СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ ВЕТОХИНА ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН (АМВ НГС)
COOLING SYSTEM FOR ASYNCHRONOUS MACHINE OF VETOHIN FOR OIL-AND-GAS WELLS (AMV OGW)

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к погружным электрическим машинам, которые применяются для приводов различных подводных механизмов буровых и добычных установок при разработке и добыче полезных ископаемых и минеральных ресурсов нефти и газа на морском дне, а также для приводов скважных насосов и буровых механизмов в геологоразведочных работах и промышленном освоении морского континентального шельфа по добыче нефти и газа.
Научно-технический прогресс и перспективы развития интенсивного освоения добычи минеральных ресурсов на материке и континентальном шельфе, разработка новых месторождений нефти и газа в Сибирском энергетическом районе Тюмени, Оренбурга и др. и в связи с увеличением глубины залежей нефти до 3000 м требуется достаточно много технических средств и рабочих механизмов, которые должны приводиться в движение высонадежными погружными электрическими двигателями (ПЭД). До настоящего времени для привода насосов нефтескважин и буровых установок используются герметичные маслозаполненные ПЭД с довольно сложной многоступенчатой гидрозащитой, установленной со стороны приводного вала. При ее искривлении и попадании пластовой воды в полость двигателя он выходит из строя из-за коррозии активных частей и снижения сопротивления изоляции обмотки статора. Охлаждение ПЭД осуществляется пластовой жидкостью через корпус.
Известны герметичные погружные электродвигатели различных конструкций и исполнений, работающих в нефтескважинах с погружением до 1500 м с температурой окружающей пластовой воды 80°C, полости которых заполняются жидким диэлектриком (например, трансформаторным маслом или керосином), используемым в качестве изолятора и как вещество для уравновешивания противодавления глубины погружения (см. погружные электродвигатели для насосов и электробуров Харьковского электромеханического завода (ХЭМЗ) и Специального проектно-конструкторского и технологического бюро по погружному электрооборудованию для бурения скважин и добычи нефти "Потенциал" (СКТБПЭ «Потенциал»), г.Харьков, ГОСТ 18058-80). Для насосов нефтескважин с погружением на глубину 3000 м фирмой «АЛНАС» г.Москва разработан погружной электродвигатель типа ПЭДС360-130МВ5 при работе в скважинах с температурой пластовой жидкости до 150°C.
Главными недостатками приведенных ПЭД являются:
1. Система охлаждения у существующих герметичных ПЭД, предназначенных для работы на глубине 3000 м из-за высоких температур пластовой жидкой среды, достигающих 150°C, недостаточно эффективна.
2. Гидрозащита различных конструкций герметичных ПЭД обладает низкой эксплуатационной надежностью.
3. Герметизация ПЭД приводит к значительному росту температуры обмотки статора до и выше 200°C, в силу чего понижается надежность обмоточного провода и подшипников.
4. Отказы гидрозащиты (разгерметизация компенсирующего элемента, износ уплотнений и т.д.) приводит к проникновению агрессивной пластовой жидкости в полость ПЭД и его преждевременному выходу из строя, главным образом из-за электрохимической коррозии.
В известном техническом решении по а.с. №279769 разработан погружной электродвигатель экранированного типа, содержащий между ротором и статором гильзу, которая герметизирует обмотку статора от забортной пластовой воды, экранированная полость статора заполняется жидким диэлектриком (маслом). Конструкция сложна, к тому же гильза увеличивает потери от вихревых токов.
Известна погружная насосная установка вертикального исполнения по а.с. №939830, которая содержит статор, ротор с валом, установленным в подшипниках и подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода жидкости. На вал ротора навешен насос, который через нижние отверстия в корпусе прогоняет охлаждающую жидкость по зазору между ротором и статором, а также через верхнее отверстие в корпусе насосной установки и подает эту жидкость потребителю. Данная насосная установка применяется в скважинах для перекачки пресных вод. При погружении в пластовую агрессивную кислую воду с рН<7 она выйдет из строя из-за электрохимической коррозии активных частей машины, подшипников и обмоток статора и ротора.
Из известных устройств наиболее близкой к заявляемому, выбранному за прототип, является «Электрическая машина Ветохина ЭМВ» (см. патент №2072609, БИ №3, 27.01.97), которая содержит статор, ротор с валом, установленным в подшипниках, корпус, заполненный жидким охладителем, и подшипниковые щиты с отверстиями. В качестве охладителя использована морская вода, а отверстия в подшипниковых щитах для входа и выхода воды расположены двумя группами. Данная машина обеспечивает надежную работу в качестве привода любого подводного механизма, находящегося на неограниченной глубине погружения в морской воде, и отверстия в щите обеспечивают надежное охлаждение всех активных частей ЭМВ. Однако в данной машине диаметр ротора соизмерим со своей длиной и длиной статора и нагрев всех частей машины будет равномерным, а температура обмотки не будет превышать перепада температуры в изоляции обмоточного провода плюс температуры окружающей забортной воды, т.е. не выше 50°C. Недостатком данной конструкции ЭМВ для нефтескважин является соизмеримость диаметра и длины ротора больших размеров для крупных машин большой мощности, которые невозможно осуществить в погружных электродвигателях для насосов и механизмов «Буров» для нефтяных и газовых скважин. ПЭД для нефтегазовых скважин имеют малый диаметр до 150 мм, а длины для больших мощностей двигателя достигают 8 м, с гидрозащитой до 16 м, в которых статоры, роторы и гидрозащита выполняются многоступенчатыми. Кроме того, при глубине скважины до 3000 м температура окружающей кислой агрессивной пластовой воды достигает 150°C и поэтому система охлаждения, подобная ЭМВ, не может работать эффективно и уравнять температуры активных частей внутри машины по всей длине.
Задачей данного изобретения является повышение надежности, работоспособности, увеличение срока службы и уменьшение массы и габаритов в два раза в разработанной асинхронной машине (АМВ НГС) с учетом глубины погружения до 3000 м и температуры пластовой воды до 150°C за счет применения новой гидравлической системы отверстий в корпусе, через которые осуществляется вход и выход охлаждающей окружающей пластовой воды.
Задача решается тем, что в известной асинхронной погружной электрической машине вертикального исполнения, содержащей статор с пазами и обмоткой, винтоканавочный ротор, вал, подшипники, заключенные в корпус с отверстиями для входа и выхода охлаждающей пластовой воды, в корпусе по его длине относительно оси вала имеются группы симметрично расположенных отверстий по радиальному сечению для входа окружающей пластовой жидкости внутрь машины и выхода из нее нагретой, из них первая группа расположена в нижней части подшипникового узла в зоне охлаждения скользящих поверхностей подшипника, вторая группа расположена со стороны нижних лобовых частей, третья группа находится в зоне подачи воды в пазы обмотки статора, а также к каналам между корпусом и пакетами статора и немагнитному зазору, по которому винтоканавочной нарезкой на роторе прогоняется через зазор, четвертая и пятая группы предназначены для выхода нагретой воды из области верхних лобовых частей, пазов, немагнитного рабочего зазора и каналов между корпусом и пакетами статора, шестая группа отверстий служит для подачи воды на верхний опорный подшипник, и седьмая группа - для выхода нагретой воды из области подшипника, в каждой группе имеется по 3-6 отверстий диаметром по 4-6 мм, равномерно распределенных по окружности корпуса и сдвинутых по радиусу на одинаковый угол, а каждая группа по отношению к другой сдвинута на половину угла, чередующихся между собой вдоль корпуса, статор выполнен многопакетным, и между корпусом и спинкой пакетов статора имеются три осевых канала полусферической формы диаметром 3-5 мм, выполненные в стали пакетов и сдвинутые между собой на 120°.
Изобретение поясняется чертежами, в которых:
- на фиг.1 показана АМВ НГС. Продольный разрез погружной асинхронной машины для привода насоса;
- на фиг.2 показан поперечный разрез корпуса в плоскости сечения по отверстиям охлаждения;
- на фиг.3 показан поперечный разрез пакета стали статора между листами.
Согласно изобретению (фиг.1, фиг.2) асинхронная машина (АМВ НГС) содержит корпус 1, в котором размещены пакеты статора 2 с протяжной обмоткой 3 из обмоточного провода с полиимидно-фторопластовой изоляцией, например марки ППИ-У. Статор имеет протекторную защиту пакета 2 сердечника в виде колец 4 из магниевого сплава, например, марки МЛ4. На валу 5 из стали 20Х13 смонтирован ротор 6 с винтоканавочной многозаходной нарезкой и имеющей короткозамкнутую обмотку и короткозамкнутые кольца 7 из электротехнической красной меди. Неподвижность статора обеспечивается его посадкой через шпонку на корпусе и паз под шпонку 8 в пакете статора 2, фиг.3. Протекторная защита ротора обеспечивается втулками 9 из магниевого сплава марки МЛ4, напрессованными втугую на свободные концы вала 5 вплотную к пакету железа ротора 6. Немагнитный зазор 10 обеспечивает осевой проток пластовой воды вдоль машины для охлаждения статора и ротора. Машина содержит два опорно-упорных подшипника: нижний 12, вкладыш которого запрессован в нижний подшипниковый щит 11; верхний подшипник, вкладыш 13 которого запрессован в корпус машины. Так как разработанная машина имеет большую длину и многопакетные статор и ротор, то для более эффективного охлаждения внутренних частей машины и выравнивания температуры по всей длине с помощью окружающей пластовой воды вход и выход воды предлагается осуществлять с помощью гидравлических отверстий из семи групп, чередующихся вдоль корпуса, фиг.1: первая группа (поз.14) служит для входа воды в полость нижнего подшипникового щита для охлаждения скользящих поверхностей подшипника; вторая (поз.15) и третья (поз.16) группы предназначены для подачи воды с двух сторон на лобовые части и пазы обмотки статора, а также к каналам между корпусом и пакетами статора и немагнитному рабочему зазору, по которому винтоканавочный ротор прогоняет по нему охлаждающую пластовую воду; четвертая группа (поз.17) и пятая группа (поз.18) служат для выхода нагретой воды из области лобовых частей обмотки статора, пазов, канала между корпусом и статором и немагнитного рабочего зазора за корпус во внешнюю среду; шестая группа (поз.19) служит для подачи пластовой воды на охлаждение верхнего опорно-упорного подшипника; седьмая группа (поз.20) предназначена для выхода нагретой воды из области подшипника за корпус во внешнюю среду. Для достижения эффективного охлаждения и избежания встречных потоков воды внутри машины, от которых зависят гидравлические потери мощности, шумы и вибрация машины, отверстия в корпусе располагаются равномерно по окружности и сдвинуты по радиусу к центру сечения на одинаковый угол β, фиг.2, а каждая группа по отношению к другой сдвинута на угол β/2, чередующихся между собой вдоль корпуса. В многопакетных статорах и роторах, т.е. в длинных машинах, будет увеличиваться гидравлическое сопротивление всех осевых каналов (пазы, немагнитный зазор), которое будет тормозить проток охлаждающей пластовой воды, поэтому для увеличения протока охлаждающей воды, а значит, и улучшения эффекта охлаждения предлагается создать между корпусом и пакетами статора три осевых канала полусферической формы в стали пакетов статора диаметром 3-5 мм, сдвинутых в пространстве на 120°, фиг.3. Уменьшение внешней поверхности пакетов статора при этом составит не более 4%.
Предлагаемая электрическая машина (АМВ НГС) при погружении в пластовую агрессивную кислую воду с pH<7 работает следующим образом. При включении в сеть статора 2 вращающийся винтоканавочный ротор 6 с валом 5 будет создавать перемешивание пластовой воды в районах лобовых частей и подшипников внутри машины, винтоканавочная нарезка на поверхности ротора будет перекачивать ее по рабочему зазору 10 вдоль машины, т.е. турбулентное вращение воды обратит в поступательное ламинарное движение. При нагреве электродвигателя во время работы тепло от активных частей отводится следующим образом: холодная пластовая вода из окружающей среды через симметричные отверстия 14 первой группы поступает на скользящую пару нижнего подшипника 12, а через отверстия 15 второй группы и отверстия 16 третьей группы поступает на лобовые части обмотки 3, пазы, немагнитный рабочий зазор 10, на вход каналов 21 между статором 2 с жестким креплением 8 и корпусом 1, а также на ротор 6 и его короткозамкнутую обмотку 7. Далее нагретая пластовая вода из пазов обмотки 3 статора, каналов 21 между статором 2 и корпусом 1, немагнитного зазора 10 выходит через четвертую группу отверстий 17, а из области верхних лобовых частей через пятую группу отверстий 18 выходит в окружающую среду. Для охлаждения верхнего опорно-упорного подшипника холодная пластовая вода поступает из внешней среды через шестую группу отверстий 19 и нагретая вода выходит из области подшипника через седьмую группу отверстий 20. Электрохимическая защита статора от контактной коррозии при нахождении его в пластовой кислой воде, как электролите, осуществляется с помощью протекторных колец 4 из магниевого сплава, например, марки МЛ4, запрессованных в корпус вплотную к пакету железа статора с двух сторон, ротора протекторными втулками 9 из того же сплава, напрессованными вплотную к пакетам стали на свободные концы вала 5 ротора 6 с двух сторон.
Заявляемое техническое решение на изобретение позволит:
1) открытое исполнение погружного электродвигателя для насосов и буровых механизмов позволит снизить массу двигателя как минимум в два раза за счет исключения из конструкции многоступенчатой гидрозащиты, диэлектрической жидкости и системы компенсации;
2) при бурении скважины до глубины 3000 м, на которой температура окружающей пластовой воды будет равняться 150°C, эффективное охлаждение внутренних активных частей машины при этом будет максимально обеспечено каналами между корпусом и статором и предлагаемой системой групп входных и выходных симметричных отверстий по длине корпуса, сдвинутых по радиусу сечения на одинаковый угол, а отверстий последующей группы - на половину угла по отношению к предыдущей группе с целью максимально избежать встречных потоков окружающей пластовой воды, что позволит уравнять и снизить температуру во всех зонах внутри двигателя, а это значит повысить надежность работы системы изоляции обмоточных проводов и опорно-упорных подшипников скольжения.