Критерии выбора оптимального насосного оборудования для повышения энергоэффективности системы поддержания пластового давления

В.В. Чикин, Р.В. Нилов, И.И. Исламов (Филиал «Газпромнефть-Муравленко» ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз»), А.Н. Дубровин (ПАО «Газпром нефть»), И.Н. Старкин, Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)

Источник: Журнал «Нефтяное хозяйство»

Эффективность систем поддержания пластового давления (ППД) во многом зависит от надежности и эффективности работы насосного оборудования. Повысить эти показатели можно оптимизацией режимов работы насосов, совершенствованием их конструкции и узлов, применением стойких к перекачиваемой среде материалов, улучшением системы обслуживания и ремонта оборудования на месте эксплуатации. Между тем в настоящее время проблема неправильного подбора насосного оборудования и его рабочих характеристик по-прежнему актуальна. Эксплуатация не оптимально подобранного насосного агрегата зачастую сопровождается значительным увеличением температуры, снижением ресурса работы подшипников и уплотнений в результате повышенной вибрации, а также кавитацией и перегрузкой электродвигателя.

С целью оптимизации системы ППД на месторождениях Филиала «Газпромнефть-Муравленко» ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз» для снижения затрат на потребление электроэнергии был проведен анализ по выявлению основных источников энергопотребления (рис. 1). Основными энергопотребителями являются БКНС Сугмутского и КНС-2 Еты-Пуровского месторождений. По коэффициенту полезного действия используемого насосного оборудования все площадочные объекты системы ППД на месторождениях Филиала «Газпромнефть-Муравленко» ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз» были условно разделены на три группы: 1) с высоким к.п.д. (более 70 %); 2) со средним к.п.д. (от 70 до 60 %); 3) с низким к.п.д. (менее 60 %) (рис. 2).

Рис. 1. Потребление электроэнергии блочными кустовыми насосными станциями (БКНС) за 12 мес:
БКНС: 1 — Еты-Пуровская-2; 2 — Сугмутская-3б; 3 — Сугмутская-2; 4 — Вынгаяхинская-3; 5 — Суторминская; 6 — Сугмутская-3; 7 — Сугмутская-3а; 8 — Сугмутская-1; 9 — Суторминская-7; 10 — Романовская; 11 — Крайняя; 12 — Суторминская-2; 13 — Муравленковская-6; 14 — Суторминская-15; 15 — Муравленковская-1; 16 — Суторминская-4; 17 — Муравленковская-2; 18 — Муравленковская-4; 19 — Суторминская-12; 20 — Суторминская-14; 21 — Суторминская-10; 22 — Суторминская-13; 23 — Муравленковская-5; 24 — Еты-Пуровская; 25 — Умсейская; 26 — Вынгаяхинская; 27 — Суторминская-1

Основные энергопотребители (КНС Сугмутского и Еты-Пуровского месторождений) попали в группу с высоким к.п.д. Исключением стала КНС-2 Сугмутского месторождения (к.п.д. равен 66 %), поэтому ее выбрали в качестве объекта оптимизации (подбора оптимального насосного оборудования).

Рис. 2. Коэффициент полезного действия за 12 мес:
1 — 27 — то же, что на рис. 1

Технологические параметры КНС-2 Сугмутского месторождения на дату проведения анализа (декабрь 2014 г.) приведены в табл. 1 На КНС-2 смонтированы пять насосных агрегатов ЦНС 240-1900 (три в работе + два в резерве). Сугмутское месторождение характеризуется высоким давлением закачки, поэтому давление на выкиде агрегатов составляет 200 МПа. Перепад в гребенке БКНС незначителен (0,5 МПа) и поэтому существенно не влияет на к.п.д. и удельный расход электроэнергии блока.

Примечание. Производительность, к.п.д. и удельный расход электроэнергии блока составляют соответственно 553 м3/ч, 58 %, 9,6 кВт⋅ч/м3.

Из табл. 1 видно, что насосные агрегаты характеризуются средней степенью загрузки и соответственно относительно невысоким к.п.д. для насосов типоразмера ЦНС 240. В данном случае необходимый режим работы достигается при помощи «закрытой задвижки» — насосные агрегаты эксплуатируются в левой зоне рабочей характеристики. Эксплуатация центробежных насосов за пределами рабочей области его характеристики может привести к изменению к.п.д. насоса, напора, мощности, требуемого кавитационного запаса, а также создает условия для появления неустановившихся течений, а следовательно, турбулентности и пульсаций давления в системе водоводов. В большинстве случаев рабочий интервал характеристик насосов типа ЦНС находится в пределах 0,8–1,2 номинальной подачи, что соответствует максимальному к.п.д. насоса.

Режим, достигнутый за счет искусственного увеличения сопротивления сети при помощи задвижки, приводит к дополнительным потерям мощности. Так, потери электроэнергии на задвижке при дросселировании давления насоса ЦНС 240-1900 на 1 МПа составят 525000 кВт⋅ч/год при наработке насоса 8000 ч. Для Сугмутского месторождения при стоимости 1 кВт⋅ч 2,9 руб. стоимость электроэнергии, потерянной на задвижке, составит 1522500 руб/год.

Режим «закрытой задвижки» (дросселирование) уменьшает мощность на валу машины и вместе с тем повышает долю энергии, расходуемой при регулировании, поэтому такой режим не экономичен. Энергетическая эффективность этого вида регулирования центробежных насосов низкая, однако из- за чрезвычайной простоты этот способ имеет широкое применение. При дроссельном регулировании эксплуатации центробежных насосов, подающих жидкость, дроссель располагают в напорной линии. Если разместить его на всасывающей линии, то при регулировании могут возникнуть кавитационные явления в потоке и нарушение нормальной работы насоса. Дросселирование как способ регулирования допустим только в тех случаях, когда потребляемая мощность N снижается с уменьшением подачи Q: ∂N/∂Q > 0. Если же ∂N/∂Q < 0, то дросселирование нецелесообразно, поскольку увеличивает потребляемую мощность.

Энергоэффективным способом регулирования подачи для КНС-2 Сугмутского месторождения мог бы стать метод частотного регулирования, при котором отсутствуют потери энергии, обусловленные гидравлическим сопротивлением дросселя. Данный метод применяется, когда имеется возможность изменять частоту вращения вала двигателя, ППД или затраты на приобретение и установку частотного преобразователя экономически оправданны.

Энергетическая эффективность работы системы ППД определяется в первую очередь правильностью подбора насосных агрегатов под требования данной системы (рис. 3).

Рис. 3. Подбор насоса под характеристики сети

В настоящее время отечественные производители насосного оборудования для системы ППД выпускают широкий ассортимент насосов ЦНС с расходом 30–1000 м3/ч и напором до 2300 м. Однако насосные агрегаты, отвечающие техническим параметрам работы КНС-2 Сугмутского месторождения, не производятся. Можно эксплуатировать насосные агрегаты типа ЦНС 180, но в данном случае насос будет работать в правой зоне рабочих характеристик.

Рис. 4. ЦНС 280-1900 на рабочей позиции № 3 КНС-2 Сугмутского месторождения

С целью оптимизации работы насосного оборудования системы ППД и сокращения потребления электроэнергии было принято решение о применении на КНС-2 нетипового насоса — ЦНС 280-1900, модернизированного на базе имеющегося ЦНС 240-1900. Установочные размеры и потребляемая ЦНС 280-1900 мощность позволяют заменить им ЦНС 240-1900 с электродвигателем мощностью 1600 кВт. В свою очередь сохранение электродвигателя прежней мощности позволяет значительно снизить удельное энергопотребление.

Замеренные характеристики, а также рабочая характеристика данного насоса, полученные на стенде в условиях базы по ремонту насосно-компрессорного оборудования ООО «ЯмалСервисЦентр», приведены в табл. 2.

Рис. 5. Параметры работы КНС-2 в 2014 –2015 гг.

Насос ЦНС 280-1900 (рис. 4) был смонтирован и введен в эксплуатацию в конце января 2015 г. Всего через несколько суток работы были зафиксированы существенное увеличение к.п.д. и, как следствие, снижение энергопотребления (рис. 5). По данным контрольно-измерительных приборов (КИП) параметры работы насоса (подача, напор, к.п.д.) соответствуют паспортной характеристике. Кроме того, модернизация существующего насосного агрегата ЦНС 240 до ЦНС 280 не привела к изменению габаритных размеров насоса. Результаты экономических расчетов показывают, что срок окупаемости замены насоса составляет 6 мес.

Выводы

1. Для надежной и эффективной работы насоса необходимо, чтобы он полностью соответствовал сети по рабочим параметрам и материальному исполнению.

2. Для повышения эффективности системы технического обслуживания и ремонта насосного оборудования необходимо дополнительно комплектовать его системами мониторинга и КИП, позволяющими проводить непрерывный контроль параметров, определяющих техническое состояние узлов и деталей насоса.

3. Меры по обеспечению надежности насосного оборудования систем ППД эффективны только в случае тесного взаимодействия производителя оборудования и эксплуатирующей организации.

Возврат к списку