения до 660 В. Эти двигатели используются для привода как центробежных, так и поршневых насосов.

34 5

пульса от соответствующего управляющего прибора (например, датчика уровня жидкости).

Неавтоматизированные насосные станции с мощными двига­ телями на напряжение 6 кВ кроме местного снабжаются ди­ станционным управлением. Схемы местного и дистанционного управления такими двигателями аналогичны схемам для дви­ гателей компрессорных станций.

На рис. 9.8 показан вариант схемы электрических соедине­

ципе реверсивного магнитного пускателя. Задвижка может управляться непосредственно у места ее установки и дистанци­ онно — с диспетчерского пункта. Местное управление осуществ­ ляется с помощью кнопок КО и КЗ. Нажатие первой из них приводит к возбуждению катушки контактора открытия О, главные контакты которого О в цепи двигателя привода за­ движки Д, замыкаясь, включают двигатель. Задвижка откры­ вается и контакт связанного с ее валом путевого выключателя открытия ВКО-1 обесточивает катушку контактора О, что при­ водит к остановке двигателя.

Задвижка закрывается при замыкании кнопки КЗ. При этом возбуждается катушка контактора 3, главные контакты кото­ рого включают двигатель для вращения в обратном направле­ нии, которое прекращается при обесточивании катушки кон­ тактора 3 контактом путевого выключателя закрытия ВКЗ-1. Путевой выключатель ВКМ своим контактом размыкает цепи управления электроприводом при ручном управлении задвижкой с помощью маховика.

347

Дистанционное управление с диспетчерского пункта (ДП) и сигнализация на последнем положении задвижки, осуществ­ ляется при помощи двухпроводной линии (Л1 и Л2). При на­ жатии кнопки ОДП, расположенной на ДП по жиле Л1 прохо­ дит полуволна напряжения, которая через диоды Д1 и Д5 воз­ буждает катушку контактора О, что приводит к открытию задвижки. Соответственно при нажатии кнопки ДПЗ через жи­ лу Л 1 и диоды Д2 и Д6 включается цепь возбуждения катушки контактора 3 и задвижка закрывается.

Сигнальные лампы Л О и ЛЗ на ДП включаются контактами соответствующих путевых выключателей ВКО-2 и ВКЗ-2, замы­ кающих цепи этих ламп через жилу Л2 и соответственно ди­ оды ДЗ—Д9 и Д4—ДЮ. Предусмотрена защита двигателя от длительных перегрузок при помощи тепловых реле РТ1 и РТ2. Защита от коротких замыканий, действующая также на отключе­ ние, когда при закрытии задвижки конечный выключатель не отключит двигатель точно в момент, соответствующий оконча­ нию ее закрытия, осуществляется автоматическим выключате­ лем BL

Кнопка КС позволяет остановить двигатель Д при любом положении задвижки.

В настоящее время насосные станции для внутрипромысловой перекачки нефти строятся исходя из их применения в герме­ тизированных высоконапорных системах сбора нефти (дожим­ ные, станции перекачки с установок подготовки на центральные товарные парки). Эти станции сооружаются в блочном испол­ нении. Типовые дожимные блочные станции рассчитаны на про­ изводительность 2 000, 3 000, 5 000 т/сут. Станция производитель­ ностью 5000 т/сут комплектуется из семи блоков, в числе ко­ торых блоки насосов с электродвигателями, и двух блоков комплектных трансформаторных подстанции. Эта станция содер­ жит три рабочие и один резервный агрегаты с асинхронными двигателями мощностью 160 кВт, 2950 об/мин.

Для промыслов Западной Сибири блочные насосные комп­ лектуются из насосных блоков, каждый из которых содержит насос 8М-7 и асинхронный двигатель во взрывонепроницаемом исполнении серии ВАО мощностью от 320 до 500 кВт на 6 кВ. Число насосных блоков определяется производительностью на­ сосной станции.

Блоки с двигателями мощностью 500 кВт имеют устройства электроподогрева, действующие во время остановки насоса.

К вспомогательному электрооборудованию этих насосных станций относятся электроприводы задвижек (7,5 кВт), воздуш­ ные компрессоры для пневмоавтоматики (10 кВт), насосы си­ стемы пожаротушения на пр. Общая расчетная нагрузка вспо­ могательного электрооборудования, питаемого при напряже­ нии 380/220 В, составляет от 200 до 400 кВт.

Ж

§ 58. Электрооборудование водяных насосных систем поддержания пластового давления

Насосные для законтурного и внутриконтурного заводнения являются весьма энергоемкими установками. В нефтяных рай­ онах СССР, где большое число скважин находится в режиме фонтанной эксплуатации, расход электроэнергии на закачку воды в пласт превышает 60% от общего расхода электроэнер­ гии на добычу нефти.

Необходимость обеспечения непрерывной подачи воды при больших ее расходах и высоких требованиях к ее качеству обу­ словливают создание специальных систем водоснабжения. Воду для закачки в пласт забирают из рек, озер и водохранилищ. Используются подземные воды, которым отдается предпочтение, так как применение их возможно без очистки и химической об­ работки.

Забираемую из открытых водоемов воду перед подачей в магистрали системы водоснабжения очищают, с тем чтобы ос­ вободить ее от взвешенных частиц, железа и других примесей, которые могут засорить поры нефтеносного пласта.

Начальными звеньями системы водоснабжения в этих слу­ чаях являются насосные станции водозабора первого (и вто­ рого) подъема, от которых вода, пройдя через водоочистные со­ оружения, поступает в магистральные трубопроводы. Из по­ следних вода забирается кустовыми насосными станциями (КНС), где насосы высокого давления повышают ее давление и по разводящим напорным трубопроводам посылают в сква­ жины.

Электрооборудование водонасосных станций может быть нормального исполнения, так как здесь взрывоопасные смеси отсутствуют. По необходимой бесперебойности питания элект­ роэнергией ответственные насосные станции центрального водо­ снабжения следует относить к потребителям 1-й категории на­ дежности. Кустовые насосные могут быть отнесены к 3-й ка­ тегории.

Водозаборные насосные станции на открытых водоемах снабжаются несколькими агрегатами с двигателями мощно­ стью от 100 до 250 кВт (первого подъема) и 800—2 500 кВт — на насосных второго подъема. На старых насосных, построен­ ных десять и более лет назад, используются короткозамкнутые асинхронные двигатели с синхронной частотой вращения 1 500 об/мин. На современных насосных применяются синхрон­ ные двигатели. В частности, для объединенного водозабора трех нефтяных месторождений Западной Сибири применена ус­ тановка с тремя блоками насосов первого подъема 12НДС-60 и 300 Д/90 с электродвигателями 100 и 250 кВт. Насосная стан­ ция второго подъема имеет 12 насосов с электродвигателями мощностью 1 600 и 250 кВт на 6 кВ.

349

Электроснабжение этой системы осуществляется от транс­ форматорной подстанции 35/6 кВ с двумя трансформаторами

по 10 МВ • А.

Питание потребителей напряжением 380/220 В (двигатели мощностью 100 кВт, электроосвещение, вентиляторы, электро­ отопление) осуществляется от четырех трансформаторных под­ станций 6/0,4—0,23 кВ.

Рнс. 9.9. Насосная станция с насосом АТН, установленным на скважине:

1 — скважина; 2 —электродвигатель; 3 — напорныЗ трубопровод

Насосные станции проектируются обычно так, чтобы насосы при пуске оказались залитыми за счет заглубления последних

в относительно редких случаях прибегают к установке вакуум­ ных насосов, у которых управление электроприводом связано с системой пуска основных насосов.

Если водоснабжение основывается на использовании грунто­ вых вод, то водозабор осуществляется при помощи специаль­ ных насосных агрегатов, которыми оборудуются скважины водозабора. Здесь применяются вертикальные глубинные цент­ робежные насосы или погружные насосные агрегаты. На рнс. 9.9 показан вариант устройства такой насосной с применением на­ соса типа АТН и вертикального электродвигателя, установлен­ ных на скважине в павильоне.

Вертикальные погружные центробежные насосы для забора и нагнетания воды из подрусловых и артезианских скважин

350