21 Характер нагрузки и электрические показатели штанговых скважинных насосных установок

Штанговая скважинная насосная установка для эксплуатации нефтяных скважин состоит из скважинной части (скважинный насос, штанги и трубы) и наземного оборудования (станок-качалка и электропривод). Скважинный насос - плунжерный насос одинарного действия проходным плунжером. Плунжер насоса, спускаемого в скважину на глубину до 4 км, при помощи длинной колонны штанг в колонне труб соединяется с головкой балансира станка-качалки. Станок-качалка состоит из редуктора и шарнирного четырехзвенника, преобразующего вращательное движение кривошипного вала редуктора в возвратно-пос­тупательное движение точки подвеса штанг. Клиноременная передача свя­зывает вал редуктора станка и вал приводного электродвигателя, управление которым осуществляется при помощи пуско-защитного уст­ройства.

Мощность, потребляемая электродвигателем при работе установки, определяется крутящим моментом на валу кривошипа, который, в свою очередь, зависит от тангенциальной составляющей усилия, действующего в шатуне станка вследствие нагрузки на головку балансира. Так как нагрузка при возвратно-поступательном движении плунжера периоди­чески изменяется, то и момент двигателя станка-качалки также будет периодически меняться. Такой режим работы установки создает тяжелые условия, как для станка-качалки, так и для его электропривода, что сок­ращает сроки службы оборудования и увеличивает потери электроэнергии. Для выравнивания момента нагрузки за цикл станки-качалки уравновешивают при помощи противогрузов, размещаемых на кривошипах (роторное уравновешивание) либо на балансире (балансирное уравновешивание). При этом массу противогрузов и их расположение подбирают так, чтобы обеспечить наиболее равномерное потребление энергии из электросети за цикл работы. При хорошо уравновешенном станке усилия, действующие на балансир при ходе вверх и при ходе вниз, одинаковы. Поэтому в случае уравновешенного станка-качалки как при ходе плунжера вверх, так и при ходе вниз приводной электродвигатель будет иметь одинаковую нагрузку. Однако даже при полном уравновешивании станков-качалок специфическая кинематика механизма делает невозможным сглаживание колебаний момента двигателя при помощи маховых масс, как это удается сделать, например, в приводах поршне­вых компрессоров и насосов.

Для режима нагрузки двигателя станка-качалки характерно периодическое чередование перегрузок и недогрузок, повторяющихся 12 — 30 раз в минуту. Это соответствует 6—15 ходам плунжера скважинного насоса, т.е. кривая изменения нагрузки электродвигателя в течение одного цикла работы установки (одного оборота вала кривошипа) имеет два максимума и два минимума тока. Максимумы тока соответствуют средним положениям балансира, минимумы — крайним. Отметим, что максимумы тока могут достигать значений, соответствующих опрокидывающему моменту двигателя, а минимумы соответствуют его холостому ходу.

Момент сопротивления станка-качалки Мс складывается из постоян­ной составляющей и переменной, которая изменяется периодически в ф-и угла поворота вала.

Характер изменения периодической ф-и принято оценивать коэффициентами амплитуды и формы. Коэффициент амплитуды пред­ставляет собой отношение максимального значения периодически изменяющейся ф-и к ее среднему квадратическому.

Коэффициент формы — отношение среднего квадратического значе­ния функции к ее среднему значению:

Коэффициент формы кривой нагрузки двигателя станка-качалки зависит от параметров скважинной насосной установки и возрастает с увеличением длины хода и числа качаний в 1 мин и с уменьшением диа­метра скважинного насоса. При ухудшении уравновешивания станка коэффициент формы кривой нагрузки увеличивается. Коэффициент формы кривой в большинстве случаев находится в пределах от 1,2 до 3.

Специфический характер нагрузки ЭД скважинных насосных установок оказывает существенное влияние на энергетические показатели приводных электродвигателей, обусловливая особую важность правильного выбора их типа, мощности и установления фактичес­ких значений КПД и cosφ, значение которых необходимо для определения установленной мощности питающих трансформаторов, расчета электрических сетей, определения мощности компенсирующих уст­ройств, оценки экономичности двигателей различных типов, а также для подсчета энергетических затрат.

При переменной цикл-ой нагрузке КПД и cosφ двигателя привода станка-качалки за цикл нагрузки определяют по: ηц=ηн/(ηн+kφ(1-ηн)); cosφ_ц= cosφ_н(ηн+kφ(1-ηн))/kφ.

Зависимость энергетических показателей электродвигателей при насосной эксплуатации нефтяных скважин от коэффициента формы нагрузочной кривой в еще более значительной степени проявляется при уменьшении загрузки электродвигателей.

Анализ энергетических показателей электроустановок при циклической нагрузке показал, что относительные потери мощности (т.е. отношение потерь к средней потребляемой мощности) также увеличиваются и даже при полном использовании двигателей по нагреву.

Характер изменения относительных потерь мощности рц в зависимости от коэффициента формы нагрузочной кривой kφ и номинального КПД двигателя показывает, что циклический характер нагрузки вызывает рост относительных потерь мощности, причем с увеличением номинального КПД двигателя этот рост значительнее. Это обстоятельство обусловлено тем, что вследствие циклического характера нагрузки уменьшение средней потребляемой мощности при увеличении ηн сказывается в большей степени, чем снижение потерь энергии при передаче.

В тех случаях, когда средняя квадратическая мощность на валу двигателя меньше номинальной, т.е. Р_2ср.кв< Рн, относительные потер мощности также уменьшаются. Это связано с тем, что абсолютная величина потерь, пропорциональная квадрату коэффициенту загрузки, снижается более резко, чем средняя потребляемая мощность пропорциональная коэффициенту загрузки приводного двигателя в первой степени. Однако при снижении степени загрузки двигателя ниже 0,5 это уменьшение потерь в области kφ = 1,2-3 становится менее ощутимым, а при k₃ < 0,3 потери остаются примерно постоянными. Это обстоятельство указывает на недопустимость снижения степени загрузки двигателей станков-качалок ниже 0,5 не только из-за уменьшения энергетических показателей привода, но и с точки зрения экономичности работы эл сети.

Циклический характер нагрузки электродвигателей привода станков-качалок не только вызывает ухудшение энергетических показателей работы привода, но и приводит к росту относительных потерь мощности. Это обусловливает особую важность мероприятий по сглаживанию колебаний тока для обеспечения рационального использования электрооборудования и снижения энергетических затрат при добыче нефти штанговыми скважинными насосами.