Проверка кабельной линии на термическую стойкость

Таблица №1

№	U1, В	fМIN, Гц	fMAX, Гц	l, м	Pн, кВт	Uн, В	η, %	Cos φ	T, 0С	Dк, мм	Dвн.об, мм
							79,5	0,84

Обозначения принятые в таблице №1: l_М – глубина спуска погружного электродвигателя (ПЭД); Р_Н – номинальная мощность на валу ПЭД; U_Н – номинальное напряжение ПЭД; η – коэффициент полезного действия ПЭД; cos φ – коэффициент мощности ПЭД; T – температура пластовой жидкости в скважине; D_К – диаметр корпуса ПЭД; D_ВН.ОБ – внутренний диаметр обсадной колонны; U₁ – напряжение промысловой сети; f_МIN, f_MAX – минимальная и максимальная частота выходного напряжения преобразователя частоты.

ВВЕДЕНИЕ

Значительную часть добываемой в России нефти получают из скважин, 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 производительности скважины и глубины подвески насоса.

Бесштанговые погружные насосы используют на скважинах с форсированным 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 жидкости 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.

1. РАСЧЁТ И ВЫБОР ОСНОВНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

СКВАЖИННОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Выбор подходящей марки погружного электродвигателя

На основании исходных данных выбираем марку погружного электродвигателя из каталожных данных, и занесём их в таблицу №2.

Таблица №2

Тип, марка	U1, В	Pн, кВт	Uраб, В	η, %	Cos φ	Dк, мм
ЭД40-117М				84,5	0,85

1.2 Расчёт и выбор кабельной линии

Выбор сечения кабельной жилы производим с учетом механических характеристик, условий нагрева, допустимых потерь напряжения и мощности в нормальном режиме, механической прочности 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. При упрощенном подходе это требование сводится к применению нормативной экономической плотности тока и определению расчетного экономического сечения токопроводящей жилы F1 по формуле:

(мм²) (1.1)

Где, I_м.р. – максимальный расчетный ток в кабельной линии при нормальном режиме работы;

j_эк =2,5 А/мм² экономическая плотность тока, принимается на основе опыта эксплуатации.

Для упрощения расчетов принимаем режим работы электродвигателя номинальным. Тогда величина тока I_м.р определяется из выражения:

(А) (1.2)

Где, – активная, реактивная и полная мощности, потребляемые УЭЦН из промысловой сети.

Рассчитываем активную мощность потребляемую УЭЦН:

(кВт) (1.3)

Где, – необходимая мощность на валу приводного электродвигателя, потребляемая центробежным насосом;

η – КПД электродвигателя, взятое из таблицы №2.

(кВт)

Рассчитываем реактивную мощность потребляемую УЭЦН:

(кВАр) (1.4)

Где, = 0,62

(кВАр)

Рассчитываем полную мощность потребляемую УЭЦН:

(кВА) (1.5)

(кВА)

Подставляя, рассчитанные величины в формулу 1.2 получим максимальный рабочий ток электродвигателя.

(А)

Рассчитываем сечение жилы основного кабеля питания УЭЦН, подставим известные значения в формулу 1.1.

(мм²)

Выбираем ближайшее стандартное значение мм² и сечение кабеля удлинителя мм² . Данные для основного и удлинительного силового кабеля марки КРБК занесём в таблицу №3.

Таблица №3

Чило и сечение жил	Констр.жилы	Толщ изоляции	Толщина защ.оболочки	Наружный диаметр	Вес 1 км кабеля кг
3*16	7*1,68	1,8	2,0	29,8
3*25	7*2,11	1,8	2,0	32,1

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

(мм) (1.6)

Условия размещения выполняются.

Проверяем выбранные сечения по длительно допустимому току I_дл.доп. Согласно ПУЭ допустимый длительный ток I_дл.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 температуры жилы + 65 ˚С и земли + 15 ˚С. Длительно допустимый ток при другой температуре окружающей среды можно определить с помощью поправочного коэффициента К(t) который, если считать коэффициент теплоотдачи неизменным, выражается формулой:

(1.7)

Где, t_дл.доп – длительно-допустимая температура для кабеля КПБП, равная + 95˚С;

t_о.р – расчетная температура окружающей среды равная +15°С;

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

Длительно допустимый ток погружного кабеля КПБП:

(А) (1.8)

Произведём проверку соблюдения условия, при котором :

(А)

34,2 (А)>26.79 (А), значит , условие соблюдается.

Потери напряжения в кабельной линии

Потери напряжения ΔU_кл в номинальном режиме работы установки ЭЦН равны

(В) (1.9)

и не должны превышать в нормальном режиме 10 % от номинального расчетного напряжения.

(1.10)

В качестве последнего используем номинальное напряжение погружного электродвигателя. Это напряжение зависит от мощности, диаметральных размеров, рода изоляции и других условий и поэтому не бывает одинаковым у всех типов двигателей. Одинаковое напряжение для всех типоразмеров погружных электродвигателей нецелесообразно, т.к. это ухудшает их характеристики и усложняет их производство.

Рассчитываем активное сопротивление кабеля, которое равное:

(Ом) (1.11)

Где, λ – удельная проводимость меди равная 59 См.м/мм²;

α – температурный коэффициент сопротивления для меди равный 0,004 град ^–1;

t_каб – температура жилы кабеля в ˚С, принимаемая, как температура пластовой жидкости.

(Ом)

Рассчитываем индуктивное сопротивление кабеля, равное

(Ом) (1.12)

Где, - длина кабельной линии (км);

Диаметр жилы (мм);

толщина изоляции (мм);

(мм).

(мм) (1.13)

(мм),

Тогда, подставим рассчитанные величины в формулу 1.12 и получим следующий результат:

(Ом)

Рассчитываем потери напряжения ΔU_л в номинальном режиме работы установки ЭЦН подставляя рассчитанные величины в формулу 1.9:

(В)

или в относительных единицах по формуле 1.10 получим:

(%),

что можно считать допустимым (6,76% < 10 %), т.е. кабельная линия проходит по потерям напряжения.

Потери мощности в кабельной линии

Величина активной ΔР_кл, реактивной ΔQ_кл и полной ΔS_кл потери мощности в кабельной линии зависит от активного R_л и реактивного Х_л сопротивлений фаз токопроводящего кабеля. Приближенно нагрузочные потери мощности в линии можно определить по номинальному напряжению погружного электродвигателя

(Вт) (1.14)

(Вт)

Произведём проверку при этом должно соблюдаться условие:

, следовательно, 3509,6<47330·0,18, условие соблюдается.

Произведём расчёт активной мощности подводимой к кабельной линии в начале участка сети

(кВт) (1.15)

(кВт)

Рассчитываем потери реактивной мощности в кабельной линии

(кВАр) (1.16)

Напряжение в начале кабельной линии, которое должно обеспечивать трансформатор промысловой станции управления для получения номинального напряжения на погружном электродвигателе составляет:

(В) (1.17)

(В)

Реактивная емкостная мощность рассчитывается по формуле:

(кВАр) (1.18)

Где, ток зарядный (А); (1.19)

[См/км]; (1.20)

(См/км), подставим значение Вл в формулу 1.19 и получим следующее:

(А)

Подставим известные величины в формулу 1.18 и получим результат:

(кВАр)

Рассчитываем потери реактивной мощности, в кабельной линии подставляя известные значения в формулу 1.16

(кВАр)

Полная реактивная мощность установки ЭЦН с учетом зарада-разряда

(кВАр) (1.21)

(кВАр)

Полная мощность на входе кабельной линии

(кВА) (1.22)

(кВА)

1.3 Расчёт и выбор двухобмоточного трансформатора

Трансформатор выбираем по двум параметрам Sн и Uн при этом коэффициент загрузки должен лежать в пределах Кзагр.=0,7…0,8.

Определяем необходимую мощность силового трансформатора по формуле:

(кВА) (1.23)

(кВА)

Находим марку силового трансформатора с каталожной мощностью и каталожным напряжением ступеней регулирования

Выбираем силовой трансформатор масляный, повышающий марки ТМПН-100/3-УХЛ1. Параметры трансформатора представлены в таблице №4.

Таблица №4

Номинальная мощность, кВА	Напряжение х.х. вторичной обмотки, В	Ступень регулирования, В	Потери х.х., Вт	Потери КЗ, Вт	Ток х.х., %	Напряжение кз, %
	1690(34,2)-1646(35,1)-1602(36)-1558(37,1)-1514(38,1)-1470(39,3)-1426(40,5)-1382(41,8)-1338(43,2)-1294(44,6)-1250(46,2)-1206(46,2)-1162(46,2)-1118(46,2)-1074(46,2)- 1030(46,2)-986(46,2)-942(46,2)-898(46,2)-854(46,2)-810(46,2)-766(46,2)-722(46,2)-678(46,2)-634(46,2)				1,9	5,5

Коэффициент загрузки силового трансформатора составит:

(1.24)

, величина коэффициента загрузки лежит в пределах 0,7…0,8.

Расчёт потерь мощности в трансформаторе

Трансформатор представляется в виде Г-образной эквивалентной схемы без идеального трансформатора (ИТ) 4-х элементной.

Рис.1 Г-образная схема замещения трансформатора

Параметры Г – образной схемы замещения.

– приведенная нагрузка;

– приведенные активные и индуктивные сопротивления обмоток;

В_тр – проводимость намагничивания;

G_тр – проводимость активных потерь (потери в стали).

Произведём расчёт потерь в активном сопротивлении обмотки трансформатора по трём фазам

(Ом) (1.25)

(Ом)

Произведём расчёт потерь в реактивном сопротивлении обмотки трансформатора по трём фазам. Реактивное сопротивление в обмотках трансформатора определяем по Uкз(%), так как известно, что Х_Т∑>>R_Т∑.

(Ом) (1.26)

(Ом)

Рассчитываем проводимость магнитных потерь, через потери мощности холостого хода.

(Ом^-1) (1.27)

(Ом^-1)

Рассчитываем проводимость намагничивания, через ток холостого хода.

(См) (1.28)

(См)

Рассчитываем потери активной мощности в трансформаторе.

(Вт) (1.29)

(Вт)

Рассчитываем потери реактивной мощности в трансформаторе.

(ВАр) (1.30)

Потери реактивной мощности на намагничивание

(ВАр) (1.31)

(кВАр)

Потери реактивной мощности рассеяния в трансформаторе при номинальной нагрузке

(ВАр) (1.32)

(кВАр)

Подставим рассчитанные значения по формулам 1.31, 1.32 в формулу 1.30 и произведём расчёт

(кВАр)

Расчёт потерь напряжения в трансформаторе на первичной обмотке

Расчёт потерь напряжения в трансформаторе на низкой стороне рассчитываем по формуле

(В) (1.33)

Рассчитываем суммарную активную мощность

(кВт) (1.34)

(кВт)

Рассчитываем суммарную реактивную мощность

(кВАр) (1.35)

(кВАр)

Подставляя в формулу 1.33 известные расчётные величины, получим следующий результат:

(В)

Расчёт потерь напряжения в трансформаторе на вторичной обмотке

Расчёт потерь напряжения в трансформаторе на высокой стороне рассчитываем по формуле

(В) (1.36)

Где, коэффициент трансформации силового трансформатора Кт для ступеней трансформации рассчитываем по формуле:

(1.37)

;

;

.

Подставляя значения коэффициентов трансформации в формулу 1.36, получим следующий результат:

(В)

(В)

(В)

Напряжение холостого хода вторичной (ВН) обмотки трансформатора

(В) (1.38)

(В)

Окончательно принимаем отпайку с напряжением 1206 В, как ближайшую к расчётному напряжению холостого хода на стороне ВН, рассчитанную по формуле 1.38.

Уточняем фактическое напряжение на входе ПЭД

(В) (1.39)

(В)

Произведём расчёт отклонения напряжения на входе ПЭД ( ) от напряжения номинального рабочего ( ).

(1.40)

Условия соблюдения правильности выбора напряжения отпайки выполняется если, .

%, по условию , следовательно, силовые кабели и трансформатор выбраны, верно.

Проверка кабельной линии на термическую стойкость

Поскольку процесс КЗ кратковременный, то можно считать, что всё тепло, выделяемое в проводнике кабеля, идёт на его нагрев.

Проверка сечения кабеля на термическую стойкость к токам короткого замыкания проводится по выражению

(мм²) (1.41)

Где, - термический коэффициент (для меди - 6); - установившийся ток к.з. в килоамперах; - приведенное время действия тока к.з.

(с) (1.42)

Где, -время срабатывания защиты (с); -время отключения выключателя (с).

(с)

(мм²)

Начальное значение периодической составляющей трёхфазного тока короткого замыкания в кабельной линии рассчитываем по формуле

(А) (1.43)

(А)

По условию проверки , тогда 16 (мм²)>2,5 (мм²), условие соблюдается!

Сечение выбранного кабеля марки КРБК составляющее 3х16 мм² по термической стойкости проходит. На листе №25 указана расчётная точка К.З.