Автоматизация процесса испытаний ступеней погружных центробежных насосов для добычи нефти

УДК 65.011.56

С.И. Сташков, А.С. Пиминова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИСПЫТАНИЙ СТУПЕНЕЙ ПОГРУЖНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

В настоящее время очень развита нефтедобыча. На большинстве нефтедобывающих месторождений мира нефть добывают насосным способом, при котором на определенную глубину спускают специальные насосы. При этом энергия, приводящая насосы в действие, может передаваться различными способами.

Каждое предприятие, выпускающее нефтедобывающее оборудование и его элементы, нацелено на то, чтобы выпускаемая им продукция соответствовала заявленным требованиям. Основным элементом нефтедобывающих установок является погружной центробежный насос, который представляет собой набор определенного числа ступеней (рабочее колесо, направляющий аппарат). Для проверки соответствия ступени заявленным требованиям проводят испытания на специализированных стендах. Полученные при испытаниях значения показателей качества сравнивают с эталонными.

Приведены результаты статистического анализа процесса испытания ступеней погружных центробежных насосов. Описаны основные параметры насосов. В исследовании использовался один из статистических инструментов контроля качества и параметров технического процесса - контрольные карты Шухарта.

В ходе анализа рассмотрены основные этапы процесса испытания ступеней. Анализ был проведен на примере испытания ступеней 5-15 производства ЗАО «Новомет-Пермь», а также описан метод построения контрольных карт Шухарата для рассматриваемого случая. Построенные контрольные карты наглядно показывают точки выхода процесса из устойчивого состояния и доказывают, что существуют неслучайные причины и факторы, которые влияют на качество испытаний и позволяют своевременно устранить их. Результаты анализа показывают, что важно учитывать все влияющие факторы на процесс испытания, чтобы обеспечить требуемый уровень показателей качества.

Ключевые слова: нефтедобыча, нефтедобывающее оборудование, центробежные насосы, испытания, ступени, алгоритмы.

S.I. Stashkov, A.S. Piminova

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

AUTOMATION OF TEST STAGES OF CENTRIFUGAL SUBMERSIBLE PUMPS FOR OIL PRODUCTION

Currently, oil production is highly developed. On most of oil fields in the world oil is produced by artificial lift. In this operating method pump is lowered to a predetermined depth, which are powered by the energy transmitted in various ways.

Each company aims to ensure that the equipment necessary for the oil production, appropriate to stated requirements of the customer. The main element of oil installations is a centrifugal pump which consist of a certain number of stages (impeller, diffuser). In order to check the stages parameters to stated requirements, is needed to conduct tests on special stands. As a result we can get a number of quality indicators which subsequently compared with reference parameters.

This article describes the basic parameters of the pumps and showed the results of statistical analysis of the testing process submersible centrifugal pumps stages. In researching used one of the static quality control tools and technical parameters of the process - the She-whart control charts.

The basic phases of the testing process stages were studied in during the analysis. The analysis was conducted on the example testing stages 5-15 of PJSC "Novomet Perm ", and describes a method of constructing control charts Shuharata. The formation of the control charts clearly shows the exit point of the process from steady state and argues that there are non-random causes and factors that influence the quality and allows promptly to remove them. The results of analysis show that it is important to take into account all factors affecting the process of testing to ensure the desired level of quality indicators.

Keywords: oil production, equipment for the oil production, centrifugal pumps, testing process, stages, algorithms.

Основной вид продукции предприятия ЗАО «Новомет-Пермь» -установки электроцентробежных насосов (УЭЦН), предназначенные для откачки из нефтяных скважин пластовой жидкости, содержащей

нефть, воду, газ и механические примеси. Одной из главных составных частей УЭНЦ является погружной многоступенчатый электрический насос центробежного действия (ЭНЦ), представляющий собой набор большого числа ступеней - рабочих колес и направляющих аппаратов, заключенных в стальной корпус в виде трубы [1, 2].

Насосы состоят из секций, количество которых варьируется от двух до десяти. В одной секции насоса может размещаться от 50 до 200 ступеней в зависимости от их монтажной высоты. Конструкция ЭЦН представлена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция ЭЦН: 1 - вал; 2 - осевая опора;

3 - подшипник верхний; 4 - ступени; 5 - подшипник промежуточный;

6 - ступени; 7 - подшипник нижний

Основными параметрами насоса являются подача и напор [2]. Под подачей понимается объем жидкости, который перекачивает насос за определенный промежуток времени (<2, м3/сут). Напор - это максимальная высота, на которую насос может поднять жидкость (Н, м), или давление, которое способен преодолеть насос, выраженное в метрах столба жидкости (Р, м вод. ст.).

В зависимости от условий эксплуатации центробежные насосы имеют переменные подачи и напоры. Графическая зависимость напора, потребляемой мощности и КПД (п, %) от подачи при постоянном числе оборотов называется характеристикой центробежного насоса [3-5]. Пример зависимости данных характеристик приведен на рис. 2.

0,752ОПТ 0ОПТ ~1,25£опт а

Рис. 2. Зависимость характеристик насоса

Обычно характеристики насосов устанавливают опытным путем (испытание водой): при постоянном числе оборотов насоса изменяют степень открытия задвижки, установленной на выходе из насоса; замеряют подачу (2), напор (Н) и мощность (Ы); далее по этим данным вычисляют КПД насоса (п). Найденные таким путем зависимости изображают графически в прямоугольной системе координат.

Основной характеристикой насоса считается зависимость напора от его подачи Н = /(2). По характеру кривой, приведенной на рис. 2, видно, что насос способен поднять столб жидкости на максимальную высоту (Нmax), но при этом он будет работать вхолостую (2 = 0), и наоборот - насос способен перекачивать максимальный объем жидкости (2тах) при отсутствии противодавления (Н = 0). При определенном соотношении 2 и Н КПД достигает максимального значения, равного примерно 50 %. Область возможных режимов работы насоса называется рабочей частью или рабочей зоной. Кривая Ы= /(2) характеризует зависимость потребляемой насосом мощности от подачи.

Выбор насоса для конкретной УЭЦН сводится к выбору такого типоразмера ЭЦН, чтобы он, работая в скважине при эксплуатации УЭЦН, осуществлял максимально допустимый отбор жидкости с заданной глубины и работал при этом на режимах, приближенных к максимальному КПД.

Каждая ступень ЭНЦ развивает от 3 до 7 м вод. ст. При увеличении количества ступеней напор будет равен сумме напоров, развиваемых каждой ступенью в отдельности, подача насоса при этом остается неизменной, т.е. равной подаче, обеспечиваемой одной ступенью. Таким образом, подача насоса зависит от размера и конфигурации ступеней.

Для определения качественных характеристик ступеней проводят их испытания на специальном стенде СВИС 0,05-10001.

Стенд вертикальный испытания ступеней СВИС 0,05-1000 предназначен для проведения испытаний опытных и серийных изделий на надежность и работоспособность. Объектом испытаний является определение гидравлических и энергетических характеристик, осевой силы (подъема и опускания) ступеней погружных центробежных насосов для добычи нефти габаритов 5 и 5А в вертикальном положении.

Для оценки стабильности процесса испытаний и определения, нуждается ли процесс в автоматизации, применим один из семи инструментов контроля и управления качеством - контрольные карты Шухарта.

Контрольные карты позволяют выявить, что существуют неслучайные причины и факторы, которые влияют на качество2.

В процессе анализа были рассмотрены 24 испытания ступеней 5-15. Полученные в ходе испытаний показатели качества представлены в табл. 1.

Таблица 1

Показатели качества ступеней 5-15

Номер испытания Напор Мощность КПД Вибрация

1 5,36 0,031 34,2 2,49

2 5,05 0,032 33,55 2,0

3 5,05 0,032 33,6 3,15

4 5,49 0,032 30,07 2,91

1 288.006.00.00РЭ. Руководство по эксплуатации СВИС 0,5-1000 Стенд вертикальный испытания ступеней / Новомет-Пермь. 2012. 20 с.; 602.024.0000РЭ. Руководство оператора на стенд СВИС 0,5-1000 Стенд вертикальный испытания ступеней / Новомет-Пермь. 2012. 67 с.

2 ГОСТ Р 50779 40-96. Статистические методы. Контрольные карты. Общее руководство и введение.

Окончание табл. 1

Номер испытания Напор Мощность КПД Вибрация

5 5,35 0,031 32,6 1,43

6 5,07 0,032 32,59 2,07

7 5,06 0,032 31,39 2,21

8 5,43 0,032 32,15 2,69

9 4,37 0,032 30,22 2,05

10 5,42 0,03 34,03 2,65

11 5,05 0,032 32,46 3,05

12 5,02 0,03 32,11 3,13

13 5,29 0,03 33,08 3,25

14 5,37 0,03 33,5 3,42

15 5,05 0,03 33,81 3,85

16 5,05 0,031 33,11 4,5

17 5,2 0,03 34,11 3,32

18 5,343 0,029 84 33,63 2,56

19 5,048 0,031 56 30,46 2,76

20 5,382 0,030 69 31,79 3,37

21 5,463 0,030 17 34,79 3,43

22 5,368 0,031 26 33,98 3,2

23 5,01 0,030 82 36,67 2,59

24 5,303 0,031 26 33,13 3,53

Для построения контрольных карт были рассчитаны значения среднеквадратичного отклонения для следующих параметров: - напора Н:

V

п±(^^-^)2 =124£( 1 -5'5)!;

- мощности привода ступеней N

1 24

I- £(х, - 0,°31)2;

- КПД ступеней:

^КПД

1 24

± х, -3°)!;

- вибрации ступени V:

1 24

^ -£(X -2,88)2,

а также границы допустимых значений соответствующих показателей

ВГг = х! + 3о, НГг = х - 3а,

где ! - номер испытания; х! - номинальное значение показателя качества; х! - полученное значение показателя качества при !-м испытании; ВГг- - верхняя граница показателя; НГг- - нижняя граница показателя. Значения контрольных показателей качества приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения контрольных показателей качества

Контролируемый параметр Напор, м Мощность, кВт КПД, % Вибрация, мм/с

Номинал 5,5 0,031 30,0 2,88

Верхняя граница 6,5179 0,0335 - 4,68

Нижняя граница 4,4821 0,0285 20,07 -

Контрольные карты Шухарта для показателей процесса испытания качества ступеней представлены на рис. 3-6.

7,0 6,5 2 6,0

§-55

§ '

4,5 .НННННННННННННН-Ц-НННННННН-.НННННННННННННННННННН!

4,0 I I I II II II II II II II II II II

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324 Номер испытания

Рис. 3. Контрольная карта для напора:  - напор; » - номинал; - ВГ; —*— НГ

Из диаграмм следует, что большинство показателей качества не выходят за допустимые пределы, но процесс испытания ступеней нестабилен и нуждается в регулировании, так как на контрольной карте присутствуют сигнальные признаки того, что следует производить коррекцию процесса.

Рис. 4. Контрольная карта для мощности: I - мощность; —ф--номинал; - ВГ; —»«— НГ

Рис. 5. Контрольная карта для КПД:  - КПД; —♦--номинал; —к— НГ

Рис. 6. Контрольная карта для вибрации:  - вибрация; —♦--номинал; - ВГ

Во-первых, одна точка выходит за допустимые пределы (см. рис. 3). Этот критерий служит так называемым ранним предупреждением о начинающейся разладке процесса3.

Во-вторых, семь или более точек (подряд) находятся по одну сторону от номинального значения. При данном отклонении возможен такой вариант: пересмотреть номинальное значение показателей.

В-третьих, на рис. 6 наблюдается шесть монотонно возрастающих точек, расположенных подряд. Выполнение данного условия сигнализирует о сдвиге среднего значения процесса, который, как правило, обусловлен изнашиванием инструмента, ухудшением технического обслуживания оборудования, повышением квалификации рабочего и т.п.4.

В-четвертых, на контрольных картах наблюдается периодическая структура кривых процесса (попеременный подъем и спад с примерно одинаковыми интервалами времени).

При анализе причин появления брака установлено, что значение показателя качества вышло за пределы допустимых значений из-за превышения оператором расхода воды более чем на 15 % от номинального значения. Таким образом, получается, что показатели качества процесса испытаний напрямую зависят от качества поддержания расхода воды на необходимом уровне, т. е.

к = Л0,

где Кг- - это i-й показатель качества, Q - вектор расхода.

Для того чтобы поддерживать показатели качества вблизи номинального значения, необходимо повысить точность поддержания расхода. Для повышения точности поддержания расхода и исключения субъективного фактора необходимо проводить регулирование расхода в автоматическом режиме. Частичная автоматизация стенда и наличие в контуре управления микропроцессорного контроллера Siemens S7-200 позволяют модернизировать существующий алгоритм программно-логического управления испытательным стендом.

Блок-схема разработанного алгоритма управления испытательным стендом приведена на рис. 7.

3 ГОСТ Р 50779 40-96. Статистические методы. Контрольные карты. Общее руководство и введение.

4 Там же.

Рис. 7. Алгоритм управления испытательным стендом

Перед началом процесса испытания оператору необходимо провести ряд подготовительных работ: собрать пакет ступеней, установить его на стенд, открыть задвижку на входном трубопроводе для заполнения пакета ступеней водой, стравить воздух из магистрали.

После выполнения предварительных работ оператор должен включить питание электродвигателя и с помощью станции оператора ввести исходные параметры процесса испытания.

Далее проводится снятие гидродинамических характеристик для заданного количества точек (не менее семи точек) в автоматическом режиме. В зависимости от вида испытываемых ступеней и количества заданных точек снятия характеристик контроллером вырабатывается управляющий сигнал открытия регулирующего клапана расхода воды. Измерение текущего значения расхода в трубопроводе стенда осуществляется электромагнитным расходомером. Это значение сравнивается с заданным, и, если оно отличается от последнего, вырабатывается сигнал на увеличение/уменьшение процента открытия клапана. Если текущее значение расхода равно заданному, то снимаются гидродинамические характеристики и полученные значения записываются в память. При достижении расхода 250 м3/сут вырабатывается сигнал закрытия задвижки в первом трубопроводе диаметром 25 мм и открытия задвижки во втором трубопроводе диаметром 50 мм. Измерение необходимого количества точек происходит аналогично. По полученным данным производится расчет КПД.

Далее в автоматическом режиме снятые гидродинамические характеристики сравниваются с характеристиками из каталога для данных ступеней, и на экран монитора станции оператора выдается результат проведения испытаний. Для окончания процесса испытания оператор сохраняет данные об испытании.

После окончания процесса испытания документ о результатах испытаний интегрируется в имеющуюся на предприятии РЬМ-систему и может вызываться другими пользователями, имеющими соответствующие права доступа, для ознакомления с результатами испытания ступеней [6, 7, 8].

Список литературы

1. Эксплуатация скважин, оборудованных установками электроцентробежных насосов / Ю.А. Тырсин, В.Н. Коротков, А.В. Ситченков [и др.]. -Самара: Самаранефтегаз, 2009. - 160 с.

2. Кудинов В.И. Основы нефтегазового дела / Ин-т компьютерных исследований; Удмуртский ун-т. - М.; Ижевск, 2005. - 720 с.

3. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования / Л.Г. Чи-черов [и др.]. - М.: Недра, 1987. - 422 с.

4. Особенности добычи нефти и газа из горизонтальных скважин / Г.П. Зозуля [и др.]. - М.: Академия, 2009. - 176 с.

5. Машиностроение: энциклопедия. Т. III-7. Измерения, контроль, испытания и диагностика / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов [и др.]; под общ. ред. В В. Клюева. - М., 2003. - 464 с.

6. Никифоров А.Д. Управление качеством: учеб. пособие для вузов. -М.: Дрофа, 2004. - 720 с.

7. Управление жизненным циклом продукции / А.Ф. Колчин, М.В Овсянников, А.Ф. Стрекалов, С.В. Сумароков. - М.: Анахарсис, 2002. - 304 с.

8. Информационно-вычислительные системы в машиностроении. CALS-технологии / Ю.М. Соломенцев, В.Г. Митрофанов, В.В. Павлов, А.В. Рыбаков. - М.: Наука, 2003. - 292 с.

References

1. Tyrsin Yu.A., Korotkov V.N., Sitchenkov A.V. [et al.] Ekspluatatsiya skvazhin, oborudovannykh ustanovkami elektrotsentrobezhnykh nasosov [Exploitation of the wells, which equipped with electric centrifugal pumps plants]. Samara: Samaraneftegaz, 2009, 160 p.

2. Kudinov V.I. Osnovy neftegazovogo dela [Oil and gas fundamentals]. Mosraw: Institut kompyuternykh issledovaniy; Izhevsk: Udmurtskiy universitet, 2005, 720 p.

3. Chicherov L.G. [et al.] Raschet I konstruirovanie neftepromyslovogo ob-orudovaniya [Calculation and designing of the oil producing equipment]. Moscow: Nedra, 1987, 422 p.

4. Zozulya G.P. [et al.] Osobennosti dobychi nefti I gaza iz gorizontalnykh skvazhin [Peculiar properties of extracting oil and gas from horizontal wells]. Moscow: Akademiya, 2009, 176 p.

5. Klyuev V.V., Sosnin F.R., Filinov V.N. [et al.] Mashinostroenie. T. III-7. Izmereniya, kontrol, ispytaniya I diagnostika [Machinery construction. T III-7. Measurement, control, testing and diagnostics]. Ed. V.V. Klyuev. Moscow, 1996, 464 p.

6. Nikiforov A.D. Upravlenie kachestvom [Quality management]. Moscow: Drofa, 2004, 720 p.

7. Kolchin A.F., Ovsyannikov M.V., Strekalov A.F., Sumarokov S.V. Upravlenie zhiznennym tsiklom produktsii [Management of productions life cycle]. Moscow: Anakharsis, 2002, 304 p.

8. Solomentsev Yu.M., Mitrofanov V.G., Pavlov V.V., Rybakov A.V. In-formatsionno-vychislitelnye sistemy v mashinostroenii. CALS-tekhnologii [Data-processing systems in machinery construction. CALS-technologies]. Moscow: Nauka, 2003, 292 p.

Получено 15.06.2013

Об авторах

Сташков Сергей Игоревич (Пермь, Россия) - ассистент кафедры автоматизации технологических процессов Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: atp@pstu.ru).

Пиминова Антонина Сергеевна (Пермь, Россия) - студентка кафедры автоматизации технологических процессов Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: atp@pstu.ru).

About the authors

Stashkov Sergey Igorevich (Perm, Russian Federation) - Assistant, Department of Automation Technological Processes, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: atp@pstu.ru).

Piminova Antonina Sergeevna (Perm, Russian Federation) - Student, Department of Automation Technological Processes, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: atp@pstu.ru).