Расчетная часть-Расчет электроцентробежного насоса для добычи нефти ЭЦНМК5А-160-2100-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет электроцентробежного насоса для добычи нефти ЭЦНМК5А-160-2100: Расчет необходимого напора ЭЦН, выбор насоса и погружного электродвигателя, Определение глубины погружения насоса под динамический уровень, Выбор кабеля, трансформатора и определение эксплуатационных параметров ЭЦН, РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ КОРПУСА И ВАЛА ЭЦН, Расчет корпуса насоса на прочность, Расчет вала насоса на прочность, ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ СТУПЕНИ, Расчет рабочего колеса, Расчет направляющего аппарата-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

2 ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

2.1 Расчет необходимого напора ЭЦН, выбор насоса и
погружного электродвигателя


Исходные данные
- наружный диаметр эксплуатационной колонны Dk=146мм;
- дебит жидкости Q=177м3/сут;
- динамический уровень hд=1908м;
- коэффициент продуктивности скважины К=95м3/сут·МПа;
- глубина погружения под динамический уровень h=557м;
- кинематическая вязкость жидкости ν =2·10-6м3/с;
- превышение уровня жидкости в сепараторе над устьем скважины hг=10м;
- избыточное давление в сепараторе рс=0,3 МПа;
- расстояние от устья до сепаратора l=60м;
- плотность добываемой жидкости ρж=865кг/м3.

Определение необходимого напора:
1) Площадь внутреннего канала НКТ:
,
где - дебит скважины, ;
- выбранная величина средней скорости,
При :


2) Внутренний диаметр НКТ:
,
где - площадь внутреннего канала выбранных стандартных НКТ

Ближайший больший имеют НКТ диаметром 60 мм ( )
Скорректируем выбранное значение :


Определяем депрессию, при показателе степени уровня притока, равном единице:
,
где - коэффициент продуктивности скважины, ;
- плотность жидкости, ;


Для определения - коэффициента гидравлического сопротивления, найдем число и относительную гладкость труб .
Число Рейнольдса находим по формуле:
,
где - кинематическая вязкость жидкости,

Относительная гладкость труб:
,
где - шероховатость стенок труб, принимаемая для незагрязненных отложений солей и парафина труб равной

Вычислим - коэффициента гидравлического сопротивления по числу Рейнольдса, независимо от шероховатости:

Так как .


Найдем глубину спуска насоса:
,
где - глубина погружения насоса под динамический уровень, ;
- динамический уровень жидкости в скважине,

Потери на трение в трубах определяем по формуле:



Найдем потери напора на преодоление давления в сепараторе:
,
где - избыточное давление в сепараторе


Необходимый напор определяем из уравнения условной характеристики скважины:
,
где - разность геодезических отметок сепаратора и устья скважины


Для получения дебита и напора выбираем ЭЦНМК5А-160-2100 с числом ступеней 413, учитывая, что эксплуатационная колонна диаметром 146 мм.,три секции. Две No5 по 160 ступеней и одна No3 93 ступени.

Построим участок рабочей области характеристики :

Из полученной рабочей области характеристики найдем, что при дебете напор ЭЦН на воде составляет 2100 м.

Для совмещения характеристик насоса и скважины определим число ступеней, которое нужно снять с насоса для получения необходимого напора:
,
где - напор насоса по его характеристике, соответствующий дебиту скважины;
- необходимый напор скважины;
- число ступеней насоса

Следовательно, насос должен иметь z =413-12=401 ступень, вместо снятых устанавливается проставки. Напор одной ступени составит = 5,09 м.
При установке штуцера на выкиде из скважины мы совмещаем напоры ЭЦН и скважины, но уменьшаем подачу ЭЦН, одновременно уменьшая его КПД.
Полезная мощность электродвигателя:
,
где - КПД насоса по его рабочей характеристике;
- наибольшая плотность откачиваемой жидкости

Учитывая, что КПД передачи от двигателя до насоса (через протектор) составляет 0,92 – 0,95 (подшипники скольжения), определим необходимую мощность двигателя:


Ближайший больший типоразмер это ПЭДУК63-117ДВ5 с КПД 0,85, напряжением , сила тока , , температура окружающей среды до .
Этому двигателю соответствует гидрозащита ПК114Д.
2.2 Определение глубины погружения насоса под динамический уровень

Исходные данные:
- наружный диаметр эксплуатационной колонны Dк=146мм;
- дебит жидкости Q=177м3/сут.;
- динамический уровень hд=1908м;
- тип насоса ЭЦНМК5А-160-2200;
- необходимый напор насоса Нс=2040м;
- газовый фактор Г=63м3/м3;
- давление в затрубном пространстве Рз=2,8МПа;
- давление на устье скважины Ру=2,5МПа;
- обводненность нефти n=0,27;
- плотность газа ρг=1,1 кг/м3;
- плотность нефти ρн=865 кг/м3;
- температура жидкости на приеме t=88oС.
1) Для колонны диаметром 146мм примем коэффициент сепарации газа равным σ=0,15. Из данных к расчету Т0=288К; Т=323К.
Принимая газосодержание на приеме β=0,1, определим объем растворенного газа

2) Относительная плотность газа:

По графику Брауна найдем псевдокритические давление и температуру по относительной плотности газа:
- псевдокритическое давление;
- псевдокритическая температура.
Принимая предварительно давление на приеме насоса Рпл=5МПа, найдем приведенные давление и температуру:
;
По графику Брауна найдем коэффициент сжимаемости газа z=0,75
3) Безразмерный параметр λН:

- относительная плотность нефти при 20oС и атмосферном давлении
4) Объемный коэффициент нефти:
,
где - коэффициент сжимаемости нефти;
- температурный коэффициент.


5) Давление на приеме:

где МПа – давление на устье (атмосферное давление);
z – коэффициент сжимаемости газа.


6) Учитывая найденное давление на приеме насоса, вновь найдем приведенное давление:
;
По графику Брауна найдем z=0,91




7) Вновь определяя:

По графику Брауна найдем z=0,9
Принимаем рпр=7,68 МПа.
8) Плотность водогазонефтяной смеси:

где - плотность нефти, воды, газа;
n – обводненность;
β – газосодержание на приеме.
9) Глубина погружения насоса под динамический уровень:

10) Глубина спуска насоса:

11) Высота подъема жидкости расширяющимся газом:

где Рнас=100ат=10МПа – давление насыщения, определяется по номограмме Стендинга;
12) Высота подъема жидкости газом по другой зависимости:

Где dвн=50мм – внутренний диаметр труб НКТ
13) таким образом, необходимый напор ЭЦН может быть снижен за счет полезной работы газа в НКТ:

где Нс – необходимый напор насоса;
0,7 – коэффициент, учитывающий падение пластового давления.
2.3 Выбор кабеля, трансформатора и определение эксплуатационных параметров ЭЦН

И сходные данные:
- размер НКТ 60,5×5мм;
- дебит жидкости Q=177м3/сут;
- динамический уровень hд=1908м;
- тип насоса ЭЦНМК5А-160-2200;
- тип электродвигателя ПЭДУК-63-117ДВ5;
- глубина спуска насоса L=2465м;
- температура жидкости на приеме насоса t =88oС;
- расстояние до станции управления l=100м;
- запас на ремонт кабеля lр=50м.

Основные характеристики двигателя:
- мощность РЭ.Д.=63 кВт;
- напряжение U=1400В;
- ток I=36 А;
- КПД =0,85;
- коэффициент мощности cos =0,86;
- температура окружающей среды 50oС;
- скорость охлаждающей жидкости 0,12м/с.
Сечение жилы кабеля:

где I- номинальный ток электродвигателя, А;
i=5 А/мм2 – допустимая плотность тока.
Поскольку в жидкости имеется растворенный газ, выбираем кабель с полиэтиленовой изоляцией КТЭБ 3×10мм и КТЭБК 3×10 с рабочим напряжением 2500В, допустимым давлением до 35МПа и температурой до 110oС и размером 13,6×33,8мм.
Длина кабеля:

Сопротивление кабеля:

где ρ=0,0175 - удельное сопротивление меди;
- температурный коэффициент для меди;
tз- температура на забое у приема насоса.
5) Потери мощности в кабеле:

6) Мощность трансформатора:

7) Падение напряжения в кабеле:

где Rк=R·103- активное удельное сопротивление 1км кабеля;
Х0=0,1 - индуктивное удельное сопротивление кабеля;
sin = sin(arccos )=0,63 – коэффициент реактивной мощности.
8) Напряжение на вторичной обмотке трансформатора:-

Условиям (Ртр=112,3кВт,Uтр=1931,1В) удовлетворяет трансформатор ТСБ3-100 с пределами регулирования во вторичной обмотке 1100-1300В, мощностью 84,5кВт.
9) Габаритный диаметр Dmax насосного агрегата с учетом размеров электродвигателя, насоса и плоского кабеля:

где Dэд, Dн – наружный диаметр электродвигателя и насоса;
hк=10,1мм – толщина плоского кабеля;
Sх=1,0мм – толщина хомута.
10) Габаритный размер Аmax с учетом размеров муфты НКТ и круглого кабеля:

Условие Dmax Amax выполняется, поэтому установка над насосом НКТ на типоразмер меньше и использование плоского кабеля на длине этих НКТ не требуется.
Эксплуатационная колонна диаметром 146мм имеет внутренний диаметр 130мм, минимальный зазор составит:
А=Dвн – Dmax = 130-124,6=5,4мм, что допустимо (зазор должен быть в пределах А=5 10мм).
11) Скорость движения охлаждающей жидкости в месте расположения электродвигателя:

Полученная скорость превышает необходимую скорость охлаждающей жидкости (0,12м/с) по характеристике электродвигателя ПЭДУК63-117ДВ5.
12) Общий КПД установки:

где =0,94 – КПД труб НКТ;
- КПД трансформатора.
13) Удельный расход электроэнергии на 1 т. добытой жидкости:












3 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ
КОРПУСА И ВАЛА ЭЦН
3.1 Расчет корпуса насоса на прочность

Наибольшие нагрузки действуют на корпус насоса в то время, когда насос работает в режиме закрытой задвижки. На корпус действуют осевые усилия от давления Рн,развиваемого насосом; усилие предварительной затяжки ступеней Рпз, действующее в момент работы насоса в режиме закрытой задвижки; вес оборудования, расположенного под насосом (насос, электродвигатель, гидрозащита).
В высоконапорных насосах наиболее нагруженным является корпус верхней секции. Корпус рассчитывают по сечению проточки для вывода верхней внутренней резьбы под ниппель, т.к.оно является наиболее слабым.
Исходные данные:
- электродвигатель ПЭДУК63-117ДВ5;
- материал корпуса насоса – Ст.35 (
- материал направляющего аппарата – серый чугун ;
- плотность добываемой жидкости
- кабель КФСБ 3×6 массой
Характеристика насоса:
- диаметр корпуса насоса;
- масса насоса;
- длина насоса;
- число ступеней.
Характеристики электродвигателя ПЭДУК63-117ДВ5:
- длина электродвигателя;
- масса электродвигателя.
Характеристики гидрозащиты ПК114Д:
- длина гидрозащиты;
- ее масса.
1) Площадь поперечного сечения корпуса в месте проточки (с учетом высоты резьбы в месте внутренней проточки 1,8 мм):

2) Внутренний диаметр направляющего аппарата:

3) Площадь поперечного сечения направляющего аппарата:

4) Гидравлическая нагрузка от действия столба жидкости, создаваемого насосом в режиме закрытой задвижки:

5) Усилие предварительной затяжки:

6) Вес оборудования:


7) Осевое напряжение от действия трех сил:

8) Тангенциальное напряжение в теле корпуса:

толщина стенки в проточке корпуса.
9) Эквивалентное напряжение:

10) Коэффициент запаса:
>
Условие прочности выполняются.
11) Напряжение сжатия в стенке направляющего аппарата:

> что допустимо для хрупких материалов (чугуна).
3.2 Расчет вала насоса на прочность

Исходные данные:
- тип электродвигателя – ПЭДУК63-117ДВ5;
- частота вращения вала насоса n=2820 мин-1;
1) Максимальный крутящий момент:

Для вала выбираем Сталь 40ХН ( )

2) Внутренний диаметр шлицев вала:

Выбираем шлицевое соединение 6×18×22
3) Осевой момент инерции вала, определяемый по месту проточки под стопорное кольцо:

4) Из чертежей вала найдем:

Радиальная нагрузка, действующая на шлицевой конец вала насоса:

5) Нагрузка, которую дают 5 работающих шлицев:

6) Изгибающий момент в слабом сечении вала ( в месте проточки под стопорное кольцо):


7) Осевой момент сопротивления шлицевого вала в месте проточки под стопорное кольцо:

8) Напряжение изгиба в опасном сечении:


9) Касательное напряжение:

10) Эквивалентное напряжение по 4-ой теории прочности:

Сжимающими (растягивающими) усилиями ввиду их малости пренебрегаем.
11) Коэффициент запаса по пределу текучести:
≥
Статическая прочность вала ЭЦН обеспечена.
Расчет вала ЭЦН на выносливость.
1) Среднее напряжение асимметричного цикла:

2) Амплитудное напряжение асимметричного цикла:

Для стали 40ХН [1, табл.4.1].
3) Предел выносливости материала при кручении:

4) Для стали 40ХН [1, табл.4.1] коэффициенты, характеризующие чувствительность металла к асимметрии цикла φσ = 0,1; φτ = 0,05.
5) Из справочника по деталям машин определяем:
- коэффициенты концентрации напряжений kσ = 2,15; kτ = 2,55;
- коэффициенты, учитывающие масштабный фактор
- коэффициенты, учитывающие влияние состояния поверхности


6) Коэффициент запаса при изгибе:

7) Коэффициент запаса при кручении:

τа = 0 – при равномерном вращении вала.
8) Общий коэффициент запаса:
>
Прочность на выносливость обеспечена.















4 ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ СТУПЕНИ
4.1 Расчет рабочего колеса

Исходные данные:
- - толщина стенки корпуса ступени, определяемая расчетом на прочность;
- - внутренний диаметр корпуса насоса;
- - радиальный зазор между внутренней стенкой корпуса ступени Dвн.ст и наибольшем диаметром рабочего колеса D2max;
- - скорость вращения вала насоса;
- - диаметр вала насоса.

Внутренний диаметр корпуса ступени:


Наибольший внешний диаметр рабочего колеса:
.

3) Приведенная подача:

где подача насоса, ;
2800- приведенная скорость вращения единичного насоса, ;
90- наибольший внешний диаметр рабочего колеса единичного насоса, .

Приведенная подача рассчитываемой ступени должна находиться в пределах
1,0<Qприв<9,0 л/с.
Это условие выполняется, т.к. 1,0<2,52<9,0
4) Диаметр втулки при входе в рабочее колесо:

где коэффициент, определяющий диаметр втулки рабочего колеса при
известном D2max [2, рис.76].
5) Толщина стенки втулки:

Для погружных центробежных насосов с диаметром корпуса 92-150мм толщина стенки втулки
должна быть
6) Наибольший диаметр входных кромок лопастей:

где коэффициент, определяющий наибольший диаметр входных кромок
лопастей рабочего колеса [2, рис.76].
7) Диаметр входа в рабочее колесо:

где коэффициент диаметра входа в рабочее колесо [2, рис.76].
8) Наименьший диаметр выходных кромок лопастей рабочего колеса:

где приведенная площадь безлопаточного кольца между стенкой
корпуса ступени DВН.СТ и ободом верхнего диска рабочего колеса [2, рис76].
9) Наименьший диаметр входных кромок лопастей:

где коэффициент, определяющий наименьший диаметр входных
кромок лопастей рабочего колеса [2, рис.76].
10) Высота канала на выходе из рабочего колеса:

где коэффициент, определяющий высоту b2 канала на выходу из
рабочего колеса [2, рис.76].
11) Высота канала на входе в рабочее колесо:

где коэффициент, определяющий высоту канала на входе в рабочее
колесо [2, рис.76].
12) Окружная скорость на диаметре рабочего колеса:

13) Напор ступени:

где коэффициент окружной скорости при выходе из рабочего колеса
[2, рис.73,Н].
14) Коэффициент быстроходности:

где подача насоса.
15) Средний конструктивный угол входного конца средней линии профиля лопасти
рабочего колеса β1ср определяется из графика [2, рис.74, б] по известному
коэффициенту быстроходности ns .
β1ср= 40o
16) Конструктивный угол выходного конца средней линии профиля лопасти
рабочего колеса β2 определяется из графика [2, рис.74, а] по известному
коэффициенту быстроходности ns .
β2= 32o
Углы β1ср и β2 являются необходимым условием соответствия действительн характеристики ступени ее расчетным параметрам по подаче, напору и наивысшему КПД. Проектирование профиля лопасти производится конформным способом, который позволяет обеспечить плавное изменение угла наклона лопасти β1 до β2 на всем пути жидкости между входом в межлопастные каналы и выходом из них и выполнить тем самым одно из необходимых условий получения степени высокого КПД. Сущность всякого конформного способа проектирования лопастей заключается в равноугольном перенесений отдельных характерных линий тока, построенных на плоскости, на поверхности лопасти пространственного очертания.
Лопасти рабочих колес и лопатки направляющих аппаратов погружных центробежных насосов выполняются цилиндрическими, независимо от Qприв ступени и от того, что входные кромки лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата непараллельны оси ступени. Это обусловлено стремлением максимально упростить технологический процесс формирование ступеней при отливке.
Для определения формы лопасти необходимо построить профиль следа пересечения лопасти со стенкой ведущего диска колеса. Другой профиль строится на базе первого – вписывается в него с учетом изменения входного угла средней линии этого профиля и требований технологии литья.
Построение профиля рабочего колеса и лопастей, а также конструктивное оформление рабочего колеса ведется с учетом рекомендаций, изложенных во втором источнике в главе 4 на стр. 107-120.
4.2 Расчет направляющего аппарата

1) Приведенная высота ступени определяется из графика по известной приведенной подаче:

2) Действительная высота ступени:

3) Средняя высота междулопаточных каналов направляющего аппарата:

где b3прив =6,2мм – приведенная средняя высота каналов направляющего аппарата
4) Диаметр диафрагмы направляющего аппарата:

где мм2 – приведенная площадь кольца между внутренней стенкой корпуса ступени и диаметром диафрагмы D3 направляющего аппарата .
Полученные значения l, D3 и b3 а также dВТ рабочего колеса и внешний диаметр цилиндрического бурта при входе в колесо ( определяется конструктивно) позволяют построить меридианное сечение направляющего аппарата ступени.
Лопатки направляющего аппарата также выполняют цилиндрическими. Средняя линия профиля направляющего аппарата конструируется также, как и средняя линия профиля лопасти рабочего колеса, т.е. конформным способом.
5) Угол входного конца средней линии профиля направляющего аппарата:


где k=1,3 1,6 – коэффициент;
kCT2=0,195 – коэффициент меридианной скорости на выходе из колеса
6) Угол между касательной к выходному элементу средней линии профиля и касательной к окружности в точке касания ее выходной кромки профиля принимается равным 90 .

7) Радиус скругления входных и выходных кромок лопаток:

где S=3мм – наибольшая толщина профиля.